작년의 기록적인 핵융합 에너지 발사 재현에 실패한 후 미국 국립 점화 시설의 과학자들은 다시 초기 단계로 돌아갔습니다. 에드윈 카트리지 다음 단계에 대해 논의합니다.
2021년 국립 점화 시설에서 1.37MJ를 방출한 기록적인 샷은 재현되지 않았습니다. (제공: LLNL)
지난해 8월 192일, 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소의 물리학자들은 세계 최대의 레이저를 사용하여 기록적인 실험을 수행했습니다. 3.5억 달러 규모의 XNUMX개 빔 채용 국립 점화 시설 (NIF)는 중수소와 삼중수소를 함유한 후추 열매 크기의 캡슐을 파열시키기 위해 두 개의 수소 동위원소를 융합시켜 몇 분의 70초 동안 자립적인 융합 반응을 일으켰습니다. 레이저에 전력을 공급하는 데 사용되는 에너지의 XNUMX% 이상을 방출하는 프로세스를 통해 이번 발견은 거대 레이저가 안전하고 깨끗하며 본질적으로 무한한 에너지의 새로운 소스를 가능하게 할 수 있음을 시사했습니다.
그 결과, 리버모어 연구실의 연구원들은 XNUMX년 넘게 상당한 진전을 이루기 위해 분투해 왔으며, 이를 축하하는 분위기로 만들었습니다. 그러나 성과를 재현하려는 몇 번의 후속 시도가 기껏해야 기록적인 출력의 절반에 불과한 수준에 미치지 못하자 초기의 흥분은 곧 사라졌습니다. 리버모어 경영진은 소수의 반복 실험만 시도하기로 결정하고, 연구실에서는 손익분기점을 찾는 작업을 보류하고 대신 출력 변동의 원인이 무엇인지 알아내려고 노력했습니다.
NIF를 비판하는 사람들에게 최근 경로 수정은 놀라운 일이 아니었으며, 이는 강력한 핵융합 에너지 생산을 위한 테스트 베드로서 시설이 부적합함을 다시 한 번 보여주는 것 같습니다. 그러나 많은 과학자들은 여전히 낙관적이며 NIF 연구원들은 최근에 기록적인 총격 사건의 결과를 발표하면서 싸우고 있습니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters) (129 075001). 그들은 결국 핵융합 반응으로 인한 가열이 냉각보다 더 큰 지점에 도달하여 플라즈마 온도를 빠르게 높이는 긍정적인 피드백 루프를 생성하는 "점화"를 달성했다고 주장합니다.
리버모어 핵융합 프로그램의 수석 과학자인 Omar Hurricane은 단순한 "에너지 손익분기점" 설명이 아닌 이러한 물리학 기반의 점화 정의가 실제로 중요하다고 주장합니다. 그럼에도 불구하고 그는 손익분기점 달성을 "다음 홍보 행사"로 설명하면서도 자신과 동료들이 도달하고 싶은 중요한 이정표로 남아 있다고 말합니다. 실제로 리버모어 연구소 외부의 물리학자들은 많이 논의된 목표가 달성될 것이라고 확신합니다. 스티븐 로즈 영국 임페리얼 칼리지(Imperial College)에서는 “모든 전망이 있다”는 손익분기점이 달성될 것이라고 믿습니다.
기록적인 이득
융합을 활용하려는 시도에는 가벼운 핵의 플라즈마를 해당 핵이 상호 반발력을 극복하고 결합하여 더 무거운 원소를 형성하는 지점까지 가열하는 것이 포함됩니다. 이 과정에서는 중수소와 삼중수소, 헬륨 핵(알파 입자) 및 중성자의 경우 새로운 입자뿐만 아니라 엄청난 양의 에너지도 생성됩니다. 플라즈마가 충분히 오랫동안 적절한 온도와 압력에서 유지될 수 있다면 알파 입자는 자체적으로 반응을 유지하기에 충분한 열을 제공해야 하며 중성자는 잠재적으로 차단되어 증기 터빈에 전력을 공급할 수 있습니다.
