XNUMX년이 훨씬 넘도록 물리학자들은 로렌스 리버모어 국립 연구소 캘리포니아에서는 이전에 수소 폭탄의 탄두 내부에서만 발생했던 일을 실험실에서 시도하고 있습니다. 그들의 목표는 세계에서 가장 큰 레이저인 3.5억 달러의 강렬한 빛 펄스를 사용하는 것이었습니다. 국립 점화 시설 (NIF) - 수소 연료의 작은 캡슐을 분쇄하여 그 안에 생성된 예외적인 온도와 압력이 에너지 생성 핵융합 반응을 생성하도록 합니다. 작년 말까지 일련의 기술적 장애로 인해 점화라고 알려진 목표에 도달하지 못했습니다. 그러나 1월 5일 오전 XNUMX시 직후 레이저 초점을 둘러싼 감지기에서 평소보다 더 큰 중성자 폭발이 발생했습니다. 성공 신호 - 이 경우 반응은 소비한 에너지의 1.5배 이상을 생성했습니다.

이 위업은 전 세계의 헤드라인을 장식했고 대중, 정치인, 핵융합 전문가 모두의 상상력을 자극했습니다. 미국 에너지부 장관 제니퍼 그랜홀름(Jennifer Granholm)은 "획기적 성과"를 치켜세웠다. 로체스터 대학의 마이클 캠벨 미국에서는 그 결과를 융합 연구를 위한 "라이트 형제의 순간"이라고 설명했습니다. 을 위한 임페리얼 칼리지 런던의 스티븐 로즈, 발표는 그러한 높은 핵융합 에너지를 얻을 수 있다는 의심을 제거합니다. "XNUMX보다 큰 에너지 이득을 얻지 못하면 사람들은 절대 달성할 수 없다고 주장할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

그 결과 융합이 마침내 깨끗하고 안전하며 안전하고 지속 가능한 새로운 에너지원을 가능하게 할 수 있다는 낙관론을 새롭게 했습니다. 이제 정부와 특히 민간 기업은 융합 에너지의 엄청난 잠재력을 활용하려고 합니다. 일부 기업은 향후 XNUMX년 초까지 시범 발전소에서 그리드로 전기를 공급하겠다고 약속하기도 합니다.

그러나 일부 과학자들은 핵융합 에너지로 가는 길에 남아 있는 거대한 기술적 장애물을 고려할 때 그러한 시간 척도가 비현실적이라고 생각합니다. 다른 이들은 연구자와 자금 제공자가 올바른 사고방식을 채택하는 한 10~15년의 시간 범위가 가능하다고 주장합니다. 을 위한 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 Troy Carter, 이것은 축구 경기장 크기의 NIF와 같은 크고 비싸고 중앙 집중화된 시설에 대한 의존을 끝내고 위험에 더 관대한 민간 부문이 주도하는 더 작고 저렴한 프로젝트로 전환하는 것을 의미합니다. "우리는 사업 방식을 바꿔야 합니다."라고 그는 말합니다.

마지막으로 목표에

가벼운 핵이 융합될 때 방출되는 에너지를 활용하려면 핵연료가 약 100억 켈빈의 온도에서 플라즈마 형태로 유지되어야 합니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 전파 또는 입자 빔으로 플라즈마를 가열하면서 상당히 오랜 기간 동안 자기장에 플라즈마를 가두는 것입니다. 지금까지 이러한 "자기 감금"은 물리학자들이 선호하는 핵융합 경로였습니다. 이것은 세계에서 가장 비싼 공공 및 민간 원자로 모두에서 활용될 것입니다: 20억 달러 이상 ITER 프랑스 남부에 건설 중인 시설과 회사에서 만든 기계 커먼 웰스 퓨전 시스템 지금까지 최소 2억 달러의 자금을 조달한 미국 보스턴 이외 지역.

정상 상태를 얻으려고 시도하는 대신 "관성 제한" 원자로는 내연 기관과 같이 작동하여 엄청난 온도와 압력을 순간적으로 생성하는 반복적인 폭발 주기를 통해 에너지를 생성합니다. NIF는 192개의 레이저 빔을 증폭하고 중앙에 수소 동위원소 중수소와 삼중수소를 포함하는 후추 열매 크기의 캡슐이 있는 작은 속이 빈 금속 실린더에 집중시킴으로써 이를 수행합니다. 실린더 벽에서 생성된 X선은 캡슐의 외부 표면에서 폭발하여 운동량 보존 덕분에 캡슐의 나머지 부분을 안쪽으로 밀어넣고 내부의 중수소 및 삼중수소 핵이 융합되도록 합니다. 이 과정에서 알파 입자(헬륨 핵)를 방출합니다. ), 중성자 및 많은 에너지.

