미국 동부의 등뼈를 이루고 있는 아팔라치안 산맥을 따라 남서쪽으로 내려가면 그 산맥이 끝나는 곳에 스모키산 국립공원 (Smoky Mountain National Park)이 있고 그 산세와 ⊂자의 강줄기가 한데 어울려 천연요새를 이루고 있는 한 골짜기에 오크리지 국립연구소 (Oak Ridge National Laboratory, ORNL)가 위치하고 있다. 1945년 세계 제2차 대전을 결정적으로 종식시킨 최초의 원자폭탄 제작이 이곳에서 시작되었으며 그후 원자력과 함께 영광과 좌절의 55년을 지내온 ORNL의 어제와 오늘을 살펴본다.
세계 최초의 원자폭탄
1938년 독일의 Otto Hahn이 우라늄 핵분열을 발견한 이듬해 일련의 과학자들 사이에 핵분열 연쇄반응에 의한 핵무기의 가능성이 거론되었다. 특히 유럽에서 건너온 미국의 이민 과학자들, Albert Einstein (독일), Enrico Fermi (이탈리아), Edward Teller, Leo Szilard, John von Neumann, Eugene Wigner (헝거리) 등을 중심으로 당시 루즈벨트 대통령에게 핵무기 개발을 설득하는 노력이 시작되었고, 드디어 1942년 원자폭탄을 개발하는 목적으로 Oak Ridge에 본부를 둔 맨하탄 프로젝트가 시작되었다.
원자폭탄을 하나 만들려면 최소한도 15 kg의 농축우라늄 또는 풀루토늄이 있어야 된다. 이러한 목적으로 1943년 2월 Oak Ridge의 X-10 Site에는 풀루토늄을 생산하기 위한 흑연원자로 (graphite reactor) 및 정제시설, Y-12 Site에는 전자장을 이용한 우라늄 동위원소 분리시설, 그리고 K-25 Site에는 기체확산법에 의한 우라늄 농축시설 등이 건설되었다. (핵연료를 생산하는 시설들은 Washington주에 있는 Hanford, 및 California주의 Lawrence Livermore 등에서도 병행으로 건설되었다.) 이렇게 해서 수집된 핵연료는 점화장치가 개발되고 있던 New Mexico주의 Los Alamos로 보내어졌고 1945년 7월 16일 드디어 최초의 원자폭탄 실험이 New Mexico 사막에서 성공되었다. 그리고 3주 후인 8월 7일 공격무기로서의 원자폭탄이 일본의 히로시마에 투하되었고 8월 10일에는 다시 나가사끼에 투하되었다. 일본은 8월 15일 무조건 항복하였고 이로써 세계 제2차 대전은 종식되었다.
이렇게 해서 오크리지 국립연구소(ORNL)는 생겨났고 이때 약 3천 여명의 과학기술자들과 그 가족들이 수용되어 살던 마을이 현재의 Oak Ridge라는 새로운 도시가 되었다.
원자력의 평화적 이용
세계대전이 종식된 후 핵무기의 가공할 살상력을 확인한 많은 과학자들 사이에서는 그 당위성에 대한 열띤 논란이 시작되었다. 원자폭탄 제작이라는 사명이 끝난 후 ORNL 자체의 존재여부 문제도 제기되었다. 그러나 1954년 아이젠하워 대통령이 UN에서 "원자력의 평화적 이용(Atoms for Peace)"이라는 유명한 연설을 할 당시 ORNL에서는 이미 원자력 발전, 원자력 추진, 동위원소 응용 등의 연구개발이 진행되고 있었다. The Low Intensity Test Reactor, The Homogeneous Reactor (1 and 2), The Bulk Shielding Reactor, The Aircraft Reactor Experiment, The Tower Shielding Reactor, The Molten Salt Reactor, The Oak Ridge Reactor, The Geneva Conference Reactor, The Package Power Reactor, The Experimental Gas Cooled Reactor 등은 1950년대에 ORNL에서 개발된 원자로들이다. 그리고 1960년대에 들어서면서 Health Physics Research Reactor (1962) 및 High Flux Isotope Reactor (1965)가 건설되었다.