융합 토카막은 자기장을 사용하여 상당히 오랜 기간 동안 플라즈마를 가두어 둡니다. 대신에 "관성 제한" 장치인 NIF는 재팽창되기 전에 소량의 고압축 핵융합 연료 내부에서 한 순간 동안 생성되는 극한 조건을 활용합니다. 연료는 약 2cm 길이의 원통형 금속 "호흘라움(hohlraum)" 중앙에 위치한 직경 1mm의 구형 캡슐 내부에 배치되며, NIF의 정밀하게 지향된 레이저 빔이 홀라움 내부를 타격하여 엄청난 양의 연료를 생성하면 파열됩니다. 엑스레이.
토카막과 달리 NIF는 주로 에너지를 시연하기 위해 설계되지 않았지만 미국이 1992년에 실제 테스트를 중단했다는 점을 고려하면 핵무기 폭발을 시뮬레이션하는 데 사용되는 컴퓨터 프로그램에 대한 점검 역할을 합니다. 그러나 2009년에 스위치를 켠 후 곧 자체 운영을 안내하는 데 사용된 프로그램이 특히 플라즈마 불안정성을 처리하고 적절하게 대칭적인 파열을 생성할 때 관련된 어려움을 과소평가했다는 것이 분명해졌습니다. NIF가 2012년까지 점화를 달성하겠다는 초기 목표를 달성하지 못하자, 연구실을 감독하는 미국 국립 핵안보국(National Nuclear Security Administration)은 그 목표를 제쳐두고 폭발 역학을 더 잘 이해하는 시간 소모적인 작업에 집중했습니다.
2021년 초, 일련의 실험적 수정을 거쳐 허리케인과 동료들은 마침내 레이저를 사용하여 알파 입자의 열이 외부 에너지 공급을 초과하는 연소 플라즈마를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그런 다음 그들은 hohlraum의 레이저 입구 구멍을 줄이고 레이저의 피크 출력을 낮추는 등 일련의 추가 조정을 수행했습니다. 그 효과는 X선 에너지의 일부를 촬영 후반부로 이동시키는 것이었고, 이는 핵연료로 전달되는 전력을 높여 복사 및 전도 손실을 능가할 만큼 충분히 높이도록 했습니다.
2021년 210808월 NIF 연구원들은 획기적인 "NXNUMX" 샷을 기록했습니다. 이 경우 연료 중심의 핫스팟은 약 125억 1.37만 켈빈의 온도와 0.72MJ의 에너지 생산량을 가졌습니다. 이는 올해 초 얻은 이전 최고 결과보다 약 1.97배 더 높은 수치입니다. 이 새로운 수율은 레이저의 5.8MJ 출력과 비교할 때 XNUMX의 "목표 이득"을 암시하고 캡슐에 의해 흡수되는 에너지를 대신 고려할 때 XNUMX의 "캡슐 이득"을 의미합니다.
더 중요한 것은 허리케인에 관한 한 실험이 로슨의 발화 기준을 충족했다는 것입니다. 엔지니어이자 물리학자인 John Lawson이 1955년에 처음으로 제시한 이 이론은 핵융합 자체 가열이 전도 및 복사를 통해 손실되는 에너지를 초과하는 조건을 규정합니다. 허리케인은 NIF 결과가 관성 제한 핵융합 기준의 XNUMX가지 다른 공식을 충족하여 "모호함 없이" 점화되었음을 입증했다고 말합니다.
세 발 쏘면 넌 아웃이야
기록적인 총격을 가한 허리케인과 NIF의 일부 동료 과학자들은 그들의 성공을 재현하기를 열망했습니다. 그러나 연구실 경영진은 그다지 열정적이지 않았습니다. 에 따르면 마크 허먼, 그 후 리버모어의 기본 무기 물리학 부국장이었던 N210808 이후 다음 단계를 평가하기 위해 여러 실무 그룹이 구성되었습니다. 그는 관성밀폐 분야 전문가 10여명으로 구성된 관리팀이 이러한 연구 결과를 종합해 계획을 수립해 지난 XNUMX월 발표했다고 말했다.
Herrmann은 계획에 N210808 재생산 시도의 세 부분이 포함되어 있다고 말합니다. 기록적인 샷을 가능하게 한 실험 조건을 분석하는 단계; 그리고 "강력한 메가줄 수율"을 얻으려고 노력하고 있습니다. 첫 번째 요점에 대한 논의에는 Herrmann이 핵융합 프로그램에 참여하는 약 100명의 과학자들 사이에서 "다양한 의견"이라고 설명한 내용이 포함되었습니다. 결국 "제한된 자원"과 N210808이 포함된 배치의 제한된 수의 대상을 고려하여 관리 팀은 단 XNUMX개의 추가 샷만 결정했다고 말합니다.
