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한단계 진전을 보인 인공 핵융합




 오래전 소개드린 바 있는 미국의 핵융합 및 고에너지 연구 시설인 국립 점화 시설 (NIF : National Ignition Facility  이전 포스트 http://blog.naver.com/jjy0501/100089024930  및  http://blog.naver.com/jjy0501/100162569906 참조) 이 인공 핵융합을 위해 연료에 투입한 것 보다 더 많은 에너지를 얻었다고 발표했습니다. 이는 인공 핵융합 에너지를 얻기 위한 기본적인 단계 중 하나를 통과한 것으로 볼 수 있습니다.


 NIF 는 오랜 세월 42 억 달러에 달하는 막대한 비용을 들여 개발된 레이저 핵융합 연구 시설로 상세한 내용은 이전 포스트를 통해서 설명드린바 있습니다. 기본적인 원리는 간단합니다. 192 개의 매우 강력한 레이저 빔을 증폭시킨 후 이를 2 mm 정도에 불과한 한점에 집중시켜 고온 고압 상태를 만들어 핵융합 반응을 유도하는 것입니다. 이 레이저 시스템의 출력은 무려 500 테라와트 (TW : 1 조 와트) 에 달합니다. 




(NIF 의 작동 원리  )


(레이저의 타겟이 되는 연료 펠릿  Cryogenic target positioner with target. Credit: Dr. Eddie Dewald (LLNL and member of high-foot team) )     


(위의 사진의 측면에서 본 단면도 Hohlraum geometry with a capsule inside through the cut-away of the hohlraum wall. Credit: Dr. Eddie Dewald (LLNL and member of high-foot team) ) 


(실제 연료 펠릿의 크기는 2 mm 지름으로 중수소 - 삼중수소 가스 혹은 얼음의 형태임  Image of an inertial confinement fusion fuel microcapsule. They are 2-millimeter-diameter capsules that contain a central reservoir of deuterium-tritium (D-T) gas, a frozen D-T solid-fuel layer, and an outer ablator layer. Credit : Lawrence Livermore National Laboratory) 


(NIF 의 두개의 레이저베이 가운데 하나. 이런 시설 두개에서 나오는 고출력 레이저가 위의 있는 작은 연료를 향해서 발사되는 것임 Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy ) 


 그런데 사실 이 결과는 이제 곧 청청하고 거의 무한대에 가까운 핵융합 에너지 시대가 도래할 것이라는 이야기와는 좀 거리가 먼 이야기입니다. 이 연구에서 사용된 연료는 핵융합을 일으키기 가장 쉬운 원소인 중수소 - 삼중수소 연료 (DT fuel) 인데 18 K 정도의 아주 낮은 온도에서 작은 구슬 모양의 얼음을 이루고 있습니다. LLNL 의 과학자들은 여기에 강력한 에너지를 집중시켜 핵융합 반응을 일으키는 데는 성공했지만 사실 그 에너지의 양은 투입된 에너지의 양에 비하면 무시할 수 있을 만큼 적었습니다. 


 그러나 오랜 시간 DT fuel 에서 핵융합 반응시 나오는 알파 입자 (즉 핵융합 반응의 산물인 헬륨 원자핵) 가 밖으로 빠져나오는 대신 연료 펠릿 내부의 온도를 높이는데 사용되도록 유도한 결과 (이 과정은 α-particle self-heating 라고 부름) 마침내 DT fuel 이 흡수한 것보다 더 많은 에너지를 핵융합을 통해 만들어 내도록 하는데 성공한 것입니다. 


 하지만 이것이 NIF 가 사용한 에너지 보다 더 많은 에너지를 뿜어낸 것으로 오해해서는 안됩니다. 왜냐하면 이전 포스트에서 설명했듯이 NIF 에 투입된 에너지의 일부만이 레이저로 바뀌며 다시 레이저의 에너지의 일부만이 연료 펠릿을 뜨겁게 달구는데 사용되기 때문이죠. 사실 NIF 레이저의 출력은 1.8 MJ 인데 핵융합 반응에서 나오는 에너지는 작년에 있던 실험에서도 14 kJ 수준에 불과할 정도로 낮은 편입니다. 


 다만 같은 에너지를 투입해서 더 강력한 핵융합 반응을 유도할 수 있는 돌파구가 열린 셈이기 때문에 매우 큰 성과라고 할 수 있습니다. 핵융합 발전의 가능성은 결국 적은 에너지로 큰 핵융합 반응을 유도하는데 성패가 달려 있습니다. 그러기 위해서는 연료 펠릿 내부에서 알파 입자에 의해 스스로 온도가 올라가 자체적으로 큰 핵융합 반응이 일어나도록 유도할 필요가 있습니다. 


 LLNL 의 과학자들은 최근 점점 α-particle self-heating 올리는 성과를 거두고 있어 미래에는 더 큰 규모의 핵융합 반응을 컨트롤 할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 당장에 상업용 핵융합 발전소가 개발될 수 있을 것으로 믿기는 힘들지만 어쨌든 한걸음 더 진보한 것은 사실입니다.        



 참고  


Journal Reference:
  1. O. A. Hurricane, D. A. Callahan, D. T. Casey, P. M. Celliers, C. Cerjan, E. L. Dewald, T. R. Dittrich, T. Döppner, D. E. Hinkel, L. F. Berzak Hopkins, J. L. Kline, S. Le Pape, T. Ma, A. G. MacPhee, J. L. Milovich, A. Pak, H.-S. Park, P. K. Patel, B. A. Remington, J. D. Salmonson, P. T. Springer, R. Tommasini. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature, 2014; DOI:10.1038/nature13008





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