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관성 봉입 핵융합

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목차

1. 개요

관성 봉입 핵융합(ICF)은 핵융합 반응을 일으키기 위해 연료를 고밀도로 압축하고 가열하는 기술이다. 1950년대부터 연구가 시작되었으며, 레이저나 입자 빔을 사용하여 연료 캡슐을 폭축하는 방식이 주로 사용된다. ICF는 핵융합 에너지를 생산하기 위한 발전소 건설, 핵무기 연구, 중성자원 개발 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 직접 구동 방식과 간접 구동 방식이 있으며, 직접 구동 방식은 연료에 직접 레이저를 조사하고, 간접 구동 방식은 호흘룸을 사용하여 X선을 발생시켜 연료를 압축한다. 주요 과제는 에너지 효율 향상, 연료 압축의 균일성 확보, 재료 손상 문제 해결 등이며, 현재 미국, 독일, 일본 등에서 활발하게 연구가 진행되고 있다.

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관성 봉입 핵융합
개요
관성 가둠 핵융합의 개념도
관성 가둠 핵융합의 개념도
유형핵융합
상태연구 중
관련국립 점화 시설, 레이저 핵융합, Z 빔 (샌디아)
설명
정의극도로 높은 밀도와 온도로 핵융합 반응을 일으키기 위해 연료를 압축하고 가열하는 핵융합 접근 방식
방법레이저 또는 입자 빔을 사용하여 연료 펠릿을 폭발적으로 압축하고 가열
목표핵융합 점화 달성 및 지속 가능한 핵융합 에너지 생산
주요 연구 시설
국립 점화 시설 (NIF)미국 로렌스 리버모어 국립 연구소
레이저 메가졸 (LMJ)프랑스
Z 빔 (샌디아)미국 샌디아 국립 연구소
장점
잠재적 장점풍부하고 지속 가능한 에너지원, 낮은 방사성 폐기물, 핵확산 위험 감소
단점
기술적 어려움극도로 높은 정밀도와 제어 필요, 플라즈마 불안정성, 높은 비용
연구 과제
연구 과제플라즈마 안정성 향상, 레이저 또는 빔 효율성 향상, 연료 펠릿 설계 최적화, 비용 절감

2. 역사

1957년 평화를 위한 원자력 회의에서 미국과 소련은 수소폭탄을 이용한 에너지 생산 방안을 논의했다. 이는 플라우셰어 작전으로 이어졌으나, 1962년 세단 핵실험의 실패로 부정적인 평가를 받았다.[13]

같은 회의에서 존 너콜스는 작은 D-T 연료 방울을 사용해 핵분열 단계를 거치지 않는 소형 핵융합 폭발물 개념을 제안했다.[13]

1960년 캘리포니아 HRL 연구소(Hughes Research Laboratories)에서 레이저가 도입된 후, 고든 굴드가 Q-스위칭 기술을 적용하여 레이저 출력을 획기적으로 높였다.[19]

1962년부터 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 존 S. 포스터 주니어와 에드워드 텔러는 소규모 ICF 레이저 연구를 시작했다.[13] 1972년 존 너콜스는 kJ 및 MJ 범위의 구동 장치를 사용한 핵융합 시스템을 제안하는 논문을 발표했다.[21][22]

2. 1. 미국

1957년 평화를 위한 원자력 회의에서 수소폭탄을 이용한 에너지 생산 방안이 논의되었고, 이는 플라우셰어 작전으로 이어졌다. 존 너콜스는 연료 질량 감소에 따른 핵융합 반응 변화를 연구하여, 소형 핵융합 폭발물 개념을 제안했다.[13]

1960년대 초, 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)에서 ICF 개념에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 1970년대 초, 킵 시겔은 KMS 퓨전을 설립하여 레이저 기반 ICF 시스템 개발을 시작했다. 1974년, KMS 퓨전은 최초로 ICF 핵융합 반응을 성공시켰다.[20]

LLNL에서는 야누스 레이저(Janus laser), 사이클롭스 레이저(Cyclops laser), 아르고스 레이저(Argus laser), 시바 레이저, 노바 레이저 등 다양한 레이저 시스템을 개발하며 ICF 연구를 주도했다. 1997년, 국립 점화 시설(NIF) 건설이 시작되었으며, 2009년 완공되었다.[24] NIF는 핵무기 비축 관리(nuclear stewardship program) 프로그램의 핵심 실험 장치로 활용되고 있다.