"평화적 원자력"이라는 표어 뒤에는 냉전이라는 대치상황이 계속되고 있었기 때문에 원자력의 군사적 이용은 ORNL에 또 하나의 큰 사명을 부여하고 있었다. ORNL에서 개발된 원자로 기술들은 곧 잠수함 및 군함의 추진동력으로 사용되었고 태평양을 공중급유없이 왕복할 수 있는 장거리 폭격기용으로 원자력 비행기까지 설계되었다. 원자력 비행기는 대륙간 탄도 미사일 (ICBM)의 등장으로 그 가치를 상실하고 하늘을 날아보지 못하였으나 이 시도는 지상에 세 가지 큰 연구분야들을 창출하였다. 첫째로 방사선차폐 등을 연구하기 위한 입자가속기가 개발되었고, 둘째로 컴퓨터가 최초로 개발되었으며, 셋째로 3개의 연구용 원자로가 다시 개발되었다. 미 육군을 위하여 개발된 이동형 원자로는 마당의 쓰레기통 크기임에도 불구하고 5만 4천 배럴의 디젤 연료와 맞먹는 에너지를 생산하는 것들이었으며 남극, 그린랜드 등 발전시설이 없는 오지에 파견된 군사시설을 위하여 사용되었다. 1960년대에 들어서면서 상업성을 가지고 있는 원자력 발전에 관한 기술들은 점차 민간회사들에게 이양되었고 대학교에서는 다투어 원자력학과를 개설하였으며 ORNL은 원자력 공학 및 기술을 가르치는 하나의 성지로 군림하게 되었다. ORNL에서 주도적으로 연구된 방사성 동위원소의 생산 및 이용, 중성자 연구 등은 원자력 못지 않게 전세계에 기여한 ORNL의 큰 업적으로 평가되고 있다.
세계평화를 위한 원자력이라는 기치아래 ORNL에서는 다시 야심적인 연구개발을 시도하였다. 그 중에 대표적인 것으로 원자력에 의하여 바닷물을 담수화하는 거대한 발전시설이 설계되었으며 비가 오지 않는 사막지역을 농경지로 만들 수 있다는 가능성이 국제적으로 많은 관심을 불러일으킬 수 있었다. 그러나 원자력의 안전문제, 환경문제 등이 서서히 고개를 들기 시작하였고 이로 인하여 건설비용이 급상승하였으며, 이 시설이 필요한 사막지역 국가들의 미미한 건설비 부담능력으로 인하여 원자력 담수화 계획은 1968년 수포로 돌아가고 말았다.
이와 병행하여 ORNL에서는 원래 원자력비행기를 목적으로 시도되었던 새로운 개념의 원자로, Molten Salt Reactor (MSR)를 발전용으로 개발하는 연구를 시도하였다. 이 원자로는 종래의 고체 연료봉 대신에 용융된 염(LiF, BeF 등)들이 액체상태로 핵연료와 함께 순환하고 있어서 원자로를 풀 가동하면서 연속적으로 핵연료를 재충전하고 또 핵폐기물을 제거할 수 있으며, Thorium을 순환시키면 핵연료로 사용할 수 있는 U233이 생기고 이 것도 연속적으로 분리 수거할 수 있기 때문에 핵종 변환용(Breeder)으로도 적합하다는 큰 장점들이 있다. 이미 기업화되어 수많은 인력을 확보하고 있던 재래식 원자로 산업의 압력, 그리고 여러 가지 정치적인 상황 때문에 MSR같은 야심작도 시운전 1년만에 그 연구를 중단할 수 밖에 없었으나 이 연구는 Hastell Alloy라고 하는 고온 부식에 강한 새로운 스텐레스를 개발하는 큰 업적을 남겼다. ORNL의 초창기부터 약 30년간 연구소장을 지낸 바 있는 Alvin Weinberg는 아직도 MSR이 가장 안전성이 높은 원자로라고 주장하고 있으며 그 연구가 빛을 보지 못한 것을 아쉬워하고 있다.
