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우라늄235 농축을 최초 성공한 과학자 ‘헤럴드 클레이튼 유리’

  • 2014.01.28.
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영국 명언 중 ‘하고자 하는 마음만 있다면 불가능은 없다’라는 말이 있습니다.
또 도끼를 갈아 바늘을 만든다는 사자성어 ‘마부작침(磨斧作針)’은 아무리 어려운 일이라도 꾸준히 노력하면 이룰 수 있다는 뜻입니다. 이 말들은 오늘 소개해 드릴 과학자 ‘헤럴드 클레이튼 유리(Harold Clayton Urey)’에게 어울리는 표현입니다.

헤럴드 유리는 원자로와 핵무기에 쓰이는 ‘우라늄235’를 최초로 농축한 과학자입니다.
그는 수천 개의 다공성물질을 통과해야만 가능한 우라늄238과 235를 성공적으로 분리해냈습니다.
우라늄235는 카노타이트, 피치블렌드와 같은 천연 광물에서 산출되며 우라늄234, 238과 섞여 있는 것이 특징입니다.

우라늄 235의 원자핵은 오랜 기간에 걸쳐 알파입자의 형태로 고에너지 방사선을 방출하며 붕괴하는데, 광물구성 성분의 0.7%에 불과한 우라늄235를 농축시키려면 어마어마한 양의 우라늄을 분리해내야 한다고 합니다.

모두가 부정적이던 우라늄 농축을 성공시킨 과학자 헤럴드 유리를 만나보겠습니다.

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헤럴드 클레이튼 유리는 1893년 미국 인디애나 주에서 농부의 아들로 태어났습니다.
집안 형편이 어려웠던 유리는 몬태나 주의 자작 농장으로 이사를 갔고, 그곳에서 고등학교를 졸업한 뒤 마을 초등학교에서 3년 동안 아이들을 가르쳤습니다. 그 후 그는 몬태나주립대학교에 입학해 동물학과 화학을 공부했고, 방학 기간에는 철도 공사장에서 막일을 하기도 했습니다. 1917년 대학을 졸업한 뒤 군수물자 생산 회사에서 화학기사로 일하며, 물리학에 관심을 가지게 된 유리는 1919년 제1차세계대전이 끝나자마자 회사를 그만두고 캘리포니아대학교 버클리 분교 대학원에 입학해 4년만에 박사학위를 받습니다.

그러다 우연한 기회로 그는 아메리카 스칸디나비아재단의 장학금을 받게 돼 덴마크 코펜하겐의 물리학자 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr)의 물리학 연구소로 유학을 떠납니다. 그곳에서 양자역학을 배운 헤럴드 유리는 유학을 마친 뒤 존스홉킨스대학의 조교수로 근무하면서 물리학세미나 멤버로 활동하며 미국인 최초로 <원자, 분자 그리고 양자>라는 책을 출간합니다. 그 후 뉴욕의 컬럼비아대학으로 자리를 옮긴 유리는 1931년 중수소를 발견합니다.

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헤럴드 유리가 중수소를 연구하기 시작한 것은 그가 UC버클리에서 박사학위 과정을 밟던 때부터입니다.
그는 물에서 보통 수소와 중수소를 분리하는 기술을 발전시키며 탄소, 산소, 질소와 같은 동위원소 분리를 연구하던 과정에서 자연히 우라늄238과 235의 분리 방법도 연구하게 되었다고 합니다.

그는 기체로 만든 육불화우라늄을 다공성 물질에 고압으로 분산시키면 우라늄 235를 포함한 기체 분자가 관을 더 빨리 통과한다는 사실을 알게 되었고, 이로써 우라늄238과 235 분리에 성공하게 됩니다. 다공성 물질을 판막 형태로 만든 수천 개의 관에 육불화우라늄 기체를 통과시키기 위해서는 부식에 강한 견고한 관을 만들어내는 것이 관건이었다고 합니다.

그가 우라늄 238과 235를 분리해 우라늄을 농축하는 일에 성공하자 테네시 주의 오크릿지에 K-25라는 기체 확산 공장이 건설되었고, 미국 굴지의 화학 회사인 유니언카바이드와 컬렉스사가 이를 공동 수주해 운영했다고 합니다.

또한 헤럴드 유리는 맨하탄프로젝트의 출발과 함께 우라늄위원회 멤버로 참여하여 활약하였고, 제2차세계대전이 끝난 1945년에는 시카고대학에 신설된 연구소에 초빙돼 엔리코 페르미와 함께 후학을 양성했다고 합니다. 1958년에 다시 버클리로 옮겨가 우주 물질의 화학적 성질을 연구하던 유리는 1981년 1월 87세의 나이로 세상을 떠났습니다.

헤럴드 유리가 실험 당시 그가 찍어둔 수소 스펙트럼과 중수소 스펙트럼의 비교 사진은 오늘날까지도 현대 물리학과 화학 교과서에 계속 실리고 있다고 합니다. 우라늄235의 농축은 당대 최고의 물리학자였던 닐스 보어조차도 고개를 저을 만큼 어려운 일이었다고 하는데요.
투철한 연구정신과 끈기로 우라늄235 농축을 성공시킨 헤럴드 유리가 새삼 대단하게 느껴집니다.

 

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