이 프로세스는 매우 까다롭기 때문에 핵융합에 필요한 거의 완벽하게 대칭적인 내파를 보장하기 위해 매우 정밀한 빔 포커싱과 매우 부드러운 캡슐이 필요합니다. 실제로 무엇보다도 캡슐의 내파와 결함으로 인해 생성된 플라즈마의 불안정성은 Livermore 연구원들이 2012년까지 초기 점화 목표(또는 "손익분기점")에 훨씬 못 미쳤음을 의미했습니다. 그러나 일련의 고된 측정을 통해 연속적인 레이저 발사에서 그들은 실험 설정을 점차적으로 개선할 수 있었고 궁극적으로 역사적인 발사를 발사할 수 있었습니다. 목표물에 3.15MJ의 레이저 에너지를 전달한 후 2.05만 줄(MJ)의 융합 에너지를 생성했습니다.

Livermore의 관성 제한 핵융합 프로그램의 수석 과학자인 Omar Hurricane은 NIF의 레이저 에너지를 약 0.2MJ 단계로 증폭하여 더 높고 재현 가능한 이득을 얻기 위해 작업의 "우선 순위를 재지정"할 계획이라고 말했습니다. 그들은 또한 캡슐 내부의 핵연료 두께를 변화시키고 실린더의 레이저 입구 구멍 크기를 줄이는 효과를 연구할 계획입니다. 그러나 그는 시설의 주요 목적이 미국의 (더 이상 테스트되지 않은) 핵무기 비축을 지원하기 위한 실험 데이터를 제공하는 것임을 고려할 때 NIF가 실용적인 핵융합 에너지를 시연하도록 설계되지 않았다고 지적합니다. 따라서 NIF는 매우 비효율적입니다. 2MJ 플래시 램프 펌핑 레이저는 약 400MJ의 전기 에너지를 필요로 하며 이는 "벽 플러그" 효율이 0.5%에 불과합니다.

국가 점화 시설(National Ignition Facility), 세계 최초로 순수 핵융합 에너지 획득 입증

로체스터 대학교의 Riccardo Betti 다이오드로 펌핑되는 최신 레이저는 최대 20%의 효율에 도달할 수 있지만 발전소에 필요한 마진(열을 전기로 변환하는 동안 손실되는 에너지 포함)은 이러한 장치에도 "적어도 50~ 100”(NIF의 1.5와 비교). 그들은 또한 XNUMX초에 여러 번 "발사"해야 하는 반면 NIF는 하루에 한 번만 발사를 생성합니다. 이 높은 반복률은 NIF(금과 합성 다이아몬드로 만든)에 필요한 수십만 달러에 비해 최대 수십 센트의 대량 생산 대상을 필요로 합니다.

시장 진입

모든 장애물에도 불구하고 핵융합 에너지를 상용화할 수 있다고 믿는 한 회사는 캘리포니아에 본사를 둔 회사입니다. Longview 융합 에너지 시스템. 2021년에 전 NIF 이사 Edward Moses를 포함하여 여러 전 Livermore 과학자들이 설립한 Longview는 NIF의 표적 설계를 다이오드 펌핑 고체 레이저와 결합하는 것을 목표로 합니다. 이 회사는 리버모어가 NIF의 기록적인 슛을 보고한 날, 향후 XNUMX년 이내에 파일럿 발전소 건설에 착수할 계획이라며 존재를 알렸다.

Longview는 늦어도 50년까지 그리드에 2035MW의 전기를 공급할 계획이라고 말합니다. 회사는 레이저 효율과 반복률이 각각 18%와 10~20Hz라고 생각하면서 이것이 쉽지 않을 것임을 인정합니다. 특히 필요한 다이오드가 이미 존재하지만 "퓨전 스케일 레이저를 위한 통합 빔라인에 아직 패키징되지 않았다"고 말합니다. 그러나 레이저가 파일럿 플랜트에 필요한 광학 손상 임계값의 XNUMX배 이내라는 점에 주목하면서 기한을 맞출 수 있다고 확신합니다.

모든 사람이 확신하는 것은 아닙니다. 이전에 워싱턴 DC에 있는 미 해군 연구소의 레이저 융합 프로그램 책임자였던 Stephen Bodner는 NIF의 "간접 구동" 기술이 (연료 캡슐을 직접 조명하는 것보다) X-레이 생성에 너무 많은 에너지를 낭비한다고 주장합니다. 그는 또한 파일럿 플랜트에 필요한 0.30억 개의 목표에 상당한 엔지니어링 및 자본 비용을 분산함으로써 목표 비용을 500달러 미만으로 줄일 수 있다는 Longview의 주장에 회의적입니다. "NIF에서 사용되는 것과 같은 핵융합 표적이 상용 핵융합 에너지를 위해 충분히 개선될 수 있는 방법은 없습니다."라고 그는 말합니다.

