레이저 메가줄
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1. 개요
레이저 메가줄(LMJ)은 프랑스 원자력 및 대체에너지 위원회(CEA)에서 건설한 대형 레이저 기반 관성 구속 융합 연구 장치이다. 22개의 레이저 빔라인을 사용하여 중앙 실험 구역에 레이저 에너지를 집중시키며, 핵무기 성능 시뮬레이션 및 핵융합 발전을 위한 연구에 활용된다. LMJ는 중수소와 삼중수소 연료 펠릿을 고출력 레이저로 가열하여 핵융합 반응을 유도하는 간접 가열 방식을 사용한다. 대한민국은 아직 LMJ와 같은 초강력 레이저 연구시설을 보유하고 있지 않으며, 관련 시설 건설을 논의 중이다. LMJ 건설은 LIL(Laser Integration Line)이라는 단일 프로토타입 빔라인으로 시작되었다.
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| 레이저 메가줄 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 레이저 시설 |
| 위치 | 프랑스, 보르도, 르 바르프 인근 |
| 좌표 | 44° 52′ 57″ N, 0° 29′ 43″ W |
| 소유주 | CEA |
| 운영자 | CEA |
| 비용 | 50억 유로 |
| 완공 | 2002년 (결정), 2017년 (완전 가동) |
| 웹사이트 | 공식 웹사이트 |
| 세부 정보 | |
| 목표 | 핵무기 시뮬레이션 |
| 레이저 종류 | 네오디뮴 유리 레이저 |
| 에너지 | 1.3 MJ (자외선) |
| 전력 | 400 TW |
| 레이저 빔 수 | 176 |
| 표적 챔버 직경 | 10 m |
2. 설명
LMJ는 22개의 레이저 "빔라인"을 사용하며, 중앙 실험 구역 양쪽에 나란히 위치한 4개의 별도 "홀"로 배열되어 있다. 두 개의 홀에는 5개의 라인이 있고, 다른 두 개에는 6개의 라인이 있다.[4]
LMJ(Laser Mégajoule)는 "간접 가열" 방식을 사용하여 핵융합 반응을 일으킨다. 금과 같이 원자 번호가 높은 무거운 금속으로 만들어진 "호올룸"이라는 원통에 고출력 레이저 광선을 쏘면, 호올룸은 X선을 방출한다.[6] 이 X선은 중수소-삼중수소(DT) 융합 연료를 포함하는 작은 연료 펠릿을 가열하여 핵융합 반응을 유도한다.[6]
레이저는 각 홀마다 하나씩, 4개의 광전자 레이저에서 시작된다. 이러한 소스에서 나오는 레이저 빛은 일련의 120개 사전 증폭기 모듈(PAM)에서 증폭되어 약 40mm 크기의 사각형 빔으로 출력된다. PAM에서 나온 빔은 4개의 빔 그룹 2개, 즉 "쿼드"로 배열되어 증폭기로 전송되며, 한 쿼드가 다른 쿼드 위에 위치한다. 이렇게 각 증폭기 라인에서 8개의 개별 빔을 생성한다. 반면, 미국의 국립점화시설(NIF)은 192개의 빔 각각에 대해 개별 증폭기를 사용한다.[4]
각 빔라인에는 2개의 주요 유리 증폭기가 포함되어 있으며, 이는 광 펌핑을 위해 제논 플래시램프를 사용한다. 빔으로의 전송 효율이 좋지 않은 증폭기에서 더 많은 출력을 추출하기 위해 레이저 펄스는 거울 앞의 광학 스위치를 통해 증폭기를 두 번 통과한다.[4]
증폭이 완료되면 빔은 건물 중앙의 타겟 챔버에 가장 가까운 "라인 엔드"로 이동한다. 각 빔은 빔라인에서 평행한 방향에서 타겟 챔버 주위로 배열되도록 일련의 6개 거울에 반사된다. 그런 다음 빔은 광학 주파수 배가기를 통과하여 주파수를 자외선으로 높인다. 마지막으로 타겟 챔버에 들어가기 전에 약 0.25mm로 집속된다.[4]
실험 챔버는 두께가 10cm인 알루미늄으로 만들어진 지름 10m의 구체로, 무게는 약 140톤이다. 이는 생물학적 차폐를 형성하는 40cm 두께의 붕산 콘크리트 층으로 덮여 있다.[5]
3. 원리
X선은 펠릿의 바깥층을 매우 빠르게 가열하여 바깥쪽으로 폭발하게 만들고, 이로 인해 펠릿의 나머지 부분이 안쪽으로 밀려 들어가게 된다. 이렇게 발생한 충격파는 펠릿을 통과하여 중심부로 이동하고, 모든 방향에서 수렴하여 중심부에서 만나면 밀도와 온도가 순간적으로 로손 기준에 도달하여 핵융합 반응이 시작된다. 반응 속도가 충분히 높으면, 반응으로 생성된 열이 주변 연료를 융합시키는 연쇄 반응을 일으킨다. 이 과정은 펠릿 내 연료 대부분이 소모될 때까지 계속되며, 이를 "점화"라고 한다.