2022년, NIF는 과학적 손익분기점을 달성하는 데 성공했다.[34][35][36][37]

2. 2. 독일

1956년, 독일 막스 플랑크 연구소에서 핵융합 개척자인 카를 프리드리히 폰 바이츠제커가 회의를 주최했다. 이 회의에서 프리드바르트 빈터베르크는 고폭탄으로 구동되는 수렴 충격파를 통해 열핵 마이크로 폭발을 비분열 점화하는 방식을 제안했다.[14] 빈터베르크가 독일에서 핵 마이크로 폭발(미니핵)에 관해 수행한 연구는 옛 동독 슈타지 (국가보안부)의 기밀 해제 보고서에도 언급되어 있다.[15]

1964년, 빈터베르크는 1000km/s의 속도로 가속된 강렬한 마이크로 입자 빔으로 점화를 달성할 수 있다고 제안했다.[16] 1968년에는 같은 목적으로 마르크스 발생기로 생성된 강렬한 전자 및 이온 빔을 사용할 것을 제안했다.[17] 이 제안의 장점은 전하를 띤 입자 빔이 레이저 빔보다 덜 비쌀 뿐만 아니라 강한 자체 자기 빔장으로 인해 전하를 띤 핵융합 반응 생성물을 가둘 수 있어서, 빔 점화 원통형 표적에 대한 압축 요구 사항을 대폭 줄일 수 있다는 것이다.

2. 3. 소련

1967년, 소련의 연구원 구르겐 아스카리안은 리튬 중수소화물 또는 중수소에 레이저 빔을 집중시켜 핵융합을 일으키는 방법을 제안하는 논문을 발표했다.[18]

2. 4. 일본

오사카 대학에서 레이저 핵융합 연구가 활발히 진행되고 있다.[75] 샌디아 국립 연구소의 Z 머신은 2003년 3월 중수소 연료를 사용한 핵융합 실험에서 중성자 발생을 관측하여 핵융합에 성공했다.[76]

3. 작동 원리

핵융합 반응은 더 작은 원자핵들이 결합하여 더 큰 원자핵을 형성하는 과정이다. 이 과정은 두 원자핵이 충분히 가까워져서 핵력이 전기력보다 강해질 때 발생한다. 정전기적 반발력을 극복하기 위해서는 쿨롱 장벽을 넘어서는 충분한 운동 에너지가 필요하다.[3]

가벼운 핵은 전기적 전하가 적어 핵융합에 필요한 에너지가 적다. 따라서 수소가 핵융합 장벽이 가장 낮다. 핵력은 핵자의 수에 따라 증가하므로, 중성자를 포함하는 수소의 동위 원소는 필요한 에너지를 줄인다. 가장 핵융합이 쉬운 연료는 중수소(2H)와 삼중수소(3H)의 혼합물(D-T)이다.[3]

핵융합 가능성은 연료 밀도, 온도, 그리고 밀도와 온도가 유지되는 시간에 따라 달라진다. 이상적인 조건에서도 D-T 쌍이 융합할 확률은 매우 작다. 밀도가 높고 시간이 길수록 원자 간 충돌이 많아진다. 이러한 조합, 즉 핵융합 삼중곱은 점화에 도달하기 위해 로슨 기준에 도달해야 한다.[4]

최초의 관성 봉입 핵융합(ICF) 장치는 1950년대 초에 발명된 수소 폭탄이었다. 수소 폭탄은 두 개의 폭탄으로 구성된다. 첫 번째는 플루토늄을 사용하는 핵분열 장치이다. 이것이 폭발하면 X선이 발생하여 융합 연료로 구성된 두 번째 단계를 둘러싼 특수 물질에 흡수된다. X선은 이 물질을 가열하여 폭발을 일으킨다. 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 연료가 압축되고 가열되어 핵융합 반응이 시작된다.[5]

