국립 연구소, 핵융합 잠금 해제 — 진정한 혁신인가, 참신법인가, 아니면 둘 다인가?

역사적 첫 번째: 국립 점화 시설 내부에서 지난 주 192개의 레이저 빔이 수소 연료 알갱이를 발사하여 흡수한 것보다 더 많은 에너지를 방출했습니다.

핵융합은 오랫동안 진정한 청정 에너지의 성배였습니다. 수소 원자가 서로 충돌하면 탄소 배출이 없고 방사성 폐기물이 최소화되며 치명적인 용해 가능성이 없는 무한한 전기를 약속합니다. 그러나 지난 반세기 동안 핵융합 과학자들은 레이저의 힘과 자기장의 세기에 제약을 받아왔습니다. 지금까지 원자 충돌에서 투입한 것보다 더 많은 에너지를 추출하는 방법을 알아낸 적이 없었습니다.

오늘 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 국립 점화 시설 과학자들은 12월 초 처음으로 1보다 큰 에너지 이득을 달성했다고 밝혔습니다. 중수소-삼중수소 연료 캡슐(2,000메가줄) 내부의 반응은 그들이 발사한 192개의 레이저에 포함된 반응보다 더 높습니다.

최근 LLNL 핵융합팀을 떠나 이미 이 접근법을 상용화하기 위해 노력하고 있는 스타트업 Focused Energy의 과학 이사가 된 플라즈마 물리학자인 Debra Callahan은 이는 축하할 가치가 있는 큰 일이지만 다소 기정사실화된 결론이라고 말했습니다.

Callahan은 LLNL이 작년에 레이저 에너지 입력의 72%에 달하는 에너지 출력을 달성한 후 순 에너지 이득을 달성할 것이라는 것을 알고 있었습니다. “나에게는 놀라운 일이 아닙니다. 우리가 보아온 결과의 경로를 고려하면 그런 일이 일어날 것이었습니다.”라고 그녀는 말합니다. 그들은 약간 더 많은 레이저 출력이 필요했습니다.

그럼 어떻게 작동하나요? 로렌스 리버모어 연구소(Laurence Livermore Lab)에는 축구장 3개 크기의 강철 튜브, 와이어 케이블 및 기괴한 전자 장치의 미로 중앙에 금으로 만든 작은 속이 빈 원통이 있는데, 이는 손바닥에 딱 맞습니다. 그것을 홀라움(hohlraum)이라고 합니다. 홀라움 내부에 과학자들은 수소의 단일 양성자 동위원소인 중수소와 삼중수소로 채워진 작은 연료 캡슐을 장착했습니다.

국가 점화 프로젝트(National Ignition Project) 팀은 세계에서 가장 강력한 192개의 레이저로 홀라움의 양쪽 끝을 폭발시킬 때 생성되는 엑스레이를 보유하기 때문에 금을 사용합니다. Callahan은 연료를 너무 많이 압축하여 캡슐 중앙에 있는 원자 사이의 핵융합을 폭발시키고 점화시키는 "엑스레이 오븐과 같습니다"라고 말합니다. 그런 다음 핵융합은 중심에서 파동으로 전파되어 지난주의 역사적인 장면의 경우 2.5메가줄에 달하는 엄청난 열을 방출합니다. 이 모든 일은 10억분의 1초 안에 일어납니다.

핵융합에 대한 관성 감금 접근법에서는 레이저 빔이 수소 동위원소를 포함하는 펠릿을 폭발시켜 핵융합 반응을 점화시킵니다.

Callahan은 성공의 정점에 있던 LLNL을 떠난 이유는 무엇입니까? 그녀는 국립 점화 시설이 핵융합 기계가 아니기 때문이라고 말했습니다. 홀라움은 점화를 입증하는 데는 훌륭하지만, 수소 연료가 아닌 금을 가열할 때 잔류 레이저 에너지가 너무 많이 손실되기 때문에 연속 펄스 핵융합을 엔지니어링하는 데 반드시 효율적이지는 않습니다. 따라서 Focused Energy(Prime Movers Lab 및 New Enterprise Associates 지원)의 계획은 홀라움을 폐기하고 대신 레이저를 연료 캡슐에 직접 분사하는 "직접 구동" 접근 방식을 사용하는 것입니다(도식 참조).

그들은 아직 그것이 효과가 있다는 것을 입증하지 못했지만 Callahan은 몇 년 안에 그들의 파일럿 프로젝트가 10배의 에너지 이득을 달성할 것이라고 확신합니다. 그 다음에는 두 번째 발전소가 30배의 이득을 얻을 것이며, 2030년대 말에는 최초의 상업용 발전기가 될 것입니다. 희망적으로는 100배의 에너지 이득을 달성하고 초당 10개의 연료 캡슐을 분사할 것입니다.

그러나 거기에는 특별한 도전이 있었습니다. 초당 10개의 캡슐을 사용하면 그들의 기계는 하루에 거의 900,000개의 캡슐을 사용하게 됩니다. 이것은 석탄을 용광로에 삽으로 퍼 넣는 것과는 다릅니다. 각 캡슐은 엄격한 표준에 따라 제조되어야 하며 완벽한 타이밍에 기계에 투입되어야 합니다.

***