관성 구속 융합

Inertial confinement fusion
레이저를 이용한 관성 구속 융합은 1970년대 후반과 1980년대 초반에 불과 몇 줄의 레이저 에너지(펄스당)를 전달할 수 있었던 것에서 수십 킬로 줄의 에너지를 목표물에 전달할 수 있는 것으로 급속히 진행되었습니다.이 시점에서 실험을 위해서는 매우 큰 과학적 장치가 필요했습니다.여기, 1984년 레이저가 완성된 직후에 보여진 10빔 LLNN Nova 레이저의 모습입니다.그 전신인 시바 레이저가 건설되던 무렵, 레이저 핵융합은 "큰 과학"의 영역에 들어섰습니다.

관성 구속 융합(ICF)은 연료로 채워진 표적을 압축하고 가열함으로써 핵융합 반응을 시작하는 핵융합 에너지 공정입니다.대상은 일반적으로 중수소(2H)와 삼중수소(3H)를 포함하는 작은 펠릿입니다.

에너지는 목표물의 바깥쪽 층에 축적되고 바깥쪽으로 폭발합니다.이것은 표적을 통과하는 충격파의 형태로 반작용력을 만들어냅니다.파도가 그것을 압축하고 가열합니다.충분히 강력한 충격파는 핵융합을 일으킵니다.

ICF는 핵융합 에너지 연구의 두 가지 주요 분야 중 하나이며, 다른 하나는 자기 구속 융합(MCF)입니다.1970년대 초에 처음 제안되었을 때, ICF는 전력 생산에 대한 실용적인 접근법으로 보였고 그 분야는 번창했습니다.실험 결과 이러한 장치의 효율성은 예상보다 훨씬 떨어졌습니다.1980년대와 90년대에 걸쳐 고강도 레이저 빛과 플라즈마의 상호작용을 이해하기 위한 실험이 진행되었습니다.이로 인해 점화 에너지를 생성하는 훨씬 더 큰 기계가 설계되었습니다.

가장 큰 운영 ICF 실험은 미국의 NIF(National Ignition Facility)입니다.2022년, NIF는 융합을 만들어 2.05 메가줄(MJ)의 에너지를 3.15 MJ의 에너지를 생산한 목표물에 공급했는데, 이는 ICF 장치가 목표물에 공급된 에너지보다 더 많은 에너지를 생산한 최초의 사례입니다.[1][2]

묘사

퓨전 기초

주요 기사:핵융합

핵융합 반응은 더 작은 원자들을 결합하여 더 큰 원자들을 형성합니다.이것은 두 개의 원자(또는 이온, 전자를 빼앗긴 원자)가 서로 충분히 가까워져서 핵력이 그들을 떨어져 있게 하는 정전기력을 지배할 때 발생합니다.정전기적 반발을 극복하려면 쿨롱 장벽이나 융합 장벽을 극복하기에 충분한 운동 에너지가 필요합니다.[3]

더 가벼운 핵들이 더 적은 전하를 가지고 있기 때문에 핵융합을 일으키는 데 필요한 에너지가 더 적습니다.따라서 수소에 대한 장벽이 가장 낮습니다.반대로 핵력은 핵자의 수에 따라 증가하므로 추가 중성자를 포함하는 수소 동위원소는 필요한 에너지를 감소시킵니다.가장 쉬운 연료는 D-T로 알려진 H와 H의 혼합물입니다.[3]

핵융합이 일어날 확률은 연료 밀도와 온도, 밀도와 온도가 유지되는 시간의 함수입니다.이상적인 조건에서도 D 및 T 쌍 퓨즈가 발생할 가능성은 매우 작습니다.밀도가 높고 시간이 길수록 원자들 간의 더 많은 만남이 가능합니다.이 단면은 개별 이온 에너지에 더 의존합니다.이 조합, 즉 융합 삼중항 생성물이 로슨 기준에 도달해야 점화가 가능합니다.[4]

열핵소자

참고 항목:텔러-울람 디자인

최초의 ICF 장치는 1950년대 초에 발명된 수소폭탄입니다.수소폭탄은 하나의 경우에 두 개의 폭탄으로 구성됩니다.첫 번째, 1차 단계는 보통 플루토늄을 사용하는 핵분열 장치입니다.폭발하면 특수 제작된 폭탄 케이스 내부를 가득 채우는 열선 X선이 터집니다.이 X선들은 대부분 핵융합 연료로 구성된 2차 단계를 둘러싼 특별한 물질에 의해 흡수됩니다.엑스레이는 이 물질을 가열하고 폭발을 일으킵니다.이는 뉴턴의 제3법칙에 의해 내부의 연료가 내부로 구동되어 압축 및 가열됩니다.이것은 핵융합 연료가 핵융합 반응이 시작되는 온도와 밀도에 도달하게 합니다.[5][6]

D-T 연료의 경우 대부분의 에너지가 알파 입자와 중성자 형태로 방출됩니다.일반적인 조건에서는 알파가 연료를 통해 10mm 정도 이동할 수 있지만 압축 연료의 초밀도 조건에서는 0.01mm 정도 이동한 후 주변 플라즈마와 상호작용하여 속도를 잃습니다.[7]이는 알파가 방출하는 대부분의 에너지가 연료에 재증착됨을 의미합니다.이러한 운동 에너지의 전달은 주변의 입자들을 핵융합에 필요한 에너지로 가열합니다.이 과정을 통해 핵융합 연료가 중앙에서 바깥쪽으로 연소됩니다.전기적으로 중성인 중성자는 연료 질량 내에서 먼 거리를 이동하며 이러한 자체 가열 과정에 기여하지 못합니다.폭탄에서는 대신 리튬-중수소 연료의 반응을 통해 삼중수소를 번식하거나 2차 단계(종종 폭탄 케이스의 일부)를 둘러싼 추가 핵분열성 연료를 분할하는 데 사용됩니다.[5]

