액체 표적이 관성 핵융합에 새로운 변화를 가져옵니다

Jul 29, 2023

지난 12월, 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 산하 국립 점화 시설(NIF)의 과학자들이 핵융합로에서 순 에너지 증가(또는 점화)를 달성했을 때 샴페인 코르크가 뽑히는 소리를 실제로 들을 수 있었습니다. NIF의 발견은 확실히 “필요한 첫 번째 단계”였지만, 대량 생산 핵융합의 궁극적인 가능성은 여전히 ​​멀고도 먼 상태로 남아 있습니다.

그렇다면 또 다른 형태의 관성 핵융합을 위한 작지만 필수적인 첫 번째 단계를 축하해야 할 이유가 더욱 커졌습니다. 로체스터 대학 레이저 ​​에너지학 연구소(LLE)의 연구원들은 관성 핵융합 에너지를 위한 더 저렴한 타겟을 만드는 데 사용할 수 있는 동적 쉘(DS) 형성이라는 개념을 시연했습니다.

융합 반응에서는 두 개의 가벼운 원자핵이 결합하여 더 무거운 핵을 형성하고 많은 양의 에너지를 방출합니다. 이러한 반응은 극도로 높은 온도(섭씨 1억도 이상)와 압력의 조건에서 플라즈마에서 발생합니다. 또한 순 전력 이득을 얻을 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 반응을 유지하려면 안정적인 감금이 필요합니다.

국립 점화 시설(National Ignition Facility)의 냉동 연료 표적은 만들기가 어렵고 각각 제조하는 데 며칠이 걸립니다. 핵융합 발전소에는 하루에 약 백만 개의 목표가 필요하기 때문에 이것이 문제입니다.

NIF의 거대하고 널리 논의된 시설과 마찬가지로 Rochester 그룹의 개념 증명 시스템에서는 레이저를 사용하여 목표물을 압축하고 가열함으로써 반응이 시작됩니다. 표적은 일반적으로 수소 동위원소인 중수소(D)와 삼중수소(T)로 구성된 연료로 채워진 작은 알갱이입니다. 그런 다음 압축의 결과로 극한의 온도와 밀도로 인해 목표가 날아가기 전 몇 초 안에 핵융합 전력이 생성됩니다.

DS 방식에서는 NIF에서 사용하는 기존의 동결수소연료타겟 대신 액체타겟을 사용한다. 이는 액체 DT 연료 방울이 주입되는 습식 폼 캡슐로 구성됩니다. 그런 다음 대상은 먼저 폭발 파동을 일으킨 다음 확장시키는 시간에 맞춰진 레이저 펄스에 의해 폭격을 받습니다. 폭발파는 계속해서 중앙에 공극이 있는 조밀한 껍질을 형성하고, 마침내 껍질이 파열되어 핵융합 에너지를 방출합니다.

LLE의 수석 과학자인 Igor Igumenshchev는 "이 기술이 원칙적으로 작동할지는 확실하지 않습니다. 그래서 우리는 이 진화가 가능하고 안정적이라는 것을 보여주기 위해 원리 증명 실험을 수행했습니다"라고 말했습니다. 추가 연구를 진행하기에 충분합니다.” 연구진은 액체 연료와 거의 동일한 밀도의 대용 폼 타겟을 사용했습니다. 다음 단계는 DT 연료를 이용한 실험이 될 것이며 이는 더욱 복잡해질 것이라고 그들은 말합니다.

관성밀폐융합(ICF)에 기존에 사용되는 냉동 DT 펠릿은 만들기가 어렵고, 단일 표적을 만드는 데 며칠이 걸린다. 핵융합 발전소에는 하루에 약 백만 개의 표적이 필요하기 때문에 이것이 문제가 됩니다. 그러나 DS 기술에 설명된 액체 타겟은 냉동된 타겟의 복잡한 극저온 층을 필요로 하지 않으므로 훨씬 저렴하고 생산하기 쉽습니다.

DS 개념의 또 다른 장점은 간단한 목표, 즉 액체 방울로 시작한다는 점이라고 LLE의 이론 부문 이사이자 프로젝트 공동 책임자인 Valeri Goncharov는 말합니다. 레이저를 사용하면 대상이 NIF 시스템보다 대상 표면이 더 매끄러운 껍질로 확장되고 형성됩니다. “이제 우리는 물리학적 관점에서 발전소에 점화를 전달할 수 있는 목표물을 생산하는 것을 방해하는 것이 없다는 것을 알고 있습니다.”라고 그는 말합니다. "우리에게 필요한 것은 대상을 효율적으로 압축하는 것입니다."

DS 형성 기술의 단점은 오늘날의 레이저 기술을 사용하여 생성하기 어려운 장기간의 레이저 펄스가 필요하다는 것입니다. DS 형성은 또한 레이저-플라즈마 상호작용을 생성합니다. Goncharov에 따르면, "현재 ICF의 가장 큰 문제는 에너지를 다시 산란시키는 플라즈마파를 제거하는 것입니다." 이는 LLE에서 진행 중인 작업이라고 그는 덧붙였습니다.