물이지만 물이 아닌 물, 중수(D₂O)의 비밀 – 원자폭탄을 둘러싼 과학 전쟁의 주인공

1. 물이 가지지 못한 이름, ‘무거운 물’의 발견

‘물’이라는 단어는 우리에게 너무나 평범합니다. H₂O라는 분자식으로 대표되는 투명한 액체는 생명의 필수 조건이며, 지구 생태계의 중심축입니다. 하지만 1932년, 이 평범한 물에서 예상치 못한 쌍둥이가 등장합니다. 이름하여 중수(重水, heavy water), 분자식 D₂O. 이 ‘무거운 물’은 수소 원자의 동위원소인 **중수소(Deuterium, D)**를 두 개 포함한 물로, 무게는 보통의 물보다 약 10%가량 무겁습니다. 육안으로는 전혀 구분할 수 없지만, 물리적 성질과 생물학적 작용 면에서 완전히 다른 물질이죠.

중수의 발견은 원자물리학의 위대한 여정 속에서 이루어졌습니다. 미국의 해럴드 유리(Harold Urey)는 1931년, 수소보다 무거운 동위원소가 존재할 가능성을 예측하고 증류와 분광학적 분석을 통해 실제로 중수소를 발견합니다. 이 업적으로 그는 1934년 노벨 화학상을 수상하게 되었고, 그의 이름은 원자력 시대의 서막을 연 과학자 중 한 명으로 기록됩니다. 재미있는 점은, 이 ‘물’이 생리학적으로는 오히려 유해하다는 사실입니다. 생체 내에서 중수는 일반 수소보다 강한 결합을 형성하기 때문에 효소 반응이나 세포 대사를 방해하게 됩니다. 즉, 물인데 물처럼 기능하지 못하는 아이러니한 분자인 셈이죠.

2. 중수가 핵심이 된 순간 – 우라늄과 원자로, 그리고 중성자 감속제

중수는 그 자체로는 위험하지 않습니다. 하지만 제2차 세계대전이 발발하면서, 이 무거운 물은 인류 역사상 가장 파괴적인 기술과 연결됩니다. 원자폭탄 개발, 바로 그 이야기입니다. 핵분열을 이용한 원자로에서 중성자를 감속시켜 지속적인 연쇄반응을 유도하기 위한 매질이 필요했는데, 바로 그 역할을 중수가 맡게 됩니다. 일반 물(H₂O)은 중성자를 너무 많이 흡수해버리기 때문에, 고순도의 우라늄-235 핵분열을 유지하는 데는 부적합했죠. 이에 비해 중수(D₂O)는 중성자를 감속하면서도 흡수율이 낮아, 원자로 내에서 핵분열을 효율적으로 유지하는 데 탁월했습니다.

이 때문에 1940년대 초, 나치 독일은 중수를 확보하기 위해 노르웨이의 ‘노르스크 하이드로’ 공장을 전략적으로 점령하게 됩니다. 이 공장은 세계 유일의 중수 생산 시설이었으며, 당시 전기를 이용한 수전해 방식으로 소량의 중수를 추출하고 있었습니다. 히틀러 정권은 우라늄과 중수를 통해 원자폭탄 개발을 노렸고, 연합군은 이를 좌시할 수 없었습니다. 과학과 전쟁, 그리고 생존이 맞닿는 지점에서 중수는 전략 무기의 핵심으로 급부상한 것이죠. 여기서부터 시작되는 이야기는 영화보다 더 드라마틱한 과학 첩보전의 서막이었습니다.

3. ‘중수 공장 폭파 작전’ – 과학자를 움직인 전장의 그림자

1943년 2월, 어두운 겨울밤 노르웨이 산악지대를 은밀히 파고든 그림자들이 있었습니다. 그들은 무장한 병사도, 특수부대원도 아니었습니다. 대부분이 물리학자, 화학자, 기술자들로 구성된 영국 특수부대 요원들이었습니다. 이들의 임무는 명확했습니다. 중수 생산을 저지하라. 나치가 원자폭탄을 갖기 전에 공장을 파괴하라. 이것이 바로 ‘노르스크 하이드로 중수 공장 폭파 작전(Operation Gunnerside)’입니다. 이 작전은 연합군이 수행한 과학 기반의 전략작전 중 가장 정밀하고 성공적인 것으로 꼽힙니다.

그들은 산을 넘어 스키를 타고 침투했고, 눈보라 속에서도 1943년 2월 27일 새벽, 정확히 중수 저장 탱크와 수전해 설비에 폭약을 설치하고 철수합니다. 폭발 후, 나치 독일의 원자폭탄 개발은 결정적 타격을 입었고, 역사학자들은 이 사건을 두고 “20세기를 바꾼 과학적 기습”이라 평합니다. 중수는 단순한 분자가 아니었습니다. 그것은 과학이 전장의 무기가 될 수 있음을, 그리고 화학 물질 하나가 전쟁의 방향을 바꿀 수 있음을 보여주는 사례였던 것입니다.

4. 무거운 물이 남긴 철학적 질문 – 과학은 중립적인가?

오늘날 중수는 핵물리학, 의약화학, 분광학 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 원자로의 냉각수이자 중성자 감속제로 사용되며, 핵자기공명(NMR) 실험에서는 용매로도 활약합니다. 중수의 과학적 유용성은 여전히 유효하지만, 이 물질을 둘러싼 역사는 단지 기술적 혁신에만 그치지 않습니다. 그것은 과학이 정치와 전쟁, 생존과 윤리 사이에서 어떤 역할을 맡게 되는가에 대한 질문으로 이어집니다.

무엇보다 중요한 건, 이처럼 특수한 물질조차도 처음엔 순수한 탐구심으로 발견되었다는 점입니다. 해럴드 유리는 동위원소의 존재 가능성을 실험적으로 검증하고 싶었을 뿐이었고, 그의 손에 의해 발견된 중수는 인류 문명에 큰 족적을 남겼습니다. 과학은 중립적입니다. 하지만 과학의 응용은 결코 중립적이지 않습니다. 중수는 그 대표적인 사례입니다. 발견의 순간은 찬란했지만, 그 뒤에는 무서운 전략과 냉혹한 계산이 도사리고 있었던 것이죠.

우리가 지금 마시는 물은 단순한 H₂O지만, 그 안에 극소량의 D₂O가 존재합니다. 만약 그 ‘무거운 물’이 인류의 다른 선택지를 가리켰다면, 우리는 지금 어떤 시대를 살고 있었을까요? 과학은 무겁고도 가벼운, 동시에 인간적이면서도 비인간적인 진실을 담고 있습니다. D₂O, 그 조용한 분자는 오늘도 그런 철학적 울림을 던지고 있습니다.