핵분열 폭탄에 의해 반응이 촉발되어야 한다는 요구사항 때문에 이 방법은 발전에 비현실적입니다.핵분열 유발 물질을 만드는 것은 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 그러한 폭탄의 최소 크기는 크고, 대략적으로 사용되는 플루토늄 연료의 임계 질량에 의해 정의됩니다.일반적으로, 약 1킬로톤보다 훨씬 작은 효율적인 핵융합 장치를 만드는 것은 어려울 것으로 보이며, 핵융합 2차 핵융합 장치는 이 수율을 증가시킬 것입니다.이것은 결과적인 폭발로부터 전력을 추출하는 어려운 엔지니어링 문제로 만듭니다.프로젝트 PACER는 엔지니어링 문제에 대한 해결책을 연구했지만 [6]경제적으로 실현 가능하지 않다는 것을 증명했습니다.폭탄의 비용은 결과적인 전기의 가치보다 훨씬 더 컸습니다.[8]

작용기전

쿨롱 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지는 1억 K로 가열된 기체에서 평균 입자의 에너지에 해당합니다.수소의 비열은 그램-K 당 약 14 줄이므로, 1 밀리그램 연료 펠렛을 고려하면 질량을 이 온도까지 끌어올리는 데 필요한 에너지는 1.4 메가 줄(MJ)입니다.[9]

보다 광범위하게 개발된 자기 융합 에너지(MFE) 접근 방식에서 구속 시간은 1초 정도입니다.하지만, 플라즈마는 몇 분 동안 지속될 수 있습니다.이 경우 구속 시간은 다양한 메커니즘을 통해 반응에서 나온 에너지가 환경으로 손실되는 데 걸리는 시간을 나타냅니다.1초 구속의 경우 로손 기준을 충족하는 데 필요한 밀도는 입방 센티미터(cc)당 약 10개의14 입자입니다.[9]비교를 위해, 해수면의 공기는 약 2.7 x 1019 입자/cc를 가지고 있으므로, MFE 접근법은 "좋은 진공"이라고 설명되어 왔습니다.

액체 형태의 D-T 연료 1mg 방울을 고려하면 크기는 약 1mm, 밀도는 약 4x1020/cc입니다.그 어떤 것도 연료를 결합시키지 못합니다.핵융합 사건에 의해 생성된 열은 소리의 속도로 팽창하게 하고, 이는 약 2 x 10초의−10 구속 시간으로 이어집니다.액체 밀도에서 필요한 구속 시간은 약 2 x 10초입니다−7.이 경우 낙하물이 분해되기 전에 연료의 약 0.1%만 퓨즈를 사용합니다.[10]

핵융합 반응 속도는 밀도의 함수이며 압축을 통해 밀도를 향상시킬 수 있습니다.낙하물이 직경 1 mm에서 0.1 mm로 압축되면 입자가 빠져나오기 전에 이동할 수 있는 거리가 적기 때문에 구속 시간이 10배로 줄어듭니다.그러나 차원의 세제곱인 밀도는 1,000배 증가합니다.이는 전체 핵융합 속도가 1,000배 증가하는 반면 구속은 10배 감소하여 100배 향상된다는 것을 의미합니다.이 경우 연료의 10%는 핵융합 작용을 하며, 1mg의 연료 중 10%는 해당 밀도까지 압축하는 데 필요한 양의 30배에 달하는 약 30 MJ의 에너지를 생성합니다.[11]

ICF의 또 다른 핵심 개념은 전체 연료 질량을 1억 K로 올릴 필요가 없다는 것입니다.핵융합 폭탄에서는 내부에 방출된 알파 입자가 주변의 연료를 가열하기 때문에 반응이 계속됩니다.액체 밀도에서 알파는 약 10mm 이동하여 에너지가 연료를 빠져나갑니다.0.1mm 압축 연료에서 알파의 범위는 약 0.016mm로 연료 내에서 정지하고 가열합니다.이 경우 연료의 중심 부분만 필요한 온도로 가열하면 "전파 연소"가 발생할 수 있습니다.이것은 훨씬 적은 에너지를 필요로 합니다. 계산 결과 압축 목표에 도달하기에 1 kJ이면 충분합니다.[12]

연료가 압축되고 밀도가 충분히 높은 상태에서 내부를 융해 온도로 가열하려면 어떤 방법이 필요합니다.[12]현대 ICF 장치에서 압축 연료 혼합물의 밀도는 물의 밀도의 1,000배 또는 납의 100배인 약 1,000g/cm입니다3.[13]1970년대 이후 대부분의 작업은 연소를 시작하는 중심 핫스팟을 만드는 방법과 원하는 밀도에 도달하는 데 있어 많은 현실적인 문제를 해결하는 방법에 있어 왔습니다.

레이저를 이용한 관성 구속 융합 단계 도식화파란색 화살표는 방사선을 나타내고, 주황색은 방출되고, 노란색은 내부로 열 에너지를 운반합니다.
  1. 레이저 빔 또는 레이저로 생성된 엑스레이는 융합 대상의 표면을 빠르게 가열하여 주위의 플라즈마 포락선을 형성합니다.
  2. 연료는 뜨거운 표면 물질의 로켓과 같은 분출에 의해 압축됩니다.
  3. 캡슐 내폭의 마지막 부분에서 연료심은 납 밀도의 20배에 이르고 100,000,000 ˚C에서 점화됩니다.
  4. 열핵 연소는 압축 연료를 통해 빠르게 확산되어 입력 에너지의 몇 배를 생산합니다.

난방개념

초기 계산에 따르면 연료를 점화하는 데 필요한 에너지 양은 매우 적지만, 이는 이후의 경험과 일치하지 않습니다.

핫 스팟 점화

Plot of NIF results from 2012 to 2021
2012년부터 2021년까지의 NIF 결과 그림.오른쪽의 높은 출력은 핵융합 연소로 인해 방출되는 에너지가 연료를 통해 전파하기 때문입니다.레이저 입력은 이 모든 샷에서 거의 동일하므로 훨씬 높은 출력은 상당히 높은 이득을 나타냅니다.

