기본 콘텐츠로 건너뛰기

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





댓글

이 블로그의 인기 게시물

100 테슬라급 자기장 도달

 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...