D-T 연료의 경우 대부분의 에너지가 알파 입자와 중성자 형태로 방출된다. 압축된 연료의 초고밀도 조건에서는 알파 입자가 주변 플라즈마와 상호 작용하면서 에너지를 잃고 연료에 재증착된다. 이 에너지는 주변 입자를 가열하여 핵융합을 일으킨다. 전기적으로 중성인 중성자는 연료 덩어리에서 더 긴 거리를 이동하며 자체 가열 과정에 기여하지 않는다. 폭탄에서는 중성자를 이용하여 삼중수소를 생성하거나 추가 핵분열성 연료를 분열시킨다.[5]

핵분열 폭탄으로 반응을 촉발해야 한다는 점 때문에 이 방법을 발전용으로 사용하기는 어렵다. 핵분열 점화기는 생산 비용이 비싸고, 최소 크기가 커서 폭발로부터 전력을 추출하는 것은 어려운 문제이다. PACER 프로젝트는 이 문제를 연구했지만, 경제성이 없었다.[6]

핵융합 반응에 필요한 에너지는 1억 K으로 가열된 기체의 평균 입자 에너지에 해당한다. 1 밀리그램의 연료 펠릿을 이 온도까지 올리는 데 필요한 에너지는 1.4 메가줄(MJ)이다.

자기 핵융합 에너지(MFE) 방식에서는 가둠 시간이 약 1초이지만, 플라스마는 수분 동안 유지될 수 있다. 1초의 가둠 시간을 위해 로슨 조건을 충족하는 데 필요한 밀도는 약 1014 입자/cc이다. 액체 형태의 1 밀리그램 D-T 연료 방울은 크기가 약 1mm이고 밀도는 약 4 x 1020/cc이다. 핵융합으로 생성된 열은 음속으로 팽창하여 가둠 시간이 약 2 x 10-10 초가 된다. 액체 밀도에서 필요한 가둠 시간은 약 2 x 10-7초로, 방울이 터지기 전에 연료의 약 0.1%만 융합된다.

핵융합 반응 속도는 밀도의 함수이며, 밀도는 압축을 통해 개선될 수 있다. 방울이 직경 1mm에서 0.1mm로 압축되면 가둠 시간이 10배 감소하지만, 밀도는 1,000배 증가한다. 이는 전체 핵융합 속도가 100배 개선됨을 의미한다. 이 경우 연료의 10%가 핵융합을 거쳐 약 30MJ의 에너지를 생성하며, 이는 압축에 필요한 에너지의 30배이다.

ICF의 또 다른 핵심 개념은 전체 연료를 1억 K까지 올릴 필요가 없다는 것이다. 핵융합 폭탄에서 반응이 지속되는 이유는 알파 입자가 주변 연료를 가열하기 때문이다. 압축 연료에서 알파 입자는 짧은 거리만 이동하므로 연료 내에서 멈추고 가열한다. 연료 중심부만 가열하여 "전파 연소"를 일으키면 훨씬 적은 에너지가 필요하다.

연료가 압축되고 밀도가 충분히 높을 때, 내부를 핵융합 온도까지 가열하는 방법이 필요하다. 현대 ICF 장치에서 압축된 연료 혼합물의 밀도는 물 밀도의 최대 1,000배 또는 납 밀도의 100배인 약 1000 g/cm3이다.

관성 가둠 핵융합은 크게 직접 구동 방식과 간접 구동 방식으로 나뉜다.

레이저를 사용한 관성 핵융합의 단계 개략도. 파란색 화살표는 방사선을 나타내고, 주황색은 날려 버림을 나타내며, 보라색은 내향적으로 전송된 열 에너지를 나타낸다.