난방 문제에 대한 최초의 해결책은 에너지 전달의 의도적인 "형성"을 포함했습니다.이 아이디어는 초기의 낮은 에너지 펄스를 사용하여 캡슐을 기화시켜 압축을 일으킨 다음 압축 사이클이 끝날 무렵에 매우 짧고 매우 강력한 펄스를 사용하는 것이었습니다.목표는 중앙으로 안쪽으로 이동하는 압축 연료에 충격파를 가하는 것입니다.그들이 중심에 다다르면 다른 쪽에서 밀려오는 파도를 만나게 됩니다.이로 인해 중앙의 밀도가 800g/cm3 이상으로 훨씬 높은 값에 도달하는 짧은 기간이 발생합니다.[14]

중앙 핫 스팟 점화 개념은 ICF가 융합으로 가는 실용적인 경로일 뿐만 아니라 비교적 간단하다는 것을 처음으로 시사했습니다.이것은 1970년대 초반에 작업 시스템을 만들기 위한 수많은 노력으로 이어졌습니다.이러한 실험을 통해 예상치 못한 손실 메커니즘이 밝혀졌습니다.초기 계산에서는 약 4.5x107 J/g이 필요하다고 제시했지만, 현대 계산에서는 108 J/g에 가깝습니다.더 잘 이해하면 펄스를 여러 시간 간격으로 복잡하게 형성할 수 있습니다.[15]

급속점화

고속 점화 방식은 별도의 레이저를 사용하여 연료 중앙에 직접 추가 에너지를 공급합니다.이 작업은 기계적으로 수행할 수 있으며, 종종 작은 금속 원뿔을 사용하여 외부 연료 펠릿 벽을 천공하여 에너지를 중앙으로 주입합니다.테스트에서, 이 방법은 레이저 펄스가 정확한 순간에 중심에 도달해야 하는 반면 압축 펄스의 잔해와 자유 전자에 의해 중앙이 가려지기 때문에 실패했습니다.또한 일반적으로 완전히 별개의 레이저를 사용하는 두 번째 레이저 펄스가 필요하다는 단점이 있습니다.

충격발화

충격 점화는 핫스팟 기술과 유사하지만 압축 가열을 통해 점화하는 대신 나중에 압축과 충격 가열을 통해 강력한 충격파를 연료로 보냅니다.이는 공정의 효율성을 높이는 동시에 전체적으로 필요한 전력량을 감소시킵니다.

직접 드라이브 대 간접 드라이브

간접 구동 레이저 ICF는 내부 표면의 양쪽에서 레이저 빔 콘이 조사되는 홀라움을 사용하여 내부에 있는 융합 마이크로 캡슐을 매끄러운 고강도 X선으로 목욕시킵니다.여기 주황색/빨간색으로 표시된 구멍을 통해 가장 높은 에너지의 X선이 새어 나오는 것을 볼 수 있습니다.

가장 간단한 관성 구속 방법에서는 연료가 구형으로 배열됩니다.이를 통해 모든 면에서 균일하게 압축할 수 있습니다.안쪽 힘을 만들기 위해, 연료는 운전석 빔으로부터 에너지를 흡수하는 얇은 캡슐 안에 놓이게 되고, 캡슐 껍질이 바깥쪽으로 폭발하게 됩니다.캡슐 쉘은 통상적으로 경량 플라스틱으로 제작되며, 쉘 내부에 기체 상태의 연료를 주입하고 동결함으로써 연료가 내부에 층으로 증착됩니다.

운전자 빔을 연료 캡슐에 직접 비추는 것을 "직접 구동"이라고 합니다.레일리-테일러 불안정 및 유사한 영향으로 인한 비대칭을 방지하기 위해서는 내폭 과정이 매우 균일해야 합니다.1 MJ의 빔 에너지의 경우, 연료 캡슐은 이러한 효과가 내폭 대칭을 방해하기 전에 약 2 mm보다 클 수 없습니다.이로 인해 레이저 빔의 크기가 실제로 달성하기 어려울 정도로 좁은 직경으로 제한됩니다.

또는 "간접 구동"은 종종 금이나 납으로 된 중금속으로 된 작은 실린더를 조명하며, 이를 홀라움이라고도 합니다.빔 에너지는 엑스레이를 방출할 때까지 구멍을 가열합니다.이 엑스레이는 구멍의 내부를 채우고 캡슐을 가열합니다.간접 구동의 장점은 빔이 더 크고 정확도가 낮을 수 있다는 것입니다.단점은 전달되는 에너지의 상당 부분이 홀라움이 "X선 고온"이 될 때까지 가열하는 데 사용되기 때문에 단대단 에너지 효율이 직접 구동 방식보다 훨씬 낮다는 것입니다.

과제들

금도금 국가점화시설(NIF) 홀라움 모형

ICF 성능 향상에 따른 주요 과제는 다음과 같습니다.

  • 목표물에 전달되는 에너지 개선
  • 인플로딩 연료의 대칭 제어
  • 충분한 밀도에 도달할 때까지 연료 가열 지연
  • 유체역학적 불안정성에 의한 고온 및 저온 연료의 조기 혼합 방지
  • 연료 중심에서 충격파 수렴 달성

충격파를 표적의 중심에 집중시키려면 표적의 (내부 및 외부) 표면에 수 마이크로미터 이하의 공차로 매우 정밀하고 구형화되어야 합니다.레이저는 공간과 시간을 정확하게 겨냥해야 합니다.빔 타이밍은 비교적 간단하며, 피코초 정확도를 달성하기 위해 빔의 광 경로에서 지연 라인을 사용함으로써 해결됩니다.다른 주요 문제는 소위 "빔-빔" 불균형과 빔 이방성입니다.이러한 문제들은 각각, 하나의 빔에 의해 전달되는 에너지가 충돌하는 다른 빔들보다 높거나 낮을 수 있고, 타겟 표면에 불균일한 압축을 유도하는 타겟에 부딪히는 빔 직경 내의 "핫 스팟"이 있어서, 연료 내에 레일리-테일러 불안정성을[16] 형성할 수 있습니다.너무 빨리 혼합하여 최대 압축 순간에 난방 효율을 저하시킵니다.리흐트마이어-메쉬코프 불안정성은 충격파로 인해 공정 중에도 형성됩니다.