허리케인은 네 번 반복됐다고 약간 다른 기억을 갖고 있다. 그는 이러한 실험이 대략 XNUMX개월에 걸쳐 수행되었으며 XNUMX월에 도달한 것의 XNUMX분의 XNUMX 미만에서 약 절반 정도의 수확량을 달성했다고 말했습니다. 그러나 그는 이 장면들이 여전히 "매우 좋은 실험"이었다고 주장하며, 로슨 기준의 일부 공식도 충족했다고 덧붙였습니다. 그는 성능의 차이가 “사람들이 묘사하는 것만큼 이분법적이지 않다”고 말합니다.
플라즈마 코팅 공정은 레시피이므로 빵을 굽는 것처럼 매번 똑같이 나오지는 않습니다.
오마르 허리케인
출력에 이러한 큰 변화를 일으킨 원인에 대해 Herrmann은 주요 가설은 산업용 다이아몬드로 만들어진 연료 캡슐의 공극과 디봇이라고 말합니다. 그는 이러한 결함이 내파 과정에서 증폭되어 다이아몬드가 핫스팟에 들어갈 수 있다고 설명합니다. 탄소는 중수소나 삼중수소보다 원자 번호가 더 높다는 점을 고려하면 훨씬 더 효율적으로 방출할 수 있으며, 이는 핫스팟을 냉각시키고 성능을 저하시킵니다.
허리케인은 다이아몬드가 샷 간 성능을 변화시키는 데 중요한 역할을 한다는 데 동의합니다. 그는 NIF 내파의 비선형성을 고려할 때 출력에 큰 변화가 있을 것으로 예상된다는 점을 지적하면서 관련 과학자들이 캡슐 제작 중에 사용되는 플라즈마 코팅 공정을 완전히 이해하지 못하고 있다고 말했습니다. "그것은 레시피이기 때문에 빵을 굽는 것처럼 매번 똑같은 결과가 나올 수는 없습니다."라고 그는 말합니다.
핵융합에너지로 가는 길
허리케인은 팀이 현재 캡슐 품질을 향상시키는 것 외에도 NIF의 생산량을 높이는 여러 가지 방법을 조사하고 있다고 말했습니다. 여기에는 캡슐 두께 변경, 홀라움의 크기 또는 형상 변경, 레이저 펄스 에너지를 약 2.1MJ로 증가시켜 표적에 필요한 정밀도를 낮추는 것이 포함됩니다. 그는 목표 이득에 관한 한 "마법의 숫자는 없다"고 말하지만 이득이 높을수록 비축 관리를 수행할 때 탐색할 수 있는 매개변수 공간이 더 커진다고 덧붙였습니다. 그는 또한 레이저가 들어오는 전기 에너지 중에서 대상의 빛으로 변환하는 양이 얼마나 적은지(NIF의 경우 1% 미만)를 고려할 때 게인이 1이라고 해서 시설이 순 에너지를 생성한다는 의미는 아니라고 지적합니다.
점화까지의 먼 길
로체스터 대학의 마이클 캠벨 미국에서는 홀라움(hohlraum)과 목표가 적절하게 개선된다면 NIF가 "향후 1~2년 동안" 최소 5의 이익을 달성할 수 있다고 생각합니다. 그러나 그는 50~100의 상업적으로 관련된 이득을 얻으려면 목표물을 압축하기 위해 X선을 생성하는 NIF의 "간접 구동"에서 잠재적으로 더 효율적이지만 더 까다로운 "직접 구동"으로 전환해야 한다고 주장합니다. 레이저 방사선 자체.
수십억 달러가 필요할 것임에도 불구하고 Campbell은 적절한 직접 운전 시설이 2030년대 말까지 그러한 이익을 보여줄 수 있을 것이라고 낙관하고 있습니다. 특히 민간 부문이 참여할 경우 더욱 그렇습니다. 그러나 그는 상업용 발전소는 적어도 XNUMX세기 중반까지는 가동을 시작하지 않을 것이라고 경고했습니다. “핵융합 에너지는 장기적으로 볼 수 있는 문제입니다. 저는 사람들이 이러한 도전에 대해 현실적이어야 한다고 생각합니다.”라고 그는 말합니다.