  • 레이저 빔 또는 레이저로 생성된 X선은 핵융합 타겟 표면을 빠르게 가열하여 주변 플라즈마 외피를 형성한다.
  • 연료는 뜨거운 표면 물질의 로켓과 같은 날려 버림에 의해 압축된다.
  • 캡슐 폭축의 마지막 부분 동안 연료 코어는 납 밀도의 20배에 도달하고 1억 ˚C에서 점화된다.
  • 열핵 연소는 압축된 연료를 통해 빠르게 확산되어 투입 에너지의 여러 배를 생성한다.

3. 1. 직접 구동 방식 (Direct Drive)

일반적으로 관성 핵융합(ICF) 시스템은 레이저를 사용한다. 레이저 빔은 각각 1조 배 이상 증폭되어 여러 개의 빔으로 나뉜다. 이 빔들은 반응로 안으로 들어가 여러 거울에 의해 위치가 조정되어 핵융합 연료(타겟)의 전체 표면을 고르게 비춘다. 레이저로 인해 발생한 열은 타겟의 껍데기를 폭발시키는데, 이는 마치 수소폭탄의 연료 실린더 바깥층이 분열 장치의 X선에 의해 비춰졌을 때와 유사하다. 표면에서 폭발하는 물질은 안에 남은 물질을 큰 힘으로 안쪽으로 밀어 넣어, 결국 거의 구 형태가 되도록 붕괴시킨다. 현대 ICF 장치에서 이 결과로 나타나는 연료 혼합물의 밀도는 납 밀도의 약 100배 정도이다. 이 밀도는 핵융합 반응을 일으키기에 충분하지 않지만, 연료 붕괴 과정에서 충격파가 형성되어 연료 중심으로 높은 속도로 이동한다. 이 충격파들이 연료의 다른 면에서 오는 다른 충격파와 중심에서 만날 때, 해당 지점의 밀도는 훨씬 더 크게 증가한다.

# 레이저 빔이나 X선은 빠르게 융합 타겟의 표면을 가열하여 주위를 플라즈마로 둘러싼다.

# 연료는 뜨거운 표면 물질의 로켓 형태 분출에 의해 압축된다.

# 캡슐 안쪽으로의 마지막 가열 과정 동안, 연료 코어는 납 밀도의 20배에 도달하고 100,000,000℃에서 발화한다.

# 열핵 분열은 빠르게 압축된 연료를 통해 전달되어 투입 에너지의 수배를 생산한다.

충격파에 의해 매우 높게 압축된 곳의 융합 비율은 상당량의 고에너지 알파 입자를 방출할 수 있다. 주위 연료의 높은 밀도 때문에, 알파 입자는 열중성자화되기 전에 에너지를 열로 방출하며 짧은 거리를 이동한다. 이 추가적인 에너지는 추가적인 융합 반응을 일으켜 더 많은 고에너지 입자를 방출한다. 이 과정은 자기 지속적이며, 이를 발화라고 한다.

충격 점화 방식은 핫 스폿 방식과 개념적으로 유사하지만, 압축 가열을 통해 점화를 달성하는 대신, 압축과 충격 가열의 조합을 통해 강력한 충격파를 나중에 연료에 가한다. 이는 공정의 효율성을 높이는 동시에 전체 소요 전력을 낮춘다.

연료가 되는 중수소나 삼중수소 등의 경원소를 구형 껍질에 넣어 연료로 사용한다. 에너지 드라이버에 의해 발생된 고에너지 레이저나 하전 입자빔 등의 입자선 다발을 연료에 쬐면 연료 표면부가 플라즈마화되어 팽창한다.[72] 팽창 에너지는 외부로 퍼져나가지만, 이것을 레이저로 억제하고, 반작용에 의해 그 내부를 폭축한다. 이를 통해 중심부의 경원소를 핵융합시킨다.