Nova Laser에 의해 압축되는 기계식 섭동으로 원통형 표적에 채워진 거품인 관성 구속 융합 표적.이 사진은 1995년에 찍은 것입니다.이미지는 대상의 압축뿐만 아니라 레일리-테일러 불안정성의 성장도 보여줍니다.[17]

이러한 문제는 빔 평활화 기술 및 빔 에너지 진단을 통해 완화되었지만, RT 불안정성은 여전히 주요 문제로 남아 있습니다.현대의 극저온 수소 얼음 표적은 껍질 내부에 얇은 중수소층을 얼리는 경향이 있으며, 껍질 내부 표면을 매끄럽게 하고 현미경이 장착된 카메라로 감시하기 때문에 껍질 내부를 정밀하게 감시할 수 있습니다.[18]D-T로 채워진 극저온 표적은 삼중수소 붕괴에 의해 생성되는 적은 양의 열로 인해 "자기 평활화"됩니다.이를 "베타 계층화"라고 합니다.[19]

중수소와 삼중수소 가스 또는 DT 얼음으로 채워질 수 있는 NIF에 사용되는 크기의 관성 감금 융합 연료 마이크로 캡슐("마이크로 풍선"이라고도 함).캡슐은 (위와 같이) 구멍에 삽입되어 간접 구동 모드에서 삽입되거나 직접 구동 구성에서 레이저 에너지로 직접 조사될 수 있습니다.이전의 레이저 시스템에 사용된 마이크로 캡슐은 이전의 레이저가 표적에 전달할 수 있는 강도가 낮았기 때문에 훨씬 더 작았습니다.

간접 구동 방식에서는 레이저 광을 직접 흡수하는 것보다 타겟이 열선을 흡수하는 것이 [20]더 효율적입니다.하지만, 구멍은 난방에 상당한 에너지를 사용하여 에너지 전달 효율을 크게 저하시킵니다.주로 X선 방사선에 의해 무기의 핵융합 연료도 내파되기 때문에 간접 구동 구멍 표적이 열핵무기 실험을 시뮬레이션하는 데 사용되는 경우가 가장 많습니다.

ICF 드라이버가 진화하고 있습니다.레이저는 몇 줄과 킬로와트에서 메가줄과 수백 테라와트까지 확장되었으며, 대부분 네오디뮴 유리 증폭기의 주파수를 두 배 또는 세 배로 사용했습니다.[citation needed]

중이온 빔은 생성, 제어 및 초점 조절이 용이하기 때문에 상업적 발전에 특히 흥미롭습니다.그러나 표적을 효율적으로 삽입하는 데 필요한 에너지 밀도를 달성하는 것은 어려우며, 대부분의 이온 빔 시스템은 방사선 조사를 원활하게 하기 위해 표적을 둘러싸는 구멍을 사용해야 합니다.[citation needed]

역사

참고 항목:핵융합 연대표

착상

미국

ICF 역사는 1957년 "평화를 위한 원자" 회의의 일부로 시작되었습니다.이것은 미국과 소련 사이의 유엔이 후원하는 국제회의였습니다.물이 찬 동굴을 가열하기 위해 수소폭탄을 사용하는 것에 대해 생각해 보았습니다.그 후 생성된 증기는 기존 발전기에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있으며, 이에 따라 전력을 공급할 수 있습니다.[6]

이 회의는 1957년 6월에 결성되어 1961년에 공식적으로 명명된 Plowshare 작전으로 이어졌습니다.프로젝트 PACER에 따른 에너지 발전, 굴착을 위한 핵폭발 사용, 천연가스 산업에서의 프래킹 등 세 가지 주요 개념이 포함되어 있었습니다.PACER는 1961년 12월 뉴멕시코에서 3kt Project Gnome 장치가 소금에 절여 폭발했을 때 직접 실험되었습니다.언론이 지켜보는 가운데 실험장에서 조금 떨어진 드릴 샤프트에서 방사능 증기가 방출됐습니다.이후의 연구들은 자연적인 것을 대체하기 위해 공학적으로 만들어진 공동을 설계했지만, Plowshare는 특히 1962년의 Sedan이 실패한 후에 나쁜 것에서 나쁜 것으로 바뀌었습니다.PACER는 1975년 제3자 연구에서 PACER의 전기 비용이 기존 원자력 발전소 비용의 10배가 될 것이라는 것을 증명할 때까지 자금을 계속 지원받았습니다.[21]

Atoms For Peace의 또 다른 결과는 존 너콜스로 하여금 연료 질량이 감소함에 따라 폭탄의 핵융합면에서 어떤 일이 일어나는지 고려하도록 유도한 것입니다.이 연구는 밀리그램 단위의 크기에서는 핵분열 1차보다 훨씬 적은 양의 연료를 점화하는 데 필요한 에너지가 거의 없다는 것을 암시했습니다.[6]그는 사실상 구멍 중앙에 매달린 D-T 연료의 아주 작은 방울을 사용하여 작은 전융합 폭발물을 만들 것을 제안했습니다.포탄은 연료를 조사하기 위해 내부에 X선을 가두는 H-폭탄의 폭탄 케이스와 같은 효과를 제공했습니다.가장 큰 차이점은 X선이 외부에서 X선 영역에서 빛날 때까지 껍질을 가열하는 외부 장치에 의해 공급된다는 것입니다.전력은 그가 폭탄 용어를 사용하여 "1차"라고 언급한 당시 정체불명의 펄스 전원에 의해 전달될 것입니다.[22]

이 방식의 주된 장점은 높은 밀도에서 융합 효율성입니다.Lawson 기준에 따르면, 주변 압력에서 D-T 연료를 손익분기점 조건으로 가열하는 데 필요한 에너지의 양은 같은 비율의 융합을 제공하는 압력으로 압축하는 데 필요한 에너지의 100배입니다.따라서 이론적으로 ICF 접근 방식은 훨씬 더 많은 이득을 얻을 수 있습니다.[22]이는 자기 융합 에너지의 경우와 같이 연료가 천천히 가열되는 기존 시나리오의 에너지 손실을 고려하면 이해할 수 있습니다. 환경에 대한 에너지 손실률은 연료와 주변 환경 사이의 온도 차이를 기반으로 하며, 연료 온도가 증가함에 따라 계속 증가합니다.ICF의 경우, 홀 전체가 고온 방사선으로 채워져 손실을 제한합니다.[23]

독일.