3. 1. 가상 핵실험
프랑스 원자력 및 대체에너지 위원회(CEA)는 LMJ를 활용하여 실제 핵실험 없이 핵무기 성능을 시뮬레이션하는 연구를 수행한다. CEA는 테라 100 슈퍼컴퓨터, 방사선촬영 장비와 함께 LMJ를 이용하여 미세 핵실험을 수행하고, 핵무기 설계를 개선한다.[1] 1995년 프랑스는 레이저 메가줄(LMJ)을 이용한 시뮬레이션 핵무기 개발 방식을 채택하고, 100억 프랑(약 16억원)을 투입하여 2002년까지 시뮬레이션 시설을 완성했다.[1] 이 시설은 보르도 부근 과학기술연구소(CESTA)에 설치되었으며, 180만 줄(J)의 고에너지를 이용해 실제 핵실험의 1억분의 1 규모인 '미세 핵실험'을 실시한다.[1] 240페소의 레이저광선과 1억도의 초고온을 이용해 중수소를 핵융합하는 시설이다.[1] 보르도 과학기술연구소(CESTA)는 박정희 정부 시절, 한국 과학기술자들이 핵개발을 연구했던 곳으로, 현재는 LMJ를 이용한 핵무기 시뮬레이션 연구가 진행되고 있다.[1]
4. 핵융합 발전
핵융합 발전에는 자기장 핵융합, 레이저 핵융합 등의 방식이 있으며, 현재 건설 중인 국제열핵융합실험로는 토카막 자기장 핵융합 방식이다.[6] 핵융합 연구는 군사용 수소폭탄과 상업용 원자력발전소 두 가지를 겸용하는 기술이다.[6]
레이저 메가줄은 레이저 핵융합 연구시설이다. 중수소와 삼중수소로 이뤄진 연료(펠릿)를 속이 빈 금속 연료통(호르룸)에 넣고 고출력 레이저를 동시에 쏘면 펠릿에서는 마치 별의 중심부와 같은 고밀도 상태가 만들어지면서 핵융합 반응이 일어난다.[6]
2021년 8월 18일, 미국 로렌스 리버모어 국립연구소는 레이저 빔 192대를 동시에 쏘아 1.9MJ의 고출력 에너지를 가한 뒤 핵융합 반응을 일으키고 여기서 1.3MJ의 핵융합 에너지를 얻었다고 밝혔다. 투입 에너지 대비 생산 에너지 효율은 68% 수준이다. CNBC, BBC 등 외신은 “핵융합 발전을 위한 문턱을 넘었다”고 평가했다.[6]
5. 대한민국
대한민국은 아직 레이저 메가줄(LMJ)과 같은 초강력 레이저 연구시설을 보유하고 있지 않다.[1] 2022년 현재 건설을 논의 중이다.[1] 초강력 레이저 연구시설은 기초과학뿐 아니라 응용 연구, 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용될 수 있는 다목적 연구시설이다.[1]
공홍진 한국과학기술원(KAIST) 명예교수는 "우리나라가 세계 레이저 핵융합 연구를 선도하기 위해선 초강력 레이저 연구시설이 꼭 필요하다"고 강조했다.[1]
6. 역사
LMJ 건설은 '''리뉴 데저그라시옹 레이저'''(Laser Integration Line, '''LIL''')로 알려진 단일 프로토타입 빔라인으로 시작되었다.[7] LIL은 주 설계의 축소판으로, 8개 대신 4개의 빔을 가졌다. 2002년에 가동되어 2014년 2월 중단될 때까지 1,595개의 펄스를 발생시키고 636개의 실험을 수행했다.[7] 마지막 실험은 LULI, 에콜 폴리테크니크, 보르도 대학교의 CELIA에서 수행되었다.[7]
LMJ는 여러 차례 지연되었지만, 짧은 기간이었다. 2014년 초 가동 예정이었으나,[8] 12월로 연기되었다가,[9] 결국 10월로 앞당겨졌다.[10] 2014년 10월 23일, 첫 번째 핵무기 관련 실험을 실행하며 가동을 선언했다.
참조
[1]
웹사이트
Le Laser Mégajoule
http://www-lmj.cea.f[...]
CEA - Direction des Applications Militaires
2012-06-12
[2]
웹사이트
The Megajoule Laser
http://www-lmj.cea.f[...]
[3]
웹사이트
Benefits for industry
http://www-lmj.cea.f[...]
[4]
웹사이트
The laser line
http://www-lmj.cea.f[...]
[5]
웹사이트
Experimental hall
http://www-lmj.cea.f[...]
[6]
웹사이트
targe
http://www-lmj.cea.f[...]
[7]
웹사이트
Laser Integration Line
http://www-lmj.cea.f[...]
[8]
간행물
Study of laser megajoule calorimeter's thermal behaviour for energy measurement uncertainty optimisation
http://rsi.aip.org/r[...]
[9]
웹사이트
Premier tir le 2 décembre au Laser Megajoule
http://www.sudouest.[...]
Sud Ouest
2014-01-11
[10]
웹사이트
A unique tool
http://www-lmj.cea.f[...]
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