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- 미국 NIF(National Ignition Facility)의 실험은 레이저 융합에서 가장 진보된 것
- 2021년 8월, 이 시설의 핵융합 에너지는 처음으로 1.3메가줄에 도달
- 이론이 허용하는 것보다 더 많은 에너지, 아직 설명되지 않은 에너지
- 아직 알려지지 않은 물질 상태를 탐사할 수 있게 해준다

융합 플라즈마의 놀라움
불타는 레이저 융합 플라즈마의 중성자는 예상보다 더 에너지가 넘친다.

불가사의한 과잉:
중수소와 삼중수소의 레이저 유도 융합에서 물리학자들은 기존 모델과 놀라운 불일치를 발견했다. 이에 따르면 핵융합은 불타고 있는 플라즈마에서 예기치 않게 고에너지 중성자를 방출한다. 따라서 융합 플라즈마의 입자는 이러한 온도에서 가져야 하는 것보다 더 많은 에너지를 가지고 있다. Nature Physics의 연구원들은 이것이 왜 그런지, 그리고 연소 플라즈마에서만 발생하는 이유를 설명한다. 

▲ 레이저 유도 핵융합 실험에서 물리학자들은 방출된 입자에서 예상치 못한 과도한 에너지를 발견했다. © Don Jedlovec/ Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

핵융합은 미래의 에너지원으로 여겨진다. 그러나 지금까지 어떤 핵융합 기술이 사용 가능한 핵융합 발전소로 이어질 가능성이 가장 높은 지에 대해서는 논란이 있어 왔다. ITER, JET 또는 Wendelstein-X와 같은 테스트 시설은 자기 구속을 사용해 다량의 수소 또는 중수소-삼중수소 플라즈마를 가열하여 융합시킨다. 다른 접근 방식은 레이저나 가스 대포를 사용하여 소량의 플라즈마를 갑자기 압축하여 융합시킨다.

발화 직전의 레이저 융합

미국 NIF(National Ignition Facility)의 실험은 레이저 융합에서 가장 진보된 것이다. 그곳에서 고출력 레이저가 중수소-삼중수소 이온으로 작은 공동을 조사하고 1초 동안 1만조 와트 이상의 에너지를 생성한다. 이것은 극도로 가열되고 압축된 플라즈마에서 핵융합을 유발한다. 2021년 8월, 이 시설의 핵융합 에너지는 처음으로 1.3메가줄에 도달하여 더 이상의 에너지 입력 없이 핵융합이 지속되는 점화 임계값에 도달했다.

LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory)의 Edward Hartouni 및 Alastair Moore와 함께 작업하는 물리학자들은 불타는 융합 플라즈마에서 레이저 융합 중에 발생하는 일을 보다 자세히 조사했다. 이를 위해 그들은 핵융합 동안 플라즈마에서 방출되는 중성자의 에너지와 양에 대한 측정 데이터를 평가했다. 반응기실에 있는 5개의 특수 분광계를 사용해 그들은 모든 방향에서 초당 5km 이내의 궤도와 속도를 추적할 수 있었다.

이론이 허용하는 것보다 더 많은 에너지

놀라운 것은 불타는 핵융합 플라즈마에 의해 방출된 많은 중성자들이 약 14MeV의 에너지를 가지고 있었고 초당 51,000km 이상의 속도로 핵융합 원자로를 통과했다는 것이다. 따라서 이 중성자는 현재 모델에 따라야 하는 것보다 훨씬 더 에너지가 넘친다. Maxwell-Boltzmann 분포에 따르면 이들의 에너지는 핵융합 플라즈마의 온도 및 핵융합 에너지와 직접적인 관련이 있기 때문이다.

그러나 NIF 시설의 불타는 융합 플라스마 데이터는 이 방정식에 맞지 않다. 합쳐지는 원자핵은 플라즈마의 이 온도에서 필요한 것보다 더 많은 에너지를 그곳에서 방출했다. "내파가 중수소-삼중수소 플라즈마를 태우고 점화하면 에너지가 이러한 반응에 대해 예상했던 것보다 뛰어나다"고 Moore는 보고했다. 즉, 플라즈마는 실제로 측정된 입자 에너지에 비해 너무 차갑습니다. 약 2.5배 더 뜨거워야 한다.

아직 설명되지 않은 현상

하지만 왜? 지금까지 연구원들은 이것에 대해서도 대답하지 못했다. 알려진 메커니즘 중 어느 것도 이러한 과도한 에너지를 완전히 설명할 수 없기 때문이다. "이것은 공개 실험 질문이다"고 Moore와 그의 팀은 말했다. "효과를 이해하기 위해서는 여기에서 더 발전된 시뮬레이션이 필요하다." NIF 반응기에서 레이저 융합의 추가 측정 데이터도 문제를 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다.

그러나 융합 플라즈마가 연소 임계값을 초과한 경우에만 이론적으로 예상했던 것과의 편차가 발생했다는 점은 흥미롭다. 이 시점부터 핵융합에 의해 생성된 에너지는 외부에서 공급되는 에너지보다 플라즈마 가열에서 더 큰 비중을 차지한다. 그러나 측정 결과 밝혀진 바와 같이, 이것은 또한 핵융합 플라즈마의 에너지 조건을 근본적으로 변화시키는 것으로 보인다.

로마 사피엔자 대학의 스테파노 아체니(Stefano Atzeni)는 논평에서 "불타는 플라스마를 얻는 것은 에너지 융합에 이르는 중요한 단계일 뿐만 아니라, 때로는 놀라운 결과와 함께 아직 알려지지 않은 물질 상태를 탐사할 수 있게 해준다"고 논평했다.
(Nature Physics, 2022; doi: 10.1038/s41567-022-01809-3)
출처: Nature Physics, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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