1956년 독일 막스 플랑크 연구소에서 핵융합의 선구자인 카를 프리드리히 폰 바이제커에 의해 회의가 조직되었습니다.이 회의에서 프리드워트 윈터버그는 높은 폭발물로 구동되는 수렴 충격파에 의한 열핵 미세 폭발의 비분열 점화를 제안했습니다.[24]독일에서 핵 미세 폭발(미니핵)에 대한 빈터베르크의 연구에 대한 추가 언급은 구 동독 슈타시(Staatsicherheitsdienst)의 기밀 해제 보고서에 포함되어 있습니다.[25]

1964년 윈터버그는 초속 1000 km까지 가속된 마이크로 입자의 강렬한 빔에 의해 점화가 가능하다고 제안했습니다.[26]1968년, 그는 같은 목적으로 마르크스 발전기에 의해 생성된 강렬한 전자와 이온 빔을 사용할 것을 제안했습니다.[27]이 제안의 장점은 하전 입자 빔이 레이저 빔에 비해 가격이 저렴할 뿐만 아니라 강한 자기 빔 장으로 인해 하전된 융합 반응 생성물을 포착할 수 있어 빔 점화 원통형 타겟에 대한 압축 요구 사항을 크게 줄일 수 있다는 것입니다.

소비에트 연방

1967년, 연구 동료 구르겐 아스카리안은 중수소 리튬의 융합에 집속 레이저 빔의 사용을 제안하는 논문을 발표했습니다.[28]

초기연구

1950년대 후반까지 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 협력자들은 ICF 개념의 컴퓨터 시뮬레이션을 완성했습니다.1960년 초, 그들은 밀집된 껍질 안에서 1 mg의 D-T 연료의 내폭에 대한 완전한 시뮬레이션을 수행했습니다.시뮬레이션 결과, 구멍에 5 MJ의 전력을 입력하면 50 MJ의 융합 출력이 발생하고, 이는 10배 증가하는 것으로 나타났습니다.이것은 레이저 이전이었고 펄스 동력 기계, 대전 입자 가속기, 플라즈마 총 및 고속 펠릿 총을 포함한 다양한 다른 가능한 드라이버가 고려되었습니다.[29]

두 가지 이론적 진보가 그 분야를 발전시켰습니다.하나는 펄스에서 전달되는 에너지의 타이밍을 고려한 새로운 시뮬레이션에서 나온 것으로, "펄스 형상"으로 알려져 있으며, 이는 더 나은 내폭으로 이어집니다.두 번째는 거의 단단한 공과 반대로 얇은 껍질을 형성하면서 껍질을 훨씬 더 크고 얇게 만드는 것이었습니다.이러한 두 가지 변화는 내폭 효율을 크게 높였고 따라서 필요한 압축 에너지를 크게 낮췄습니다.이러한 개선을 통해 약 1 MJ의 드라이버가 필요한 것으로 계산되었습니다.[30] 이는 5배 감소한 수치입니다.이후 2년 동안 다른 이론적 발전이 제안되었는데, 특히 레이 키더의 홀라움 없는 내폭 시스템 개발, 소위 "직접 구동" 접근법과 스털링 콜게이트와 론 자바우스키의 D-T 연료를 1μg 이하로 사용하는 시스템에 대한 연구가 이에 해당합니다.[31]

1960년 캘리포니아의 Hughes Research Laboratories에서 레이저의 도입은 완벽한 운전자 메커니즘을 보여주는 것처럼 보였습니다.1962년부터 리버모어의 감독 존 S. 포스터 주니어와 에드워드 텔러는 작은 ICF 레이저 연구를 시작했습니다.이 초기 단계에서도 ICF의 무기 연구에 대한 적합성은 잘 이해되었고, ICF의 자금 지원의 주된 이유였습니다.[32]이후 10년 동안 LLNL은 기본적인 레이저-플라스마 상호 작용 연구를 위한 작은 실험 장치를 만들었습니다.

개발이 시작됩니다.

1967년 Kip Siegel은 KMS Industries를 시작했습니다.1970년대 초에 그는 레이저 기반 ICF 시스템 개발을 시작하기 위해 KMS Fusion을 만들었습니다.[33]이러한 개발은 KMS가 공개적으로 ICF를 개발하는 것을 허용해서는 안 된다는 다양한 이유를 제시한 LLNL을 포함한 무기 연구소들의 상당한 반발로 이어졌습니다.이러한 반대는 자금 지원을 요구하는 원자력 위원회를 통해 해결되었습니다.공격적인 소련 ICF 프로그램, 새로운 고출력 CO2 및 유리 레이저, 전자빔 드라이버 개념, 그리고 많은 에너지 프로젝트에 자극을 준 에너지 위기에 대한 소문이 배경 소음에 더했습니다.[32]

1972년 John Nuckolls는 ICF를 소개하고 테스트베드 시스템이 kJ 범위의 드라이버와 융합을 생성하고 MJ 드라이버와 고이득 시스템을 생성할 수 있다고 제안하는 논문을 썼습니다.[34][35]

KMS Fusion은 1974년 5월 1일, 한정된 자원과 비즈니스 문제에도 불구하고 IFC Fusion을 성공적으로 시연했습니다.[36]이 성공은 곧 시겔의 죽음과 1년 후 KMS 퓨전의 종료로 이어졌습니다.[33]이 때까지 여러 무기 연구소와 대학들이 자체 프로그램을 시작했는데, 특히 LLNL과 로체스터 대학의 고체 레이저(Nd:glass laser)와 로스앨러모스와 해군 연구소의 크립톤 플루오린화 엑시머 레이저 시스템이 대표적이었습니다.

