레이저 융합 실험으로 더 많은 에너지를 생산한다

국립 점화 시설의 물리학자들은 극도로 폭력적인 총알을 더 잘 제어하는 방법을 배우고 있습니다. 이는 물리학자들은 레이저를 사용하여 핵융합을 달성하기 위해 두 번째입니다. 핵융합은 두 개의 원자핵이 하나로 결합되면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정입니다. 로렌스 리버모어 국립 연구소에 있는 경기장 크기의 국립 점화 시설의 192개 레이저가 중수소와 삼중수소, 수소의 무거운 동위원소로 채워진 작은 캡슐을 즉시 분쇄했습니다.

 

그렇게 함으로써 그들은 레이저 광선이 목표물에 비추는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 핵융합 반응을 촉발시켰습니다. 국립 점화 시설 실험에서 '에너지 이득'을 달성한 것은 8개월 만에 두 번째로 새로운 결과는 연구자들이 강력한 폭발과 폭발을 구분하는 요인이 무엇인지 파악하는 데 도움이 되며, 아마도 핵융합을 신뢰할 수 있는 에너지원으로 만드는 날이 올 수도 있습니다.

 

로렌스 리버모어 국립 연구소 과학자들은 지난 덴버에서 열린 관성 핵융합 과학 및 응용에 관한 국제회의에서 세부 사항을 발표했습니다. 이 회의는 코로나19 대유행 이전 이후 처음으로 개최되었습니다. 로체스터 대학(현재 샌디에이고 캘리포니아 대학) 레이저 융합 연구소의 전 책임자인 마이클 캠벨은 "국립 점화 시설의 결과에 대해 많은 기대가 있었다"라고 말하며, "국립 점화 시설 덕분에 관성 구속 융합의 일종인 레이저 융합은 지금까지 이득을 얻고 자체 열로 반응을 유지해 소위 연소 플라스마를 생성하는 유일한 기술이 되었다"라고 극찬했습니다.

 

지금까지 다른 어떤 핵융합 장치도 강력한 연소 플라스마를 생성한 적이 없습니다. 핵융합은 지구상에 풍부한 바닷물과 리튬에서 연료를 추출할 수 있기 때문에 종종 미래의 에너지원으로 선전됩니다. 탄소 배출이 없고 상대적으로 수명이 짧은 방사성 폐기물만 생성됩니다. 대부분의 정부 자금 지원 노력은 프랑스에서 건설 중인 국제핵융합실험로 프로젝트와 같이 자기장에서 플라스마를 정적으로 유지하는 토카막이라는 도넛 모양의 장치에 중점을 두고 있습니다. 수십 개의 민간 자금 지원 회사가 토카막 및 기타 혁신적인 장치에 대한 변형을 만들고 있습니다. 그러나 지금까지 자기 감금 기계는 이득을 달성하는 데 필요한 극한의 온도와 압력을 달성하지 못했습니다.

 

국립 점화 시설은 완전히 다른 방법을 취합니다. 레이저는 연필 지우개 크기의 금 실린더에 자외선 펄스를 비추어 금속을 기화시키고 엑스레이를 방출하며 실린더 중앙에 있는 후추 열매 크기의 연료 캡슐을 파열시킵니다. 35억 달러를 들여 제작된 국립 점화 시설은 2009년에 가동되었습니다. 그러나 2022년 12월 5일이 되어서야 한 발의 발사가 레이저 펄스에 투입된 것보다 더 많은 에너지를 생산했습니다. 그 총알은 3.15메가줄의 핵융합 에너지를 방출했는데, 이는 다이너마이트 세 개 정도에 해당합니다. 레이저 빔은 2.05메가줄을 목표물에 쏟아부었으므로 목표물에 들어간 것보다 54% 더 많은 에너지가 목표물에서 나왔습니다.