연구방향 전환
1970년대가 되면서 핵분열 에너지에 대한 국민의 관심도가 점점 냉담해지고 있었고, ORNL은 30 %의 인력감축을 해야하는 시련을 겪으면서 새로운 에너지 연구라는 방향전환을 모색하게 되었다. 1973년과 1977년의 석유파동은 미국민들에게 대체에너지의 중요성을 일깨워주었으나 1979년 Three Mile Island의 원자로 사고는 다시 맹렬한 원자력 반대여론을 불러왔고 그 결과 ORNL은 원자력발전의 안전성 문제, 환경문제, 그리고 핵폐기물 처리문제를 해결하는 연구에 더 중점을 두지 않을 수 없게 되었다.
ORNL에서의 핵융합 연구는 1971년 ORMAK라고 명명된 토카막 장치로 시작되어 소련과의 경쟁을 선언하였고 2년 후 이를 확장하여 ORMAK II가 건설되었다. 연구소 소장도 핵분열 전문가인 Weinberg 대신에 핵융합 물리학자인 Postma가 소장직을 인계받게 되었다. ORNL의 Y-12 Site에 건설된 ELMO Bumpy Torus는 플라즈마 가열의 신기록을 남긴 바 있으며 핵융합로 내부의 불순물 문제를 연구하기 위한 ISXs (Impurity Study Experiments)도 건설되었다. 국제공동연구로 추진된 높이 6 m가 넘는 6개의 (미국 3, 일본 1, 스위스 1, 유럽공동체 1) 초전도 전자석은 미래의 핵융합로에 대비하여 제작한 ORNL의 야심작 중의 하나이고, 1987년 준공된 ATF (Advanced Toroidal Facility)는 펄스형태가 아닌 연속 플라즈마를 생성할 수 있는 유일한 장치이었다. 그러나 핵융합 연구는 ORNL이 독자적으로 두각을 나타낼 수 있는 성격의 연구가 아니었으며, 21세기 중반이 되어야 실용화가 가능하다는 일부 핵물리학자들의 의견이 정부의 기대를 희석시켜서 1993년 이후 핵에너지에 관한 모든 연구비들이 대폭 삭감 또는 전면 취소되었다. 이 분야의 연구에 종사하던 과학자들은 그 동안에 얻은 기술들을 산업에 응용하여 연구비를 확보하려는 노력이 많이 시도되었으나, 결국은 모두 다른 분야로 흩어져야 하는 운명이 되었다.
ORNL의 현재와 미래
ORNL은 미 정부 DOE (Department of Energy) 소속이지만 운영은 민간기업 (Lockheed Martin Energy Research Co.)이 맡아서 운영하고 있다. 현재 ORNL의 조직은 소장 이하 6개의 Directorate, 17개의 Division, 28개의 Center 및 Office가 있고 30개의 Program들을 운영하고 있다. 원래 모든 Division 들이 원자력 개발에 관계되는 제반 문제들을 연구하기 위하여 생겨났지만 시대적 요구에 따라서 신설, 합병, 폐쇄 등의 과정을 반복하여 왔다. 원자력이라고 하는 목표와 사명이 사라진 지금 이 Division들은 종래의 기초연구를 토대로 산업에 응용될 수 있는 물리, 화학, 생물, 재료, 컴퓨터 등 과학과 공학 전반에 걸친 연구를 제각각 시도하고 있지만 전문화된 수많은 민간 연구소들과 경쟁을 해야한다는 힘겨운 숙제를 안고 있다. ORNL은 더 이상 보안(security)이라는 울타리 안에서 고비용 연구활동을 향유할 수 있는 상황이 아니기 때문이다.
참 고 문 헌
[1] http://www.ornl.gov/swords/*.html
[2] Peter Goodchild, J. Robert Oppenheimer, Shatter of Worlds by BBC, London (1980).
[3] Oak Ridge National Laboratory Review 25(3/4) (1992).
[4] Leland Johnson and Daniel Schaffer, Oak Ridge National Laboratory - The First Fifty Years (University of Tennessee Press, Knoxville, 1994).
[한국원자력연구소 해외초빙과학자 양모 (yangmo@nanum.kaeri.re.kr)]