에너지를 균등하게 중심부에 전달하는 것이 효율적인 연료 연소의 핵심이므로, 연료의 형상은 물론 다방향에서 쏘아지는 레이저를 모두 목표대로 쏘는 레이저의 정확성도 필요하다.[72]

3. 2. 간접 구동 방식 (Indirect Drive)



간접 구동 방식은 레이저나 입자 빔을 금이나 납과 같은 중금속으로 만들어진 작은 원통, 즉 호흘raum에 조사하는 방식이다.[72] 빔 에너지는 호흘raum을 가열하여 X선을 방출하게 한다. 이러한 X선은 호흘raum의 내부를 채우고 캡슐을 가열한다.

간접 구동의 장점은 빔이 더 크고 덜 정확할 수 있다는 것이다. 하지만 전달된 에너지의 많은 부분이 호흘raum을 "X선 열"로 가열하는 데 사용되므로, 전반적인 에너지 효율은 직접 구동 방식보다 훨씬 낮다.

Z 핀치라고 불리는 물리 현상을 이용하여 강력한 X선을 발생시키고, 호흘raum 안에 놓인 연료 펠릿을 폭축하는 방법이 미국의 샌디아 국립 연구소가 보유한 Z 머신에서 실용화되고 있다.[73]

3. 3. 기본 융합 과정

핵융합 반응은 가벼운 원자들이 합쳐져서 더 무거운 원자를 형성하는 과정이다. 일반적으로 이 반응은 원자들이 이온화되어 전자가 열에 의해 자유로워지는 매우 높은 온도에서 일어난다. 따라서 융합은 주로 원자핵 수준에서 설명된다.

원자핵은 양전하를 띠고 있어 정전기력으로 서로 밀어낸다. 이 척력, 즉 쿨롱 장벽(또는 융합 에너지 장벽)을 극복하려면 상당한 에너지가 필요하다. 일반적으로 가벼운 핵은 전하량이 적어 에너지 장벽이 낮기 때문에 융합시키는데 더 적은 에너지가 필요하고, 융합될 때 더 많은 에너지를 방출한다. 핵자의 질량이 증가함에 따라 반응이 더 이상 순 에너지를 방출하지 않는 지점이 있는데, 이는 철(Fe56)이다.[3]

에너지 관점에서 가장 좋은 연료는 중수소와 삼중수소의 1:1 혼합물이다. 이들은 모두 수소의 무거운 동위원소이다. 중수소와 삼중수소 혼합물은 높은 중성자 비율 때문에 낮은 에너지 장벽을 가진다. 핵자에서 중성자의 존재는 핵력으로 핵자들을 묶어주지만, 양성자의 존재는 정전기력으로 핵자들을 밀어낸다. 삼중수소는 양성자에 비해 중성자 비율이 가장 높은 안정하거나 약간 불안정한 핵종 중 하나로, 두 개의 중성자와 하나의 양성자로 구성된다. 양성자를 추가하거나 중성자를 제거하면 에너지 장벽이 높아진다.[3]

실제 융합 시스템에서, 핵융합 반응을 일으키기 위해 온도는 수천만 도까지 가열되고 매우 압축되어야 한다. 태양 내부의 기압은 상상을 초월하기 때문에 태양 내부 온도는 1500만도 정도에서 핵융합 반응이 일어나는데 비해 1기압에서 살고 있는 지구상에서는 1억도 이상의 온도가 필요하다. 특정 연료가 융합하기 위해 필요한 온도와 압력은 로슨 조건으로 알려져 있다. 이 조건은 1950년대 이후 첫 수소폭탄이 제작된 이후 알려졌으며, 지구에서 로슨 조건을 만족하기는 매우 어렵다. 이 때문에 융합 연구가 현재의 기술 수준에 도달하기까지 오랜 시간이 걸렸다.[4]

핵융합이 일어날 가능성은 연료 밀도와 온도, 그리고 밀도와 온도가 유지되는 시간의 함수이다. 이상적인 조건에서도 중수소(D)와 삼중수소(T) 쌍이 융합할 확률은 매우 작다. 밀도가 높고 시간이 길수록 원자 간 충돌이 더 많이 발생한다. 이 단면적은 개별 이온 에너지에 따라 달라진다. 이러한 조합, 즉 핵융합 삼중곱은 점화에 도달하기 위해 로슨 기준에 도달해야 한다.[4]