"고에너지" ICF

고에너지 ICF 실험은 1970년대 초에 시작되었는데, 이때 더 나은 레이저가 등장했습니다.핵융합 연구를 위한 자금 지원은 에너지 위기로 인해 빠른 성능 향상이 이루어졌으며 관성 설계는 곧 최고의 MCF 시스템과 동일한 종류의 "균등 이하" 조건에 도달했습니다.

특히 LLNL은 자금을 잘 지원받아 레이저 핵융합 개발 프로그램을 시작했습니다.그들의 야누스 레이저는 1974년에 작동을 시작했고, 고출력 장치에 Nd:glass 레이저를 사용하는 방법을 검증했습니다.Long path와 Cyclops 레이저에서 포커싱 문제가 조사되었으며, 이는 Argus 레이저가 더 커졌습니다.이 중 어떤 것도 실용적인 장치가 될 의도는 없었지만, 이 접근 방식이 유효하다는 자신감을 높였습니다.그 후 사이클롭스 타입의 훨씬 더 큰 장치는 목표물을 압축하고 가열하여 점화를 유도할 수 있다고 믿었습니다.이 잘못된 생각은 소위 "폭발 푸셔" 연료 캡슐을 사용한 실험에서 본 핵융합 수율의 외삽에 근거한 것입니다.1970년대 후반과 1980년대 초반 동안 플라즈마 불안정성과 레이저-플라즈마 에너지 커플링 손실 모드가 점점 더 이해됨에 따라 점화를 달성하는 데 필요한 목표 레이저 에너지 추정치는 거의 매년 두 배로 증가했습니다.폭발적인 푸셔 목표 설계와 단일 자릿수 킬로줄(kJ) 레이저 조사 강도는 결코 높은 수율로 확장되지 않는다는 사실을 깨달았기 때문에 레이저 에너지를 자외선 대역에서 100 kJ 수준으로 증가시키려는 노력과 첨단 애블레이터 및 극저온 DT 얼음 목표 설계의 제작으로 이어졌습니다.

시바와 노바

ICF 드라이버 설계에서 가장 초기의 대규모 시도 중 하나는 1978년에 작동을 시작한 LLN의 20빔 네오디뮴 도핑 유리 레이저 시스템인 시바 레이저였습니다.시바는 융합 연료 캡슐을 수소 액체 밀도의 몇 배로 압축하는 것을 보여주기 위한 "개념 증명" 디자인이었습니다.이 과정에서 시바는 중수소 액체 밀도의 100배에 도달하는 데 성공했습니다.그러나 레이저의 뜨거운 전자와의 결합으로 인해 밀도가 높은 플라즈마의 조기 가열이 문제가 되었고 융합 수율이 낮았습니다.압축된 플라즈마를 효율적으로 가열하지 못한 것은 351 nm에서 레이저에서 자외선으로 적외선을 3배로 주파수를 증가시키는 해결책으로 광 주파수 승수기의 사용을 지적했습니다.1980년 레이저 에너제틱스 연구소에서 발견된 레이저 빛의 주파수를 효율적으로 3배로 늘리기 위한 계획은 24빔 OMEGA 레이저와 NOVETET 레이저로 실험되었으며, 이어서 시바의 에너지의 10배를 사용한 노바 레이저 설계가 시작되었으며, 점화에 도달하는 것을 목표로 한 최초의 설계입니다.

Nova도 실패했는데, 이번에는 표적의 조사 평활도에 큰 불균일이 발생하고 비대칭 내폭이 발생하는 필라멘트로 인해 빔의 레이저 강도(및 빔 간 강도 차이)가 심하게 변화했기 때문입니다.이전에 개척된 기술로는 이러한 새로운 문제를 해결할 수 없었습니다.이 실패는 내폭 과정을 훨씬 더 잘 이해하도록 이끌었고, 다시 앞으로 나아갈 길은 분명해 보였습니다. 즉, 조사의 균일성을 높이고, 빔 스무딩 기술을 통해 레이저 빔의 핫 스팟을 줄여 레일리-테일러 불안정성을 줄이고, 목표물에 대한 레이저 에너지를 최소 10배 이상 증가시키는 것입니다.1980년대에는 자금 지원이 제한적이었습니다.

국가점화시설

국가점화시설대상실

국립 점화 시설(National Ignition Facility)이라고 불리는 192 빔 설계는 1997년에 LLN에서 건설을 시작했습니다.NIF의 주요 목표는 LLNLs 전통적인 폭탄 제조 역할을 지원하는 소위 핵 스튜어드십 프로그램의 대표적인 실험 장치로 운영되는 것입니다.2009년 3월에 완성된 [37]NIF 실험은 레이저에 의한 전력 공급에 새로운 기록을 세웠습니다.[38][39]2013년 9월 27일, 처음으로 핵융합 에너지가 중수소-삼중수소 연료에 흡수된 에너지보다 더 커졌습니다.[40][41][42]2018년 6월, NIF는 54kJ의 융합 에너지 출력의 기록적인 생산을 발표했습니다.[43]2021년[44] 8월 8일 NIF는 1.3을 생산했습니다.2018년 결과보다 25배 높은 출력의 MJ는 에너지 아웃과 에너지 인이 일치할 때 점화의 손익분기점 정의의 70%를 생성합니다.[45]2022년 12월 현재, NIF는 약 1.5의 에너지 증가를 위해 2.05 메가 줄의 레이저 광 입력(1 kg의 물을 끓이는 데 필요한 에너지보다 다소 적은 에너지)으로 3.15 메가 줄의 에너지를 생산하는 실험으로 2022년 12월 5일 과학적 손익분기점을 달성한 최초의 융합 실험이 되었다고 주장합니다[46].[47][48][49][50]

급속점화

급속 점화는 압축 후 연료를 직접 가열하여 가열 및 압축 단계를 분리할 수 있습니다.이 접근 방식에서는 우선 레이저 시스템을 사용하여 표적을 "정상적으로" 압축합니다.내폭이 최대 밀도에 도달하면(정체 지점 또는 "뱅 타임"에서), 두 번째 짧은 고출력 페타와트(PW) 레이저가 코어의 한쪽에 단일 펄스를 전달하여 극적으로 가열하고 점화를 시작합니다.

