국가 점화 시설이 대망의 핵융합 이정표를 뛰어넘다

12월 5일 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 발생한 핵융합 반응은 에너지 증가를 일으키는 최초의 제어된 핵융합 반응이다. 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 35억 달러 규모의 국립 점화 시설(NIF)이 완공된 지 13년 만에 거대 레이저의 이름으로 구현된 목표가 마침내 달성됐다. 핵융합 연구의 거의 70년 역사상 처음으로, 핵융합 반응은 핵융합을 일으키는 데 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산했다. LLNL의 무기물리학 및 설계 프로그램 책임자인 마크 허먼에 따르면, 12월 5일에 수행된 레이저 발사는 2.05 MJ의 레이저 빛에서 약 3.15 메가줄의 융합 에너지를 생성하여 UV를 X선으로 변환하는 홀라움으로 알려진 작은 원통형 챔버에 도달했다. 내부에는 중수소-삼중수소 연료가 들어있는 다이아몬드로 코팅된 페퍼콘 크기의 캡슐이 매달려 있었는데, X선이 폭발했다. 12월 13일 에너지부 장관 제니퍼 그란홀름, 과학기술정책국 국장 아라티 프라바카르와 다른 관리들이 공식적으로 발표했다. 이 연구 결과는 동료 검토를 거치지 않았으며, 허만 박사는 이 연구 결과가 과학 학술지를 통해 발표되기를 원했을 것이라고 말했습니다. 그러나 결과는 유출될 것이 분명했고, 진전이 정확하게 보고되는 것이 중요했다고 그는 덧붙였다. 2007년 국가연구회가 제정한 점화 기준을 뛰어넘는 수율이다. 1999년까지 NIF 건설을 이끈 마이클 캠벨은 연료 캡슐에 축적된 에너지의 양(약 250 킬로줄)과 같은 다른 측정에 의해 이득 또는 Q는 약 10이라고 말한다. 그러나 레코드 샷에서 나오는 핵융합 에너지의 양은 192 빔 NIF 레이저를 구동하는 데 필요한 그리드에서 나오는 300 MJ의 1%에 불과하다고 Herrmann은 말합니다. 따라서, 비록 연구소의 성과가 중요한 단계이긴 하지만, 관성 융합이 실용적인 에너지원이 되기까지는 아직 멀었다. Herrmann은 점화는 핵무기의 핵심 과정이며 핵융합 반응에서 생성되는 14MeV 중성자의 매우 강렬한 플럭스에 물질이 노출될 수 있는 실험을 가능하게 할 것이라고 말한다. 그는 그것이 무기 비축량을 유지하는 데 직접적으로 적용된다고 말한다. 이 성공은 1997년에 건설이 시작되기 전부터 논란이 되었던 NIF에게 힘든 길이었던 것을 막는다. 이 프로젝트는 냉전 이후 실존적 위협에 직면한 LLNL에 대한 생명줄로 시작되었다고 에너지부의 전 국방 프로그램 차관이자 실험 없이 핵 비축량을 유지하기 위한 DOE의 과학 기반 프로그램의 창시자인 빅터 리스는 말한다. 한 DOE 자문 위원회는 로스앨러모스 국립 연구소의 무기 연구를 통합할 것을 권고했다. Reis는 "사람들은 우리가 Livermore가 더 필요하지 않다"고 말했다.

지연과 예산 초과 이후, NIF는 2009년에 실험을 위해 문을 열었다. 이 시설은 2012년 당초 목표였던 점화 목표를 달성하지 못했다. 2016년 보고서에서 DOE의 국가 원자력 안전국은 세계에서 가장 에너지가 넘치는 레이저가 그 이름의 임무를 달성할 수 있을지에 대해 의문을 표명했다. 그 기관은 핵 비축 유지를 지원하기 위해 극도의 밀도와 압력 하에서 물질의 행동을 조사하기 위해 진행 중인 NIF의 실험을 강조하면서 점화 목표를 완화했다. 국립과학연구원의 연구 중 약 10%는 학술 연구자들에 의한 미분류 연구를 위해 남겨져 있다. 많은 과학자들은 레이저의 에너지가 팬케이크나 소시지 모양의 비대칭적인 인스톨을 만드는 레이저-플라즈마 불안정성을 극복하기에는 불충분하다고 믿었다. 이에 대응하여, NIF 연구원들은 수많은 캡슐과 홀라움의 구성과 재료들을 시험해 보았다. 캠벨은 NIF의 최근 성과를 다른 연구소와 민간 부문의 기여와 함께 지난 4~5년 동안 홀라움에 대한 이해와 개선된 캡슐 제작의 발전에 기여한 것으로 보고 있다. 2021년 8월 이전의 기록 촬영과 마찬가지로, 실험실은 나노 결정성 다이아몬드 코팅 캡슐을 실험에 사용했다. X선으로 폭발하면 다이아몬드 껍질이 로켓처럼 날아가 내폭을 일으킨다. 지난주 사격에 사용된 포탄은 이전 시도보다 약 10% 두꺼웠다. 지난 주 성공에 기여한 또 다른 주요 요인은 NIF의 원래 1.9 MJ 최대 레이저 에너지에 대한 10% 증가입니다. 허먼은 "레이저가 더 많은 에너지를 생산하지 못하는 것은 아니지만, 우리는 레이저를 부수고 싶지 않았다"고 말했다 최근 몇 년 동안, 레이저와 광학 과학자들은 광학을 강화하는 데 성공했다.

 

캠벨은 이번 성과가 에너지원으로서의 핵융합에 대한 또 다른 관심을 불러일으킬 것이라고 예측했다. 그러나 레이저 핵융합 에너지는 핵융합 캡슐을 대량으로 제조하고, 레이저 샷을 지속적으로 수행하고, 삼중수소를 번식시키는 방법을 찾는 등 극복해야 할 공학적 장애물이 많다. 작년에 DOE가 지원하는 로체스터 대학의 레이저 에너지 연구소 소장으로 은퇴한 캠벨은 "점화는 스튜어드십을 위해 필요하지만 충분하지 않은 조건이다. 헤르만은 "생산량이 많을수록 재고 관리를 위한 효용이 커진다"고 동의한다 그는 NIF가 언젠가 더 높은 이득 반응을 시작하는 것을 돕기 위해 2.6–3 MJ의 레이저 펄스를 일상적으로 생성할 수 있다고 생각합니다. "그것은 수년이 걸릴 것이고, 우리는 NNSA와 논의하고 있습니다." 국립과학수사연구소의 목표실 안에서 발생하는 폭발의 규모에 대한 우려는 없어야 한다. Herrmann은 현재 최대 45 MJ의 수율을 안전하게 수용할 수 있는 것으로 평가되고 있으며, 약간의 업그레이드로 100 MJ까지 증가할 수 있다고 말한다.