3. 4. ICF의 작동 단계 (간접 구동 방식 기준)



레이저를 이용한 관성 핵융합(ICF)의 작동 단계는 다음과 같다. 먼저, 레이저 빔은 각자 1조 배 이상 증폭되는 여러 빔으로 나뉜다. 이 빔들은 반응로에 들어가 여러 거울에 의해 위치가 조정되고, 타겟 전체 면을 고르게 비춘다. 레이저로 생긴 열은 타겟 껍데기를 폭발시키는데, 이는 마치 수소폭탄의 연료 실린더 바깥 레이어가 분열 장치의 X선에 의해 비추어졌을 때와 비슷하다.[5]

면으로부터 폭발하는 물질은 안에 남은 물질을 큰 힘으로 안쪽으로 밀어 넣어, 결국 거의 구 형태로 붕괴시킨다. 현대 ICF 장치에서 결과로 일어나는 연료 혼합물의 밀도는 납 밀도의 100배 정도이다. 이 밀도는 융합 반응을 일으키기에 충분하지 않지만, 연료 붕괴 과정에서 충격파가 형성되어 연료 중심으로 빠른 속도로 이동한다. 이 충격파들이 연료의 다른 면에서 오는 충격파와 중심에서 만나면 그 지점의 밀도가 훨씬 더 커진다.[5]

충격파에 의해 매우 압축된 곳에서는 상당한 양의 고에너지 알파 입자가 방출될 수 있다. 주위 연료의 높은 밀도 때문에, 알파 입자들은 열중성자화 되기 전에 에너지를 열로 방출하며 짧은 거리를 이동한다. 이 추가 에너지는 추가적인 융합 반응을 일으켜 더 많은 고에너지 입자를 방출한다. 이 과정은 자기 지속적이며, 이를 발화라고 한다.[5]

4. 문제점 및 과제

핵융합 반응을 일으키려면 매우 높은 온도와 압력이 필요하다. 이는 작은 태양을 만드는 것과 같은 어려운 일이다. 관성 봉입 핵융합(ICF) 방식에서는 레이저나 입자 빔을 사용하여 연료 캡슐을 압축하고 가열하는데, 이 과정에서 여러 가지 기술적인 문제점들이 발생한다.

우선, 레이저나 입자 빔의 에너지 효율을 높여야 한다. 현재 기술로는 투입되는 에너지에 비해 핵융합 반응으로 생성되는 에너지가 적기 때문이다. 또한, 핵융합 연료 캡슐을 균일하게 압축하는 기술도 개발해야 한다. 캡슐이 찌그러지거나 불균형하게 압축되면 핵융합 반응이 제대로 일어나지 않는다.

핵융합 반응으로 발생하는 고에너지 중성자도 문제다. 중성자는 반응로 재료를 손상시키고 방사능을 띠게 만들어 수명을 단축시킨다. 따라서 중성자에 강한 새로운 재료 개발이 필요하다.

경제성 문제도 중요하다. 핵융합 발전소가 상용화되려면 발전 비용이 기존 발전 방식보다 경쟁력이 있어야 한다. 이를 위해서는 핵융합 장치의 효율을 높이고 건설 비용을 낮추는 기술 개발이 필요하다.

ICF에서 특히 중요한 과제는 다음과 같다.


  • 빔-빔 불균형 및 빔 이방성 제어: 여러 개의 레이저 빔을 사용할 때 각 빔의 에너지와 초점이 균일해야 한다. 그렇지 않으면 연료 캡슐이 불균일하게 압축되어 핵융합 효율이 떨어진다.[8]
  • 레일리-테일러 불안정성 및 Richtmyer-Meshkov 불안정성 제어: 연료 캡슐이 압축될 때 발생하는 유체역학적 불안정성이다. 이러한 불안정성은 연료와 고온 영역의 혼합을 유발하여 핵융합 반응을 방해한다.[8]


이러한 문제점들을 해결하기 위해 전 세계 과학자들은 다양한 연구를 진행하고 있다.