급속 점화 방식은 "플라즈마 보어 스루" 방식과 "콘 인 쉘" 방식입니다.플라즈마 보어 스루(bore through)에서 두 번째 레이저는 인플로딩 캡슐의 외부 플라즈마를 관통하여 코어에 충돌하고 가열합니다.콘 인 쉘 방식에서 캡슐은 작은 high-z (high atomic number) 콘의 끝에 장착되어 콘의 끝이 코어로 돌출됩니다.이 두 번째 방법에서는 캡슐이 인플로딩될 때 레이저가 코어를 선명하게 볼 수 있고 '코로나' 플라즈마를 통과하기 위해 에너지를 사용하지 않습니다.그러나 원뿔의 존재는 완전히 이해되지 않는 상당한 방식으로 내폭 과정에 영향을 미칩니다.현재 로체스터 대학의 OMEGA 레이저와 일본의 GEKKO XII 장치의 업그레이드를 포함하여 빠른 점화를 탐색하기 위한 여러 프로젝트가 진행 중입니다.

HiPer는 유럽 연합에서 제안된 5억 파운드의 시설입니다.NIF의 2 MJ UV 빔과 비교했을 때, 예상되는 융합 이득은 NIF보다 높지만, HiPER의 드라이버는 200 kJ, 히터는 70 kJ로 계획되었습니다.그것은 전기를 훨씬 더 높은 효율로 레이저 빛으로 변환시키고 더 시원하게 달리는 다이오드 레이저를 사용하는 것이었습니다.이를 통해 훨씬 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다.HiPER는 1 Hz에서 1 MJ로 동작하거나, 10 Hz에서 100 kJ로 동작할 것을 제안했습니다.이 프로젝트의 최종 업데이트는 2014년이었습니다.건설 비용을 10배 절감하여 Q를 높일 수 있을 것으로 기대했습니다.[51]

기타프로젝트

프랑스 레이저 메가줄(Laser Megajoule)은 2002년에 첫 번째 실험 라인을 달성했으며, 2014년에 첫 번째 목표 사격을 수행했습니다.[52]이 기계는 2016년 기준으로 약 75%의 완성도를 보였습니다.

완전히 다른 접근 방식을 사용하는 것은 z-pinch 장치입니다.Z-pinch는 매우 미세한 와이어로 구성된 실린더로 전환된 거대한 전류를 사용합니다.와이어는 기화되어 전기 전도성의 고전류 플라즈마를 형성합니다.생성된 원주방향 자기장은 플라즈마 실린더를 압박하고, 플라즈마 실린더를 인플로딩하여 연료 캡슐을 인플로딩하는 데 사용할 수 있는 고출력 X선 펄스를 생성합니다.이러한 접근 방식의 문제점으로는 상대적으로 낮은 드라이브 온도, 느린 내폭 속도 및 잠재적으로 큰 불안정성 증가, 고에너지 X선으로 인한 예열 등이 있습니다.[53][54]

충격 점화는 빠른 점화의 문제점을 해결하기 위해 제안되었습니다.[55][56][57]일본, KOYO-F 설계 및 레이저 관성융합시험(LIFT)[58][59][60] 실험용 원자로 개발2017년 4월 청정에너지 스타트업 아폴로 퓨전(Apollo Fusion)은 하이브리드 핵융합로 기술 개발을 시작했습니다.[61][62]

독일에서는 기술회사 마블퓨전이 레이저를 이용한 관성 구속 융합 작업을 진행하고 있습니다.[63]스타트업은 단펄스 고에너지 레이저와 중성자 연료 pB11을 채택했습니다.[64][65][66]2019년 뮌헨에서 설립되었습니다.[67][68]지멘스 에너지, TRUMPF, 탈레스와 협력합니다.[69]이 회사는 2022년 7월 뮌헨의 루트비히 막시밀리안 대학교와 파트너십을 맺었습니다.[70]

2022년 3월, 호주 회사 HB11은 비열 레이저 pB11을 이용한 융합을 발표했는데, 이는 알파 입자 생성의 예측 속도보다 더 높은 속도입니다.[71]다른 회사로는 NIF와 유사한 롱뷰 퓨전(Longview Fusion)과 빠르게 점화되는 Focused Energy(Focused Energy)가 있습니다.[72]

적용들

발전량

관성 융합 에너지(IFE) 발전소는 1970년대 후반부터 연구되어 왔습니다.이 장치들은 반응 챔버 내로 초당 여러 개의 목표물을 전달하기 위한 것으로, 결과적인 에너지를 사용하여 기존의 증기 터빈을 구동했습니다.

기술적 과제

해군 연구소의 일렉트라 레이저는 700줄에서 10시간 동안 90,000발 이상의 샷을 시연했습니다.[73]

점화에 도달하는 데 있어 많은 기술적 과제를 모두 해결한다 하더라도 실제적인 문제는 매우 많습니다.레이저 증폭 프로세스의 효율이 1~1.5%이고 증기 구동 터빈 시스템이 일반적으로 약 35%의 효율성을 가진다는 점을 고려할 때, 에너지적으로 균등을 유지하기 위해서는 융합 이득이 125배 이상이어야 할 것입니다.[74]

플래시 램프를 강력하게 흡수하는 주파수 범위에서 대부분의 에너지를 생성하도록 조정된 레이저 다이오드로 대체하는 설계를 사용하면 레이저 효율이 크게 향상될 수 있습니다.초기 실험 장치는 약 10%의 효율성을 제공하며, 20%가 가능하다고 제안합니다.[citation needed]

NIF는 약 330 MJ를 사용하여 드라이버 빔을 생산하며, 예상 수율은 약 20 MJ, 신뢰성 있는 최대 수율은 45 MJ입니다.

