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- 미국 국립점화시설의 실험에서 열에너지 측면에서 융해 손익분기점을 넘어선 것은 처음
- 2022년 12월 5일 실험에서 이 시설은 새로운 기록인 3.15메가줄의 핵융합 에너지 생성
- 좋은 소식이지만 이 결과는 전기를 생산하는 데 필요한 에너지 획득과는 아직 거리가 멀다.
- "목표물에 2.5메가줄의 가열 에너지를 가하려면 레이저를 작동시키기 위해 500메가줄의 전기에너지 투입 했다"

핵융합이 점화를 생성
처음으로 레이저 융합은 가열에 투입된 것보다 더 많은 에너지를 생성했다.

핵융합의 손익분기점:
처음으로 레이저 융합 실험이 핵융합의 점화를 달성했으며 융합 연료를 가열하는 데 필요한 것보다 더 많은 융합 에너지를 생성했다. 미국 국립점화시설(National Ignition Facility)의 실험에서 열에너지 측면에서 융해 손익분기점을 넘어선 것은 이번이 처음이다. 아직 전기를 생산하는 핵융합 발전소까지 갈 길이 멀지만, 이는 전 세계 핵융합 연구의 중요한 진전이자 이정표다. 

▲ National Ignition Facility의 핵융합 실험에서 핵융합은 처음으로 핵융합 연료를 가열하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산했다. © 로렌스 리버모어 국립 연구소

핵융합은 미래의 에너지원으로 여겨져 많은 노력을 기울이고 있다. 일부 테스트 원자로는 Jet, Wendelstein-7X 또는 현재 건설 중인 ITER 대형 원자로와 같이 자기적으로 밀폐되고 가열된 플라즈마에 의존한다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 NIF(National Ignition Facility)와 같은 다른 시설에서는 작은 수소 또는 중수소-삼중수소 펠릿을 사용하는데, 이는 레이저 충격으로 압축되어 융합된다.

그러나 지금까지 어떤 융합 기술도 손익분기점 Q에 도달하지 못했다. 핵융합 반응로 내부의 플라즈마가 외부에서 공급되어 가열되는 만큼의 에너지를 방출하는 순간을 표시한다. 이 임계값은 핵융합에 의한 에너지 생산으로 가는 길에 중요한 첫 번째 장애물로 간주되며 핵융합의 점화가 필요하다.

손익분기점: Laser-Fusion이 이정표에 도달

이제 National Ignition Facility의 물리학자들은 이 중대한 장애물을 통과했다. 2022년 12월 5일 실험에서 이 시설은 새로운 기록인 3.15메가줄의 핵융합 에너지를 생성했다. 더 중요한 것은 중수소와 삼중수소 핵의 융합에서 이 에너지를 방출하는 데 "단지" 2.05메가줄의 강력한 레이저 펄스 형태의 가열 에너지가 필요했다는 것이다. 융합은 투입된 것보다 더 많은 에너지를 생산했다.

이것은 NIF의 작은 연료 캡슐에 있는 융합 플라즈마가 점화되었고 ​​가열 에너지 측면에서 처음으로 손익분기점에 도달했음을 의미다. “핵융합의 발화는 인류가 해결한 가장 큰 과학적 도전 중 하나다. 이를 달성한 것은 과학, 공학, 그리고 가장 중요한 것은 이를 가능하게 한 사람들의 승리다”고 Lawrence Livermore 연구소의 Kim Budil 소장은 말했다. "그 문턱을 넘는 것이 60년의 연구를 이끈 비전이었다.“

▲ 레이저 융합에서 번들 레이저 빔은 작은 공동에서 고에너지 X-선을 생성한 다음 궁극적으로 연료 캡슐에서 융합을 점화한다. © Damien Jemison/ LLNL

레이저 융합 시설의 작동 방식

National Ignition Facility의 핵융합 시스템에는 192개의 강력한 네오디뮴 레이저가 에너지 공급원으로 사용된다. 원래 적외선 범위에 있는 빔은 수많은 증폭기와 광학 장치에 의해 파장이 351nm(나노미터)인 고도로 집중된 UV 레이저 펄스로 변환된다. 펄스 및 번들 레이저 빔은 최대 500조 와트의 에너지로 원자로 챔버 중앙에 있는 불과 몇 밀리미터 크기의 연료 캡슐에 충돌한다.

핵융합 연료는 수소 동위원소인 중수소와 삼중수소를 포함하는 캡슐로 구성되어 있으며 작은 공동의 중앙에 위치한다. 집중된 레이저 펄스는 연료 캡슐에 직접 닿지 않고 캐비티의 내벽을 향한다. 그곳에서 그들은 모든 방향에서 연료 캡슐에 부딪히는 고에너지 X선을 생성한다. 그 결과 캡슐 소재는 10억분의 1초 안에 약 5천만 켈빈까지 가열되고 폭발적으로 팽창한다.

이것은 중수소와 삼중 수소 연료의 갑작스런 압축으로 이어지고 핵융합을 유발한다. 2021년 8월에 이 시설은 이미 1.3메가줄의 핵융합 에너지에 도달했으며 따라서 더 이상의 에너지 입력 없이 핵융합이 지속되는 지점인 발화 임계값에 도달했다. 그 이후로 물리학자들은 연료 캡슐에 훨씬 더 많은 X-레이를 보내기 위해 캐비티의 모양을 약간 변경했다.

▲ 중수소와 삼중수소 형태의 핵융합 연료는 몇 밀리미터의 작고 급속 냉동된 캡슐에 들어 있다. 여기서는 중앙에 캡슐이 있는 냉각 장치다. © Damien Jemison/ LLNL

핵융합 연구를 위한 중요한 진보

이제 핵융합 점화에 성공했다. 손익분기점과 함께 National Ignition Facility의 물리학자들은 융합 연구에서 중요한 이정표에 도달했으며 다시 한번 이 연구 분야의 최전선에 레이저 융합을 도입하고 있다. 지금까지 다른 어떤 실험이나 테스트 원자로도 이 손익분기점에 도달하지 못했기 때문이다.

그러나 "이것은 좋은 소식이지만 이 결과는 전기를 생산하는 데 필요한 에너지 획득과는 아직 거리가 멀다"고 실험에 참여하지 않은 케임브리지 대학의 핵 물리학자 Tony Roulstone은 강조한다. "목표물에 2.5메가줄의 가열 에너지를 가하려면 레이저를 작동시키기 위해 500메가줄의 전기 에너지를 가해야 했기 때문이다. 전반적으로 3.15메가줄의 핵융합 에너지는 이전에 투입해야 했던 것보다 훨씬 적다.”
출처: 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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