레이저 융합 점화: 핵융합 혁신을 관점으로 바라보기

이번 달 언론은 미국 국립점화시설(NIF)이 상업용 핵융합을 달성하는 데 있어 획기적인 진전을 이루었다는 발표로 떠들썩했습니다. 구체적으로 발표에서는 순 핵융합 에너지 이득(Q)이 약 1.5로 측정되었으며, 2.05MJ 입력에 대해 3.15MJ가 생성되었습니다.

작년의 1.3 MJ 생산량과 비교하여 이 이벤트에서 주목할만한 점은 NIF 레이저에 대한 최적화된 발사 루틴을 보여주고 중수소-삼중수소(DT) 연료를 포함하는 Hohlraum의 목표 설정 방식이 변경되어 보다 효과적인 결과를 가져온다는 것입니다. 압축. 이 Hohlraum 내에서 연료를 압축하는 X선이 생성됩니다. 충분한 압력이 있으면 일반적으로 핵이 서로 가까워지는 것을 막는 쿨롱 장벽을 극복할 수 있는데, 이것이 바로 핵융합입니다.

예비 결과에 따르면 DT 연료의 몇 퍼센트가 핵융합을 거친 것으로 보입니다. 그러면 다음 질문입니다. 이것이 실제로 우리가 풍부한 전력을 생산하는 상업용 핵융합로를 갖는 데 더 가까워졌다는 것을 의미합니까?

영원한 지브가 있듯이 핵융합은 100년 전에 발견된 이후로 항상 10년 뒤에 있습니다. 슬프게도 기초 물리학 연구 및 개발에 관한 많은 의사소통에서 누락된 것은 종종 무슨 일이 일어나고 있는지, 그리고 보고된 발견이 무엇을 의미하는지에 대한 더 깊은 이해입니다. 우리는 기초 물리학을 다루고 플라즈마 물리학, 고온 초전도 자석 및 재료 연구의 흥미로운 새 분야의 새로운 영역으로 대담하게 나아가고 있으므로 우리가 할 수 있는 일은 확실한 교육적 추측을 제공하는 것뿐입니다.

1950년대 Z-핀치 핵융합로를 사용하면 상업용 핵융합로가 등장하는 데 불과 몇 년밖에 걸리지 않는 것처럼 보였습니다. 융합을 유도하고 에너지를 수확하기 위해 플라즈마를 통해 고전류를 펄싱하기만 하면 당시에 많이 선전되었던 핵분열 원자로가 갑자기 이미 과거의 유물처럼 보였습니다. Z-핀치 핵융합로에 대해 처음에 높은 Q 수치가 보고되면서 신문은 영국이 최초의 핵융합로를 건설하고 나머지 세계가 뒤따를 것이라는 절대적인 확신으로 헤드라인을 장식했습니다.

나중에 측정 결과가 잘못되었다는 사실이 밝혀졌고, 추정된 핵융합 이득도 보고된 것만큼 놀랍지 않았으며, 이러한 유형의 원자로에서 사용을 복잡하게 만드는 플라즈마 불안정성의 심각성을 누구도 인식하지 못했다는 사실이 밝혀졌습니다. 플라즈마 주위에 전자기장을 추가한 러시아 토카막 설계가 되어서야 이러한 플라즈마 역학을 다룰 수 있는 것처럼 보였습니다.

당시에는 stellerator 형태의 대체 솔루션이 존재했지만 이를 위해서는 플라즈마 필드를 제한하는 것이 아니라 플라즈마 필드를 따르는 다소 복잡한 기하학적 구조가 필요합니다. 이는 컴퓨터 시뮬레이션 능력이 그러한 원자로의 필수 형태를 모델링할 만큼 충분했던 1990년대까지는 매력적이지 않았다는 것을 의미합니다. 현재 Wendelstein 7-X(W7-X) 스텔러레이터는 그러한 원자로의 가장 크고 가장 흥미로운 구현으로, 최근 연속적으로 작동할 수 있는 냉각 전환기로 완전히 구성되었습니다.

즉, 1950년대 이후로 많은 일이 일어났고, 많은 이론이 시도되었지만 일부는 정체되고 일부는 실패했다는 것입니다. 인류가 실용적인 상업용 핵융합로를 만드는 데 점점 더 가까워지고 있는 것은 실용 물리학과 이론 물리학, 재료 과학 및 다양한 공학 분야 사이의 불안정한 가장자리에 있습니다.

로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 NIF는 레이저 기반 관성 제한 핵융합(ICF)을 사용합니다. 이는 본질적으로 핵융합을 달성하기 위해 폭발하는 동안 DT 연료가 제자리에 고정되어 있음을 의미합니다. 핵심적으로 이것은 다른 핵융합로 개념보다 훨씬 더 복잡하지 않으며, 모두 다음 반응에서 DT 연료를 사용하는 경향이 있습니다.

두 개의 수소 핵이 융합되는 과정에서 상당한 양의 에너지가 방출되는데, 이 에너지는 증기를 생성하고 발전기를 구동하기 위해 수집될 수 있습니다. 동시에 헬륨 폐기물을 제거하고 고속(고속) 중성자를 포착하며 DT 연료를 보충해야 합니다. 이것을 토카막이나 스텔러레이터 같은 자기감금융합(MCF) 기술과 비교해 보면 ICF가 같은 수준에 속하지 않는 이유가 분명해집니다.