동력추출

ICF 시스템은 MCF 시스템으로서 일부 2차 전력 추출 문제에 직면해 있습니다.주요 관심사 중 하나는 목표물 및 드라이버 빔을 방해하지 않고 반응 챔버로부터 열을 성공적으로 제거하는 방법입니다.또 다른 우려는 방출된 중성자들이 원자로 구조와 반응하여 원자로 구조를 기계적으로 약화시키고 방사성을 강하게 바꾼다는 것입니다.강철과 같은 기존의 금속은 수명이 짧으며 코어 격납벽을 자주 교체해야 합니다.또 다른 문제는 핵융합 애프터댐프(반응 챔버에 잔해가 남아 있음)로, 핵융합에 의해 생성된 헬륨 회분과 연소되지 않은 수소 및 연료 펠렛에 사용되는 다른 원소를 포함한 후속 샷을 방해할 수 있습니다.이 문제는 간접 구동 시스템에서 가장 문제가 됩니다.운전자의 에너지가 연료 펠렛을 완전히 놓쳐서 격납실에 충돌할 경우, 물질이 상호작용 영역이나 렌즈 또는 포커싱 요소를 손상시킬 수 있습니다.

HYLIFE-II 설계에서 볼 수 있듯이, 한 가지 개념은 리튬과 베릴륨의 불소 염이 혼합된 FLiBe를 사용하는 것입니다. FLiBe는 중성자로부터 챔버를 보호하고 열을 운반합니다.FLiBe는 터빈의 물을 가열하는 열교환기로 전달됩니다.[75]리튬 핵을 분열시켜 생성된 삼중수소는 발전소의 열핵 연료 사이클을 폐쇄하기 위해 추출될 수 있습니다. 이는 삼중수소가 드물기 때문에 영구적인 운전의 필요성입니다.또 다른 개념인 솜브레로는 낮은 중성자 단면을 가진 탄소 섬유 강화 폴리머로 만들어진 반응 챔버를 사용합니다.냉각은 중성자를 흡수할 수 있는 능력과 열전달제로서의 효율성 때문에 선택된 용융 세라믹에 의해 제공됩니다.[76]

Nova에 있는 관성 감금 융합 내폭으로, 태양의 중심부에서 발견되는 것들과 맞먹는 엄청나게 높은 밀도와 온도의 "마이크로 태양" 조건을 만들어냅니다.

경제성

IFE에 불리하게 작용하는 또 다른 요인은 연료의 비용입니다.Nuckolls가 그의 초기 계산을 개발하고 있을 때에도, 동료들은 IFE 기계가 50 MJ의 융합 에너지를 생산한다면, 한 번의 발사로 10 MJ (2.8 kWh)의 전력을 생산할 수 있다고 지적했습니다.당시 그리드의 전력 도매 요금은 약 0.3센트/kWh였는데, 이는 그 샷의 금전적 가치가 약 1센트라는 것을 의미했습니다.지난 50년간 실질 전력 가격은 약 균등하게 유지되었으며, 2012년 캐나다 온타리오 주의 전력 가격은 약 2.8센트/kWh였습니다.[77]따라서 IFE 공장이 경제적으로 실행 가능하기 위해서는 연료 주사 비용이 2012년 달러로 10센트 미만이어야 합니다.

직접 구동 시스템은 홀라움을 사용하지 않기 때문에 연료 측면에서 비용이 적게 들 수 있습니다.그러나 이러한 시스템에는 여전히 애블레이터가 필요하며 정확성과 기하학적 고려 사항이 중요합니다.직접 구동 방식은 작동하는 데 비용이 덜 들지 않을 수 있습니다.

핵무기

ICF 실험 중에 마주치는 뜨겁고 밀도가 높은 조건은 열핵무기와 유사하며 핵무기 프로그램에 적용됩니다.ICF 실험은 예를 들어 탄두 성능이 노후화됨에 따라 어떻게 저하되는지 또는 무기 설계 프로그램의 일부로 결정하는 데 사용될 수 있습니다.핵무기 프로그램에 대한 지식과 전문성을 보유하는 것도 ICF를 추구하는 또 다른 동기입니다.[78][79]미국의 NIF에 대한 자금은 핵무기 비축 스튜어드십 프로그램에서 조달되며, 이 프로그램의 목표는 그에 따라 설정됩니다.[80]ICF 연구의 일부 측면은 포괄적 시험금지조약 또는 핵확산금지조약에 위배된다는 주장이 제기되었습니다.[81]장기적으로, 엄청난 기술적 장애에도 불구하고, ICF 연구는 "순수한 핵융합 무기"의 창조로 이어질 수 있습니다.[82]

중성자원

ICF는 폭발보다 훨씬 더 많은 중성자를 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.중성자는 분자 내에 수소 원자를 위치시킬 수 있으며, 원자 열 운동을 해결하고 X선보다 광자의 집단 여기를 더 효과적으로 연구할 수 있습니다.분자 구조에 대한 중성자 산란 연구는 열 중성자를 느린 중성자의 빔으로 변조함으로써 단백질 접힘, 막을 통한 확산, 양성자 전달 메커니즘, 분자 모터의 역학 등과 관련된 문제를 해결할 수 있었습니다.[83]핵분열성 물질과 함께 ICF에 의해 생성된 중성자는 잠재적으로 하이브리드 핵융합 설계에 사용되어 전력을 생산할 수 있습니다.

참고 항목

메모들

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서지학

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