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Sep 03, 2023

광학 및 포토닉스 뉴스

Edwin Cartlidge 약자 레이저 계획이 가장 좋은 결과를 가져올 수 있습니다.

에드윈 카트리지

경쟁력 있는 핵융합 에너지를 전달하기 위해서는 약자 레이저 방식이 가장 적합할 수 있습니다.

미국 해군 연구소의 Electra 아르곤 불화물 레이저. [제이. 스테펜, 미 해군]

2022년 12월 5일, 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 국립 점화 시설(NIF)에서 작업하는 물리학자들은 실험 검출기에서 엄청난 양의 중성자 폭발을 기록했습니다. NIF는 세계에서 가장 큰 레이저이며 매우 강렬하고 에너지 넘치는 빛의 섬광을 사용하여 수소 동위원소 펠렛을 빠르게 내파시켜 핵융합 반응을 생성합니다. 중성자의 대홍수는 연구자들이 수년간의 노력 끝에 마침내 레이저 펄스에 존재하는 것보다 약 1.5배 더 많은 에너지를 생성하는 "점화"에 도달했음을 나타냅니다.

이번 성과는 핵융합이 궁극적인 에너지 솔루션, 즉 오래 지속되는 방사성 폐기물을 생성하지 않는 풍부하고 친환경적이며 기저부하 전력원을 제공할 수 있다는 낙관론을 새롭게 불러일으켰습니다. 그러나 과학자들은 그 결과를 환영했지만 일부는 NIF가 핵융합 발전소에 기술을 제공할 것이라는 점을 확신하지 못했습니다.

NIF의 레이저는 표적의 극만 조명하므로 표적이 홀라움(위)의 양쪽 끝에 있는 구멍에 들어갈 수 있습니다. [LLNL]

NIF는 시설의 192개 레이저 빔을 펠릿을 둘러싸고 있는 금캔 또는 "hohlraum"에 지시하여 생성된 X선으로 연료 펠릿을 분쇄하는 "간접 구동" 융합에 의존합니다. 이 접근 방식에는 X-레이가 파열을 더 부드럽게 만드는 데 도움이 된다는 장점이 있습니다. 그러나 많은 과학자들은 엑스레이를 생성하는 동안 손실되는 막대한 양의 에너지(전체의 약 3/4)로 인해 이 계획이 상용 발전소에서 핵융합 수율을 활용하기 위한 출발점이 아니라고 주장합니다.

대신 이 전문가들은 개념적으로 더 단순한 "직접 구동"을 옹호합니다. 여기에는 연료 캡슐 자체에서 레이저 빔을 훈련시키는 것이 포함되며, 원칙적으로 훨씬 더 많은 레이저 에너지를 핵 연료로 전달하면서 목표를 더 단순하게 만듭니다. 홀라움(hohlraum)이 필요하지 않으며 캡슐은 잠재적으로 더 저렴한 기술과 재료를 사용하여 제작될 수 있습니다.

이 분야의 연구는 낮은 핵융합 수율을 생성하는 작은 목표로 제한되었습니다. 그러나 과학자들은 정부, 특히 민간 부문에서 핵융합 에너지에 대한 관심이 높아지면서 직접 추진이 가능하다는 점에 대해 점점 더 낙관하고 있습니다. 또한 미국 로체스터 대학의 Riccardo Betti가 지적했듯이 레이저 기술은 최근 몇 년 동안 큰 발전을 이루었습니다. 특히 매우 높은 대역폭에서 작동하는 능력이 더욱 그렇습니다. 그는 이 기술이 핵융합 에너지의 "게임 체인저가 될 수 있다"고 생각합니다.

과학자들은 정부, 특히 민간 부문에서 핵융합 에너지에 대한 관심이 높아지면서 직접 추진이 가능하다는 점에 대해 점점 더 낙관하고 있습니다.

핵융합 에너지를 활용하려면 핵이 상호 반발력을 극복하고 융합하여 에너지를 방출할 정도로 높은 온도에서 가벼운 핵(보통 중수소와 삼중수소)의 플라즈마를 가두는 것이 포함됩니다. 플라즈마가 오랫동안 충분히 높은 밀도로 유지될 수 있다면 에너지 반응 생성물(알파 입자)은 자립 연소를 일으킬 만큼 충분한 열을 축적하여 점화를 생성하고 출력을 몇 배로 증가시킵니다.

물리학자들은 이를 달성하기 위해 두 가지 다른 전략을 따랐습니다. 강력한 자석을 사용하여 대형 챔버 내부에 상당히 희박한 플라즈마를 유지하여 감금 시간을 최대화하려는 시도가 있습니다. 대신 다른 하나는 찰나의 순간 동안 예외적으로 높은 밀도를 생성합니다.

고출력, 고에너지 레이저를 사용하는 것은 관성 구속 융합으로 알려진 두 번째 접근 방식을 추구하는 것입니다. 아이디어는 작은 연료 알갱이에 모든 방향에서 레이저 펄스를 발사하여 알갱이의 외부 층을 폭발시키고 운동량 보존을 통해 나머지 연료 알갱이를 엄청난 속도로 안쪽으로 밀어넣는 것입니다(빛 자체는 충분한 복사 압력을 제공하지 않음).

[그래픽 확대] [Phil Saunders의 일러스트레이션]