투입된 에너지보다 훨씬 많은 에너지를 만들어낸 국립 점화 시설 핵융합 실험

 

(To create fusion ignition, the National Ignition Facility’s laser energy is converted into X-rays inside the hohlraum, which then compress a fuel capsule until it implodes, creating a high temperature, high pressure plasma. Credit: LLNL)

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(The hohlraum that houses the type of cryogenic target used to achieve ignition on Dec. 5, 2022, at LLNL’s National Ignition Facility. Credit: LLNL)

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(The target chamber of LLNL’s National Ignition Facility, where 192 laser beams delivered more than 2 million joules of ultraviolet energy to a tiny fuel pellet to create fusion ignition on Dec. 5, 2022. Credit: LLNL)

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지난 12월 5일 미 에너지부 산하의 로렌스 리버모어 국립 연구소 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)의 국립 점화 시설 National Ignition Facility (NIF)은 500조 와트의 레이저를 통해 투입한 2.05 MJ의 에너지보다 더 많은 에너지인 3.15MJ의 에너지를 얻는 데 성공했습니다.

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지난 2009년 완공 이후 본래 설계 출력인 1.85MJ을 넘어서는 에너지를 투입해 1.5배 정도 더 많은 에너지를 얻어낸 것은 NIF가 거둔 최대 성과일 뿐 아니라 토카막 방식에 밀려 사장될 위기에 처했던 레이저 핵융합 혹은 관성봉입핵융합 ICF 기술이 다시 기사회생할 가능성을 보여준 결과로 생각됩니다.

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42억 달러의 천문학적 비용을 들여 건설된 대형 올림픽 스타디움 크기의 국립 점화 시설은 엄청난 비용 때문에 초기부터 비판에 시달렸습니다. 이 시설은 기본적으로 192개의 초강력 레이저를 거대한 반응로 안에서 2mm 크기의 표적에 집중시키는 장치입니다.

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표적의 정체는 중수소와 삼중수소가 들어 있는 18K의 극저온 연료 펠릿으로 초강력 레이저가 한 점에 집중되면서 수소 핵융합 반응을 일으키는 것이 목표입니다.

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블로그를 통해 13년에 걸쳐 소개한 것처럼 NIF가 실제 500조 와트의 레이저 출력에 도달한 것은 완공 3년 만인 2012년이었습니다. 하지만 사실 표적에 실제 흡수되는 에너지는 생각보다 작아서 2014년에야 이보다 많은 14KJ의 에너지를 얻는 데 성공했습니다.

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이후 에너지 수율을 계속 올린 NIF는 2021년에 1.3MJ이라는 신기록을 세웠습니다. 사실 그전까지는 100-170KJ에 불과한 에너지 수율로 미래가 의심되던 상황이었으나 기사회생의 전기를 마련한 것입니다.

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그리고 올해 에너지 수율을 마침내 100% 이상으로 끌어올리는 데 성공했습니다. 물론 NIF 자체는 발전에 필요한 시스템이 없고 글자 그대로 레이저 핵융합 반응을 위한 “점화” 시설이기 때문에 실제 핵융합 발전이 가시권에 들어왔다고 보기는 어렵습니다.

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투입된 에너지보다 더 많은 전기를 생산하기 위해서는 1.5배가 아닌 훨씬 높은 수율이 필요할 뿐 아니라 생산된 에너지를 어떻게 전기로 바꿀 것인지 역시 고민하지 않을 수 없습니다. 여기에 NIF의 고출력 레이저가 연속으로 발사할 수 있는 것도 아니어서 글자 그대로 발전과는 거리가 먼 실험 시설이라는 것도 이해해야 합니다.

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다만 초기 모습과 비교하면 장족의 발전을 한 것도 사실이라 앞으로 성과를 기대해 볼 수 있을 것 같습니다.

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참고

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https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition