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국립점화시설

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목차

1. 개요

국립점화시설(NIF)은 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소에 위치한 세계 최대 규모의 레이저 핵융합 연구 시설이다. 192개의 고에너지 레이저를 사용하여 핵융합 반응을 일으키는 연구를 수행하며, 2009년에 완공되었다. NIF는 관성 핵융합 방식을 기반으로 하며, 2022년 12월에 레이저 투입 에너지보다 더 많은 에너지를 방출하는 과학적 손익분기점을 최초로 달성했다. 또한, 핵무기 성능 유지 및 관리를 위한 연구에도 활용되며, 고속 점화 기술 개발 등 핵융합 에너지 상용화를 위한 연구를 지속하고 있다.

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2. 역사

2009년, 로렌스 리버모어 국립 연구소는 축구장 3개 크기의 세계 최대 규모 레이저 핵융합 연구시설인 국립점화시설(NIF)을 건설했다. 약 40억원을 투입한 이 연구시설은 직경 10m 크기의 구형 진공용기 내부에서 핵융합 연료(㎜ 크기)에 총 192개의 고에너지 레이저를 집중시켜 핵융합 반응을 얻어낸다.[101]

2001년에는 일본의 유리 제조업체 HOYA가 국립점화시설에 레이저 광선 증폭용 특수 유리를 납품한 것에 대해, "일본 기업이 핵무기 개발에 협력했다"며 원폭 피해자, 히로시마 시장, 나가사키 시장[152], 원수폭금지[153] 등으로부터 비판을 받았다.

2014년 2월 12일 네이처는 "핵융합에서 투입량 이상의 에너지를 얻는 데 성공"했다고 발표했다.[154] 다만, 이때 에너지 투입량은 수소에 흡수된 에너지량이며, 레이저 조사에 소모된 에너지는 아니었다.

2022년 12월 14일에는 2.05 메가줄의 레이저를 조사하여 핵융합 반응으로 3.15 메가줄의 에너지가 방출된 것이 확인되어, 세계 최초로 "핵융합에서 투입량 이상의 에너지를 얻는 데 성공"했다고 발표했다.[155] 그러나 실제로 2 메가줄의 레이저 에너지를 조사하기 위해 송전망에서 300 메가줄의 에너지가 사용되었기 때문에, 시스템 전체로서는 순 에너지 이득에 이르지 못했다.[156]

2. 1. NIF 이전의 핵융합 연구

핵융합 연구는 1950년대부터 시작되었으며, 초기에는 주로 자기장을 이용한 핵융합 방식(토카막)이 연구되었다.[49] 1960년대 초, 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 존 너콜스는 수소 폭탄의 원리를 이용한 관성 핵융합(ICF)의 개념을 제시하였다. 이 방식은 작은 캡슐에 핵융합 연료를 넣고, 이 캡슐을 호흘라움이라고 불리는 엔지니어링된 쉘 내에 배치하여 압축 및 충격파 형성을 최대화한다. 호흘라움을 가열하고 X선을 생성할 수 있는 충분한 에너지를 전달하는 에너지원을 사용하며, 이상적으로는 반응의 양쪽 끝을 기계적으로 격리하기 위해 일정 거리에 위치시킨다. 너콜스는 수소폭탄의 '주요부'에서 약 5 MJ(메가줄)의 에너지가 필요하며, 1 MJ 빔을 생성할 것으로 추정했다.[49]

1970년대 초, 너콜스와 LLNL이 호흘라움 기반 개념을 연구하는 동안, UCSD의 물리학자 키스 브루크너는 독립적으로 직접 구동 방식을 연구하고 있었다. 브루크너는 이 개념을 상용화하기 위해 KMS 퓨전을 설립했다. 이로 인해 KMS와 무기 연구소 사이에 경쟁이 벌어졌다. 이전에는 주목받지 못했던 ICF는 주요 연구 주제가 되었고, 대부분의 연구소에서 ICF 연구를 시작했다.[49] LLNL은 유리 레이저에 집중했고, 다른 시설에서는 이산화탄소를 사용하는 가스 레이저(예: ANTARES, 로스앨러모스 국립 연구소) 또는 KrF(예: 나이키 레이저, 해군 연구소)를 연구했다.[53]

핵융합 과정에 대한 초기 이해는 주로 LASNEX를 사용한 컴퓨터 시뮬레이션의 결과였다. LASNEX는 반응을 2차원 근사로 단순화하여 당시 컴퓨팅 성능의 한계를 보였다. LASNEX는 kJ(킬로줄) 범위의 레이저 구동 장치가 낮은 이득에 도달할 수 있다고 추정했다.[49] 1977년, LLNL은 시바 레이저를 완성했지만, 목표 밀도는 예측보다 훨씬 작았다. 이는 레이저가 표적에 열을 전달하는 방식의 문제로, 대부분의 에너지가 연료 질량 대신 전자를 활성화했기 때문이다. 추가 실험과 시뮬레이션을 통해 더 짧은 파장을 사용하면 이 과정을 개선할 수 있음이 입증되었다.[54]