National Ignition Facility의 레이저 융합 이정표가 논쟁을 촉발

그러나 세계에 융합 에너지를 제공할 수 있는 기술을 보유하고 있다고 믿는 Longview는 혼자가 아닙니다. 작년에 편집된 보고서 로 융합산업협회 무역 기구는 미국과 다른 지역에서 핵융합 기술에 종사하는 33개 회사를 열거하고 있으며, 그 중 다수는 발전소 개발에 공격적인 일정을 가지고 있습니다. 그러한 회사 중 하나는 먼저 라이트, 영국 옥스포드 근처에 기반을 두고 있습니다. First Light는 레이저 펄스를 사용하여 연료 캡슐을 압축하는 대신 거의 순간적으로 모두 방전되는 거대한 축전기 뱅크에서 제공하는 전자기력을 사용하여 매우 빠른 속도로 물질 발사체(우표 모양의 금속 조각)를 발사합니다. 발사체는 특수 제작된 목표물을 공격하며, 각 목표물은 내부에 내장된 연료 캡슐에 대한 충격 압력을 지시하고 강화합니다.

이 회사는 지금까지 약 80만 파운드의 자금을 조달했으며 유럽에서 가장 큰 펄스 전력 시설을 사용하여 핵융합을 시연했습니다. 공동 창립자이자 최고 경영자인 니콜라스 호커(Nicholas Hawker)에 따르면 다음 단계는 약 2030년 후에 훨씬 더 큰 기계로 점화를 시연하고 "XNUMX년대 초반에서 중반"에 파일럿 플랜트를 시연할 것이라고 합니다. Hawker는 발사체를 하나씩 장전하고 적절하게 견고한 고전압 스위치를 개발하는 것과 같은 수많은 과제가 앞에 놓여 있음을 인정하지만 계획의 물리학이 견고하다고 확신합니다. "연료 캡슐은 NIF와 정확히 동일하므로 최근 결과는 우리 시스템의 위험도 크게 줄였습니다." 

필요한 현금

물리학과 관련하여 Betti는 관성 구속 융합이 자기 구속보다 더 나은 위치에 있다고 생각합니다. NIF는 이제 전자가 자체 지속 반응을 생성할 수 있음을 입증했지만 점화 임계값 근처에서 생성된 불안정성은 토카막이 이를 따를 수 있는지 여부에 대해 여전히 큰 불확실성이 있음을 의미한다고 주장합니다. 그럼에도 불구하고 그는 두 가지 형태의 융합이 경제적으로 경쟁력 있는 에너지를 생산하려면 엄청난 장애물을 극복해야 한다고 말했습니다. “에너지 시스템이 10년 안에 준비될 수 있다는 것이 믿기지 않습니다.”라고 그는 말합니다.

NIF 과학자들은 지난 XNUMX년 동안 매우 어려운 물리학 문제를 해결하는 데 탁월한 성과를 거두었습니다. 그들의 위대한 업적을 인정받아야 한다

스티븐 보드너

카터는 더 낙관적입니다. 그는 민간 기업이 건설을 주도하고 정부가 내방사선 재료와 같은 기초 기반 연구를 지원하는 한 파일럿 플랜트가 약 500년 안에 실현될 수 있다고 주장합니다. 그러나 그는 필요한 자금이 상당할 것이라고 경고했습니다. 미국 정부의 경우 매년 약 2050억 달러가 추가됩니다. 돈이 들어오면 본격적인 상업용 공장이 "XNUMX년보다 빨리" 가동될 것이라고 그는 덧붙였다.

어떤 기술이 공장 내부에 적용될 것인지에 대해 Bodner는 그것이 간접 구동을 기반으로 하지 않을 것이라고 주장합니다. 그는 아르곤-불화물 가스 레이저와 같은 다른 종류의 레이저 시스템을 기반으로 한 관성 구속이 될 가능성이 높다고 주장합니다. 그러나 그는 시스템을 확장하면 불확실성이 발생한다는 점을 인정합니다. 그리고 그는 핵융합 연구를 지금까지 이룬 NIF 과학자들을 칭찬합니다. "그들은 지난 XNUMX년 동안 매우 어려운 물리학 문제를 해결하는 데 탁월한 역할을 했습니다."라고 그는 말합니다. "그들은 그들의 훌륭한 업적을 인정받아야 합니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/