히틀러가 원자폭탄 못 만든 진짜 이유…나치 독일 원자로, 80여 년 만에 다시 계산했더니 ‘재료 부족’ [후암동 논문 연구소]

입력 2026-10-02 20:10:00

[헤럴드경제=장윤우 기자] 제2차 세계대전 당시 미국이 원자폭탄 개발에 뛰어든 데에는 나치 독일이 먼저 만들지 모른다는 두려움이 컸다. 실제로 독일은 아인슈타인이 루스벨트 미국 대통령에게 핵 개발을 촉구하는 편지를 보내기 넉 달 전인 1939년 4월 이미 핵 연구에 착수했다.

그런데 독일 핵 개발의 마지막 원자로 실험이 성공하려면 실제 쓴 것보다 우라늄은 2배, 중수는 2.2배 가량 있어야 했다는 분석이 나왔다. 독일이 가진 재료를 모두 모아도 모자란 양이다.

반면 1945년 4월 독일 핵실험을 이끈 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크는 전쟁이 끝난 뒤인 1947년 국제학술지 네이처에 “비교적 적은 양의 우라늄만 더 있었다면 십중팔구 충분했을 것”이라고 했다.

최근 국제학술지 PNAS 넥서스(PNAS Nexus) 제5권 제9호에 미국 컬럼비아대 패트릭 박과 메릴랜드대 티머시 코스 연구팀은 하이젠베르크의 마지막 원자로 실험을 다시 계산한 결과를 발표했다. 남아 있는 기록과 우라늄 덩어리를 분석해 컴퓨터로 재현한 연구다.

80년 전 나치 독일의 원자로 재현

1944년 하이젠베르크 연구진은 연합군 폭격으로 베를린이 파괴되자 독일 남서부 마을 하이거로흐로 옮겨 B8로 불린 원자로 실험 장치를 지었다. 한 변이 5㎝인 천연 우라늄 정육면체 664개를 사슬에 매달아 중수 1400ℓ에 담그고 바깥을 흑연과 물로 둘러싼 구조다.

원자로에서는 우라늄이 핵분열하면서 나온 중성자가 다른 우라늄을 쪼개는 연쇄반응이 일어난다. 중수는 빠르게 튀어나온 중성자의 속도를 늦춰 우라늄이 더 잘 쪼개지도록 돕는 역할을 한다.

독일 핵실험에 쓰인 우라늄 정육면체 약 1100개 가운데 지금 행방이 확인된 것은 14개뿐이다.

연구팀은 이 가운데 2개를 확보해 우라늄의 실제 밀도가 내부의 미세한 빈틈 때문에 이론값보다 낮은 1㎤당 18.53g이라는 것을 확인했다. 1947년 미국 국립표준국이 측정한 B8 중수의 순도 96.8%와 남아 있는 흑연 분석 기록도 찾아 반영했다.

1945년 4월 독일 하이거로흐에 지어진 원자로 실험 장치 B8의 단면 스케치. [PNAS 넥서스(PNAS Nexus) 제5권 제9호]

우라늄·중수 턱없이 모자라

원자로가 스스로 연쇄반응을 이어가는 임계 상태에 이르려면 중성자 하나가 핵분열을 일으켜 다음 세대에도 평균 하나 이상의 중성자를 남겨야 한다.

연구팀이 1944년 실험을 재현해 본 결과 B8은 이 값이 0.94로 나타났다. 중성자 100개가 다음 세대에 94개만 남는 수준이다. 이렇게 되면 핵분열이 멈출 수밖에 없다.

연구팀이 우라늄과 중수의 양을 바꿔가며 1222가지 경우를 모두 계산해 보자 B8이 임계에 이르려면 우라늄 정육면체 1343개(3111㎏)와 중수 3121ℓ가 필요했다.

나치 독일이 실제 실험에 사용한 양과 비교하면 우라늄은 2배, 중수는 2.2배 수준이다. 연구팀은 하이젠베르크가 필요한 재료의 양을 크게 과소평가했다고 밝혔다.

독일이 가진 재료를 모두 모아도 부족했다. 독일이 전쟁 기간 만든 중수 2840ℓ 가운데 프랑스가 빼돌리거나 실험 사고로 잃고 노르웨이 특공대가 침몰시킨 양을 빼면, 독일이 가질 수 있던 중수는 1836ℓ가 최대였다.

독일이 가진 우라늄과 중수를 모두 B8에 넣었다고 가정해도 값은 0.96에 그쳤다.

연구팀은 독일이 중수 대신 흑연을 썼다면 성공했을지도 계산해 봤다. 앞서 미국은 1942년 흑연으로 중성자 속도를 늦추는 세계 최초의 원자로를 가동한 바 있다.

흑연 원자로의 관건은 붕소다. 붕소는 중성자를 잘 빨아들여 흑연에 조금만 섞여도 연쇄반응을 막는다.

연구팀이 독일 흑연의 붕소 함량을 추정해 계산한 결과, 독일 우라늄과 흑연으로는 어떻게 해도 임계에 이를 수 없었다. 연구팀은 독일이 미국 수준의 고순도 흑연을 만들었더라도 상황이 나았을지는 장담할 수 없다고 밝혔다.

연구팀은 이번 계산이 독일 핵 개발을 다시 평가하는 기준이 되고, 다른 초기 원자로를 분석하는 데도 쓰일 수 있기를 바란다고 밝혔다.

참고논문

DOI : 10.1093/pnasnexus/pgag282

논문 정보 : Patrick J Park, Brittany Robertson, Miriam E Hiebert, Jason Zhao, Ciara B Sivels, Timothy W Koeth, Nuclear archaeology reassesses Heisenberg’s last reactor experiment, PNAS Nexus, Volume 5, Issue 9, September 2026, pgag282.