미 해군이 개발하는 아르곤 플루라이드 레이저 (ArF) 핵융합 시스템

(Credit: US Naval Research Laboratory)

현재 핵융합 발전 연구에서 가장 많은 투자가 이뤄진 방식은 강력한 자기장 안에 초고온의 플라스마를 가두는 토카막 방식입니다. 하지만 강력한 레이저를 한 점에 집중시켜 중수소와 삼중수소의 연료 펠릿에 핵융합 반응을 일으키는 방식인 관성봉입핵융합로 (ICF, Inertial Confinement Fusion) 역시 연구가 활발합니다. 토카막 방식의 기대주가 ITER이라면 ICF 방식의 기대주는 미국의 국립점화시설 (NIF)가 있습니다. 최근 NIF는 상당한 에너지를 얻는 데 성공해 ICF 방식에 기대를 더 높였습니다.

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그런데 최근 이 분야의 의외의 미 국가 기관이 도전장을 내밀었습니다. 바로 미 해군 연구소 (US Naval Research Laboratory, NRL) 입니다. 미 해군 연구소는 최근 아르곤 플루라이드 (Argon Fluoride, ArF) 레이저 기반의 레이저 핵융합 기초 연구 시스템을 공개했습니다. ArF 레이저는 193nm의 파장의 레이저를 내놓는데, 산업적으로 가장 널리 사용되는 분야는 반도체 리소그래피 공정입니다. DUV 공정에서 이 파장의 레이저를 사용하기 때문입니다.

NRL의 연구팀은 ArF 레이저가 중수소/삼중수소 연료 캡슐에 가장 효과적으로 에너지를 전달할 수 있다고 보고 연구를 진행하고 있습니다. 방사성 유체역학 시뮬레이션 (radiation hydrodynamics simulations) 결과는 이 파장의 레이저가 수백배나 높은 효율로 에너지를 전달할 뿐 아니라 레이저 에너지 전환 효율도 16% 정도로 높다는 점을 보여주고 있습니다.

일단 연구팀은 3단계로 연구를 진행할 예정입니다. 1단계는 ArF 레이저의 기본적인 성능을 검증하고 분석하는 단계이고 2단계는 풀 스케일 모델에서 레이저를 한 곳에 집중시키는 연구를 진행할 예정입니다. 그리고 3단계에서는 20-30개 정도의 레이저를 집중시킨 실제 핵융합 실험 시설을 건설한다는 계획입니다.

NIF나 ITER 모두 핵융합 발전을 할 수 있는 상업 발전소가 아니라 연구 시설인데도 너무 거대하고 비싸서 미 해군의 핵추진 잠수함이나 항모에 탑재하기에는 적합하지 않습니다. 과연 이 방법이 새로운 돌파구가 될 수 있을지 궁금합니다.

참고

https://newatlas.com/science/argon-fluoride-laser-practical-fusion-reactor/

https://www.nrl.navy.mil/Media/News/Article/2819749/nrl-argon-fluoride-laser-to-advance-fusion-energy/

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2020.0031

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