5. 응용 분야

관성 핵융합 에너지는 미래의 청정 에너지원으로 주목받고 있으며, 관성 가둠 핵융합 기술은 발전소 건설에 활용될 수 있다. 1970년대 후반부터 연구되어 온 관성 핵융합 에너지(IFE) 발전소는 초당 여러 개의 표적을 반응 챔버로 전달, 생성된 에너지를 이용해 기존의 증기 터빈을 구동하도록 설계되었다.[62]

핵무기 연구 및 개발에도 활용될 수 있다. 미국의 국립 점화 시설(NIF)은 핵무기 비축 관리 프로그램의 일환으로 건설되었다.[68] ICF 실험은 탄두 성능 저하 여부나 무기 설계 프로그램의 일부를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 핵무기 프로그램 내 지식과 전문성 유지는 ICF 추진의 또 다른 동기이다.[66][67] 일부에서는 ICF 연구가 포괄적 핵실험 금지 조약이나 핵확산 금지 조약을 위반한다는 주장도 제기되었으며,[69] 장기적으로는 기술적 난관에도 불구하고 ICF 연구가 "순수 핵융합 무기" 개발로 이어질 수 있다는 우려도 있다.[70]

ICF는 스팔레이션보다 수십 배 많은 중성자를 생산할 가능성이 있어, 중성자원으로 활용될 수 있다. 중성자 산란을 이용한 분자 구조 연구는 단백질 접힘, 막을 통한 확산, 양성자 전달 메커니즘, 분자 모터 역학 등과 관련된 문제를 해결할 수 있게 한다.[71] 핵분열성 물질과 결합하면, ICF에 의해 생성된 중성자는 전력 생산을 위한 하이브리드 핵융합 설계에 잠재적으로 사용될 수 있다.

6. 기타 방식

레이저 핵융합 외에도 다양한 관성 핵융합 방식이 연구되고 있다. 중이온 관성 핵융합은 레이저 대신 하전 입자 빔을 사용하는 방식이다. 퓨저 핵융합은 과거에 활발히 연구되었으나, 현재는 여러 기술적 난제로 인해 연구가 더디게 진행되고 있다. 버블 핵융합은 이론적으로 제안된 방식이다.

자기장 가둠 방식과 관성 가둠 방식을 결합한 방식도 연구되고 있는데, 자기장 표적 핵융합과 자기 절연 방식 관성 핵융합이 이에 해당한다.

Z-핀치 현상을 이용하는 방식도 있다. 미국의 샌디아 국립 연구소의 Z 머신은 Z-핀치를 통해 강력한 X선을 발생시켜 연료 펠릿을 압축하는 방식으로, 실용화 단계에 있다.[73]

고속 점화(Fast ignition) 방식은 별도의 레이저를 사용하여 연료 중심부에 직접 에너지를 공급하는 방식이다. 이 방식은 가열 및 압축 단계를 분리할 수 있다는 장점이 있다. 고속 점화에는 "플라즈마 관통" 방식[38]과 "콘 인 쉘" 방식[39] 두 가지 유형이 있다.

충격 점화(Shock ignition) 방식은 압축 가열과 충격 가열을 조합하여 핵융합 반응을 일으키는 방식이다.[44][45][46]

독일의 마블 퓨전(Marvel Fusion)은 단펄스 고에너지 레이저와 PB11 핵융합 연료를 사용하는 레이저 기반 관성 핵융합을 연구하고 있다.[52] 이 회사는 지멘스 에너지 AG(Siemens Energy), 트럼프(TRUMPF), 탈레스 그룹(Thales) 등과 협력하고 있다.[58]

참조

[1] 웹사이트 National Ignition Facility achieves fusion ignition https://www.llnl.gov[...] 2022-12-13
[2] 웹사이트 December 13, 2022 US officials announce nuclear fusion breakthrough https://www.cnn.com/[...] 2022-12-13
[3] 웹사이트 Basic fusion physics https://www.iaea.org[...] 2016-10-12
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