이러한 효과를 고려하여 시뮬레이션 프로그램을 업그레이드한 결과, 1984년 LLNL은 20빔 200 kJ 노바 레이저를 완성했다. 그러나 1979년 검토에서 노바가 점화에 도달하지 못할 것이라고 확인되었고, 351 nm로 빛을 변환하고 결합 효율을 높이는 10빔 설계로 수정되었다.[55] 노바는 약 30 kJ의 UV 레이저 에너지를 전달할 수 있었지만, 핵융합 생산에 대한 예측은 여전히 틀렸다.

2. 2. NIF 건설과 실험

1990년대 냉전 종식과 핵무기 감축 분위기 속에서, 미국은 핵무기 성능 유지 및 관리를 위한 연구의 필요성을 느꼈다. 이에 1994년, 국립점화시설(NIF) 건설을 시작하였다. NIF는 192개의 강력한 레이저 빔을 사용하여 핵융합 반응을 일으키는 것을 목표로 했다.[69] 2009년, 축구장 3개 크기의 NIF가 완공되었다.[101]

2001년, 일본 기업 HOYA가 NIF에 특수 유리를 납품한 것에 대해, 일본 내에서 핵무기 개발 협력이라는 비판이 제기되기도 했다.[152][153]

2010년부터 본격적인 실험이 시작되었으며,[102] 2012년에는 500테라와트(TW)의 최고 출력을 달성하였다.[112] 이는 미국 전체가 특정 시점에 사용하는 전력량의 1,000배에 달하는 수치였다.[112] 2013년에는 핵융합 연료가 흡수한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하는 데 성공하였다.[154]

2022년 12월, NIF는 투입된 레이저 에너지(2.05 메가줄)보다 더 많은 에너지(3.15 메가줄)를 핵융합 반응으로 방출하는 과학적 손익분기점을 달성하였다.[134][135][136][137][138] 그러나 이 실험에서 레이저를 가동하기 위해 300 메가줄 이상의 전력이 소모되었기 때문에, 시스템 전체로 보면 순 에너지 이득은 아니었다.[11][12][13]

3. 원리

타겟 챔버 외부에서 촬영한 사진


타겟 챔버 내부에서 촬영한 사진


태양이 빛과 열을 내는 원리인 핵융합은 최소 1억℃의 높은 온도가 필요하다. 이러한 온도를 만들기 위해 국제핵융합실험로(ITER)는 거대한 자기장 안에서 플라즈마를 일으키는 방식을 사용한다.

초고출력 레이저를 이용한 핵융합 방식은 레이저를 한 점에 집중시켜 1억℃를 만들어 중수소와 삼중수소를 융합시켜 헬륨으로 변환시킨다. 이 과정에서 발생한 질량 차이만큼 거대한 에너지가 발생하며, 이는 E=mc² 공식으로 설명된다.

레이저 핵융합은 장점이 많지만, 아직 갈 길이 멀다. 4MJ(메가 줄)의 광 에너지를 가진 레이저 광선이 1초에 10회 이상 발사되어야 실용화가 가능하다. 현재 세계 최대 레이저는 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 국립점화시설(NIF) 레이저로, 출력 에너지는 4MJ에 도달했지만 발사 횟수는 하루 2~3회 정도이다.

3. 1. 관성 핵융합 (ICF) 기본 원리

관성 핵융합(ICF)은 강렬한 에너지를 사용하여 타겟의 외부 층을 빠르게 가열하여 압축하는 방식이다. 비무기 장치에는 레이저 빔 및 입자 빔과 같은 에너지가 사용된다.[14]

타겟은 몇 밀리그램의 핵융합 연료, 일반적으로 중수소(D)와 삼중수소(T) 혼합물을 포함하는 작은 구형 펠릿이다.

레이저는 연료 펠릿의 표면을 직접 가열하는 ''직접 구동'' 방식과 펠릿 주변의 속이 빈 금속 원통( 호흘룸) 내부 표면을 가열하는 ''간접 구동'' 방식이 있다. 간접 구동의 경우, 호흘룸은 에너지를 더 높은 주파수의 X선으로 재방출할 만큼 뜨거워진다. 이 X선은 원래 레이저 빛보다 더 대칭적으로 분포되어 펠릿 표면을 가열한다.