 

8개월은 그 위업을 반복하는 데 긴 시간처럼 보일 수 있지만 융합 연구는 국립 점화 시설의 부업일 뿐입니다. 대부분, 시험 폭발 없이 미국의 핵무기가 신뢰할 수 있고 안전한지 확인하기 위해 고안된 실험에 힘을 실어주기 때문입니다. 국립 점화 시설은 하루에 약 한 발씩 수행하며, 12월 성공 이후 그중 10발만이 핵융합 점화를 목표로 했습니다. 그중 6개는 새로운 목표 크기와 모양을 테스트하는 데 전념했으며 높은 이득을 달성할 것으로 보이지 않습니다.

 

이 테스트에서 과학자들은 샷의 효율성을 높이기 위해 대상을 수정했습니다. 레이저 빛이 엑스레이로 변환된 다음 운동 에너지로 변환되면서 레이저 에너지의 13%만이 핵융합 연료에 도달합니다. 캠벨은 "캡슐에 더 많은 에너지를 공급해야 하지만 목표는 매우 복잡하다"라고 말했습니다. 팀은 에너지 손실을 줄이기 위해 더 작은 레이저 진입 구멍이 있는 더 얇은 실린더, 더 큰 엑스레이 목표를 만들기 위해 더 큰 연료 캡슐, 더 두꺼운 껍질을 가진 캡슐을 테스트했습니다.

 

덴버 회의에서 기조연설을 한 국립 점화 시설의 관성 핵융합 실험 책임자인 리처드 타우는 후자의 방법이 "유망할 수 있다"라고 말했습니다. 엑스레이가 다이아몬드 캡슐에 부딪혀 기화하면 물질이 바깥쪽으로 폭발하고 모든 행동이 동등하고 반대되는 반응을 갖는다는 아이작 뉴턴의 격언 덕분에 연료가 캡슐의 중심을 향해 이동합니다.

 

이러한 내파는 가능한 한 많은 연료가 융합할 수 있을 만큼 뜨겁고 밀도가 높은 소형 코어로 압축되도록 깨끗하고 대칭적이어야 합니다. 잘못하면 연료가 납작하게 찌그러지거나, 어린이 손에 퍼티를 쥐어짜는 것처럼 예측할 수 없을 정도로 부풀어 오르거나, 다이아몬드 껍질의 물질과 섞일 수 있습니다. 대칭을 이루려면 캡슐 껍질이 가능한 한 완벽해야 하며 두께, 구멍 또는 공극에 변화가 없어야 합니다. 이에 대해 캠벨은 "캡슐이 핵심이다"라고 말합니다.

 

소형 캡슐은 리버모어에서 독일, 샌디에이고, 다시 리버모어로 이동하는 복잡한 제조 과정을 거칩니다. 최고의 개별 캡슐만 사용되며 타운에서는 전체 배치를 거부해야 하는 경우가 많습니다. 타운은 "국립 점화 시설의 연구원들이 품질 관리를 개선하기 위해 지난 몇 달 동안 집중적인 노력을 기울였다"라고 말하며, "우리는 좋은 필터링 프로세스를 갖추고 있다"라고 덧붙였습니다. 이후 테스트에서는 모든 별이 정렬되었으며 한 번의 발사로 인해 레이저가 주입된 것보다 89% 더 많은 에너지인 3.88메가줄이 생성되었습니다.

 

또 다른 날 발생한 두 발의 총격은 겨우 동점을 이루었습니다. 목표물을 조작하는 것이 핵심이었지만 1990년대 기술을 기반으로 하는 국립 점화 시설의 레이저를 조작하는 것도 도움이 되었습니다. 강력한 레이저는 광선이 통과하는 광학 장치를 손상시킬 수 있으므로 연구자들은 주의를 기울여야 합니다. 더 나은 제조와 경험을 통해 에너지를 1.8메가 줄에서 1.9메가줄로, 마지막으로 2.05메가줄로 완화할 수 있었습니다. 두 샷 모두 이득을 얻은 에너지입니다.

 

이제 연구팀은 2.2-메가줄 발사를 시도할 수 있는 승인을 얻었으며, 이는 핵융합 플라스마에서 훨씬 더 많은 에너지를 뽑아낼 수 있어 향후 몇 년 동안 5~10메가줄의 생산량이 충분히 가능할 것으로 보입니다.