어떤 경우든 펠릿 외부 물질은 플라즈마로 변환되어 표면에서 폭발한다. 펠릿 나머지는 모든 방향으로 안쪽으로 밀려 들어가 극도로 높은 밀도의 작은 부피를 형성한다. 표면 폭발은 내부로 이동하는 충격파를 생성하며, 연료 중심에서 작은 부피가 추가로 가열되고 압축된다. 온도와 밀도가 충분히 높으면 핵융합 반응이 일어난다.[15] 연료를 대칭적으로 압축하려면 에너지를 신속하게 전달하고 타겟 외부 표면에 매우 균등하게 분산시켜야 한다.[16]

핵융합 반응은 고에너지 입자(주로 알파 입자)를 방출하며, 이 입자들은 융합되지 않은 연료와 충돌하여 추가로 가열, 잠재적으로 추가 핵융합을 유발한다. 동시에 연료는 X선 손실과 연료 영역을 떠나는 고온 전자를 통해 열을 잃는다. 따라서 알파 가열 속도는 손실 속도보다 커야 하며, 이를 ''부트스트래핑''이라고 한다.[17] 적절한 조건(충분히 높은 밀도, 온도, 지속 시간)이 주어지면 부트스트래핑은 중심에서 바깥쪽으로 연소되는 연쇄 반응을 초래한다. 이를 ''점화''라고 하며, 연료의 상당 부분을 융합하고 많은 양의 에너지를 방출한다.[18]

3. 2. NIF의 레이저 시스템

NIF는 192개의 레이저 빔라인을 통해 500 테라와트(TW)의 빛을 생성하여 목표 지점에 집중시킨다. 이 시스템은 플래시 램프를 사용하는 192개 빔라인의 병렬 구조와 네오디뮴이 도핑된 인산염 유리 레이저를 사용한다.[32]

레이저 증폭실 중 하나


빔라인의 출력 균일성을 위해, 레이저는 주입 레이저 시스템(Injection Laser System, ILS)에서 단일 소스로부터 증폭된다. 이는 마스터 발진기라 불리는 이테르븀 도핑 광섬유 레이저에서 생성되는 1053 나노미터(nm) 적외선 빛의 저전력 플래시로 시작한다.[33] 이 빛은 48개의 전치 증폭기 모듈(Preamplifier Modules, PAM)로 분할된다. 각 PAM은 제논 플래시 램프를 통해 2단계 증폭을 거친다. 첫 번째는 펄스가 30~60회 순환하며 나노줄에서 수십 밀리줄로 에너지를 높이는 재생 증폭기이다. 두 번째는 메인 빔라인과 유사하지만 훨씬 작은 네오디뮴 유리 증폭기를 포함하는 회로를 네 번 통과시켜 밀리줄을 약 6 줄로 증폭시킨다. LLNL에 따르면 PAM 설계는 주요 과제 중 하나였으며, 이후 개선을 통해 초기 목표를 초과 달성했다.[34]

국립 점화 시설의 사전 증폭기. 표적 챔버로 향하는 레이저 빔의 에너지를 증가시키는 첫 단계이다.


주 증폭은 빔라인 한쪽 끝에 있는 유리 증폭기에서 이루어진다. 발사 전 증폭기는 총 7,680개 플래시 램프로 광학 펌핑된다. 램프는 400 MJ (110 kWh)를 저장하는 축전기 뱅크로 구동된다. 파면 통과 시 증폭기는 저장된 에너지 일부를 빔으로 방출한다. 빔은 광학 스위치를 사용하여 미러 캐비티 내 주 증폭기를 네 번 통과한다. 이 증폭기는 원래 6 J를 명목상 4 MJ로 증폭한다.[15] 수 나노초의 시간 척도를 고려하면, 표적에 전달되는 최대 UV 전력은 500 TW이다.[35]

각 빔라인 중앙 근처, 전체 길이 대부분을 차지하는 것은 ''공간 필터''이다. 긴 튜브 끝에 작은 망원경이 있어 튜브 중앙의 작은 지점으로 빔을 집중시키고, 포토마스크가 초점 밖 미광을 차단한다. 필터는 빔 이미지를 균일하게 보장하며, 이전 LLNL 실험인 사이클롭스 레이저에서 처음 도입된 중요한 진전이었다.[36]

레이저 빔 이동 경로(스위치 포함)는 약 이다. 빔라인의 광학 요소는 자동 판매기 크기의 표준화된 상자인 라인 교체 가능 장치(Line Replaceable Units, LRU)로 포장되어 빔라인에서 분리, 교체 가능하다.[37]

증폭된 빛은 빔라인으로 다시 전환되어 건물 반대편 끝 표적 챔버로 이동한다. 표적 챔버 도달 직전, 빛은 스위치 야드와 표적 영역 거울에서 반사되어 다양한 방향에서 표적을 타격한다. 마스터 발진기에서 표적까지 경로 길이는 빔라인마다 다르므로, 광학 장치를 통해 빛을 지연시켜 모두 몇 피코초 이내에 중심에 도달하도록 한다.[39]

NIF 기본 레이아웃. 중앙 우측 방에서 레이저 펄스 생성 후 양쪽 빔라인(파란색)으로 전송. 빔라인 통과 후 빛은 "스위치 야드"(빨간색)를 거쳐 표적 챔버(은색)로 향한다.


표적 챔버 도달 전 마지막 단계 중 하나는 1053 nm 적외선(IR) 빛을 광 주파수 변환기에서 351 nm 자외선(UV)으로 변환하는 것이다.[40] 이는 인산 이수소 칼륨 단결정에서 잘린 얇은 시트(약 1 cm 두께)로 만들어진다. 1053 nm(IR) 빛이 첫 번째 두 시트를 통과하면 주파수 추가를 통해 빛 대부분이 527 nm(녹색) 빛으로 변환된다. 두 번째 시트 통과 시 주파수 조합으로 527 nm 빛 대부분과 나머지 1053 nm 빛이 351 nm(UV) 빛으로 변환된다. 적외선(IR)은 UV보다 표적 가열에 덜 효과적인데, IR이 상당량의 에너지를 흡수하고 압축을 방해하는 뜨거운 전자와 더 강하게 결합하기 때문이다. 변환 과정은 평탄한 시간적 형태 레이저 펄스에서 최대 약 80% 효율에 도달 가능하나, 점화에 필요한 시간적 형태는 펄스 지속 시간 동안 크게 변동한다. 실제 변환 효율은 약 50%로, 전달 에너지를 명목상 1.8 MJ로 감소시킨다.[41]

4. 새로운 기술 (고속 점화)

최근에는 2MJ(메가주울) 이상의 막대한 레이저 에너지가 필요했던 중심점화(Central Spark) 방식에서 벗어나, 200kJ 이하의 소규모 레이저 에너지로도 핵융합을 일으킬 수 있는 고속점화(Fast Ignition) 기술이 빠르게 발전하고 있다.[113]

5. NIF의 성과와 과제

NIF는 핵융합 연구에서 중요한 성과들을 달성했지만, 상용화를 위한 과제들은 여전히 남아있다. 2021년, NIF는 핵융합 반응으로 플라스마 가열의 대부분이 이루어지는 연소 플라스마를 세계 최초로 생성했다.[126] 2022년에는 과학적 손익분기점을 달성하는 데 성공했다.[134][135][136][137][138] 이는 투입된 레이저 에너지보다 더 많은 에너지를 핵융합 반응으로 생성했다는 의미이다.

2022년 12월 13일, 핵융합 점화에 성공한 최초의 제어 핵융합 실험에 대한 영상 발표, 로렌스 리버모어 국립 연구소의 유튜브 페이지를 통해 제공


수석 설계자 애니 크리처가 2022년 12월 13일, 손익분기점 점화를 발표하는 기자 회견에서 연설하고 있다.


2022년 12월 5일, NIF는 2.05 메가줄의 레이저 광선을 투입하여 약 1.5의 에너지 이득으로 3.15 메가줄의 에너지를 생산하는 실험을 통해 최초로 과학적 손익분기점을 달성했다.[134][135][136][137][138] 12월 13일 공개 발표에서 에너지부 장관 제니퍼 그랜홈은 시설이 점화를 달성했다고 발표했다. 하지만, 이 결과는 레이저에 투입된 에너지를 기준으로 한 것이며, 전체 시스템의 에너지 효율은 여전히 낮은 편이다. NIF는 레이저를 가동하기 위해 477MJ의 전기를 사용하여 1.8MJ의 에너지를 표적에 투입, 1.3MJ의 핵융합 에너지를 생성했다.[126]

2023년 7월 30일에는 3.88MJ를 생성하여 89%의 잉여분을 기록하며 두 번째 손익분기점을 달성했다.[142][144] 2022년 12월 첫 번째 성공 이후 수행된 6번의 샷 중 적어도 4번이 손익분기점을 달성했다.[143] 이러한 성공적인 결과들을 바탕으로, 미국 에너지부(DOE)는 3개의 추가 연구 센터에 자금을 지원하기로 결정했다.[144]

NIF는 핵융합 에너지 연구뿐만 아니라, 다음과 같은 다양한 분야에도 활용되고 있다.

  • 핵무기 성능 유지 및 관리: 고폭탄에 의한 핵폭탄의 1차 압축을 시뮬레이션하는 실험을 수행한다. 이 실험은 포괄적 핵실험 금지 조약(CTB) 발효 이후 직접적인 핵실험이 불가능해진 상황에서 핵무기의 안전성과 신뢰성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.[122]
  • 고에너지 밀도 물리 연구: NIF는 극한 조건에서의 물질 상태를 연구하는 데 활용된다.


NIF는 앞으로도 핵융합 에너지 개발과 다양한 과학 분야 연구에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

참조

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