관성융합발전소

Inertial fusion power plant
Electra KrF 레이저는 IFE 발전소에[1] 필요한 반복 속도인 10시간 동안 90,000개의 샷을 시연합니다.

관성 핵융합 에너지는 산업적 규모에서 관성 구속 핵융합을 수행하는 것을 기반으로 핵융합 발전소를 건설하기 위한 제안된 접근법입니다.핵융합력에 대한 이러한 접근법은 아직 연구 단계에 있습니다.ICF는 1960년 레이저 개발 직후에 처음 개발되었지만 초기에는 미국의 연구 프로그램으로 분류되었습니다.1972년, 존 너콜스는 목표물을 압축하는 것이 핵융합 점화 혹은 연소 플라즈마로 알려진 과정인 [2]핵융합 반응이 서로 연결되는 조건을 만들 수 있다고 예측하는 논문을 썼습니다.2021년 8월 8일, 리버모어 국립 연구소(Livermore National Laboratory)의 NIF는 세계 최초로 이를 입증하는 ICF 시설이 되었습니다(그림 [3][4]참조).이 돌파구는 미국 에너지부가 첫해 [5]300만 달러의 예산을 들여 2022년 관성융합에너지 프로그램을 개발하는 데 원동력이 됐습니다.

Conceptual design of the LIFE fusion power plant.
LIFE 융합 발전소의 개념 설계
NIF output over 10 years shows a dramatic increase in fusion output due to ignition.
10년 이상의 NIF 출력은 점화로 인한 융합 출력의 급격한 증가를 보여줍니다.

IFE 발전소 설계

이런 종류의 핵융합로는 두 부분으로 구성됩니다.

  • 핵융합 연료를 포함하는 작은 캡슐(직경 7 밀리미터 미만)일 수 있는 대상.비록 실린더, 나노튜브로 코팅된 포탄, 고체 블록, 구멍, 핵융합 연료로 채워진 유리 포탄, 극저온 냉동 표적, 플라스틱 포탄, 거품 포탄 및 [6]거미줄에 매달린 물질을 포함한 많은 종류의 표적이 테스트되었지만,
  • 목표물을 압박하고 충격파를 생성하는 데 사용되는 드라이버입니다.이 압축파는 물질을 융해가 일어나는 온도와 압력으로 밀어냅니다.조사된 구동자는 고체 레이저, 엑시머 레이저, 고속 고체 물체, X선, 이온 빔(중이온 융합(HIF)) 및 전자 빔입니다.
The basic mechanism for Inertial Confinement Fusion using a simple direct drive is a 4 step process.
간단한 직접 구동을 이용한 관성 구속 융합의 기본 메커니즘.

ICF의 순 에너지는 [7]점화라고 알려진 과정에서 연쇄적으로 핵융합 반응을 얻는 것에서 비롯됩니다.거기에 도달하기 위해서는 물질을 충분히 오랫동안 뜨겁고 밀도가 높은 조건으로 짜내야 합니다.그러나 핵심적인 문제는 플라즈마가 뜨거워진 후 압축하기가 어려워진다는 것입니다.그러면 압축된 후까지 재료가 뜨거워지는 것을 방지하는 것이 목표입니다.문헌에서, 이것은 압축에 대한 저단열 접근법으로 알려져 있습니다.다음 단계의 개요는 다음과 같습니다.

  1. 플라즈마를 매우 차갑게 유지하고 함께 짜냅니다.
  2. 플라즈마를 압착한 후에만 가열합니다. 이상적으로 "핫 스팟" 내부에 있습니다.
  3. 핵융합이 일어나고, 그 결과 생성된 생성물이 에너지를 축적하여 더 많은 핵융합을 만들어냅니다.

다음과 같은 몇 가지 압축 접근법이 이를 시도합니다.중앙 핫 스팟 점화, 고속 점화, 충격 점화 및 자기 관성 융합

ICF연구소

레이저 관성 감금에 사용되는 황금 홀라움 모형입니다.

ICF가 핵분열-융합 폭탄의 압축 물리학을 모방하기 때문에, 이 프로그램은 원래 핵무기를 개발하기 위한 방법으로 수립되었습니다.이 시설들은 전 세계에 건설된 것으로, 아래의 몇 가지 예를 들 수 있습니다.

  • 프랑스의 Laser Megajoule은 2002년에 개발되었고 [8]2014년에 업그레이드 되었습니다.
  • 오메가 레이저는 1992년 로체스터 대학에서 처음 만들어졌습니다.
  • 오메가-EP는 2008년 로체스터 대학에서 두 번째로 강력한 레이저 빔으로 처음 제작되었습니다.
  • 게코 레이저는 1983년 일본 오사카 대학에서 처음 만들어졌지만, 그 이후 거의 십여 차례 업그레이드되었습니다.
  • NIF는 2009년 리버모어 국립 [9]연구소에서 처음 가동되었습니다.
  • NIKE 레이저는 엑시머(가스 기반) [10]레이저를 연구하기 위해 해군 연구소에서 만들어졌습니다.
  • 일렉트라 레이저는 엑시머(가스 기반)[11] 레이저를 연구하기 위해 해군 연구소에서 만들어졌습니다.
  • 체코의 PALS 레이저 시설은 ICF 레이저 [12]삽입을 연구하기 위해 설립되었습니다.
  • 머신 3은 퍼스트 라이트 퓨전(First Light Fusion)이 재료 블록을 가속하여 표적에 충격파를 생성하기 위해 개발한 것입니다.

과거에도 여러 ICF 시설이 구축, 테스트 및 해체된 적이 있었습니다.예를 들어, Sandia National Laboratory는 1970년대부터 1980년대 [13]중반까지 이온 빔 및 전자 빔 구동 ICF 연구 프로그램의 시리즈(<10대)를 추구했습니다.그 대신에, Los Alamos는 1980년대 후반에 [14]Aurora라고 불리는 거대한 엑시머 레이저 시설을 지었습니다.리버모어 국립 연구소는 Nova, Cyclops, 4-PI, SHIVA 및 기타 장치를 포함한 일련의 레이저 설비를 구축했습니다.NIF 개방 및 점화 달성을 위한 준비 작업의 일환으로 리버모어 국립 연구소는 레이저 관성 융합 에너지 프로그램 관련 연구에 자금을 지원했습니다.이 프로그램에 따라 원자로 설계가 개발되었으며, 비용, 원자로 챔버 및 에너지 포획 프로그램이 탐색되었습니다.

IFE 연구 프로그램

Glass Shell Targets
유리 포탄 표적
Coating round ICF targets is hard - above is a model of PDMA overcoating in a chamber
원형 ICF 타겟 코팅은 어렵습니다. 위는 챔버 내 PDMA 오버코팅 모델입니다.

IFE 개발은 미국 내에서 물결을 이루고 있습니다.다음은 이 기술을 발전시키기 위해 수년간 자금을 지원받은 일부 정부 프로그램입니다.

  • HAPL 높은 평균 레이저 [15]프로그램은 1999년부터 2008년까지 해군 연구소에서 관리했습니다.이 프로그램은 미국 전역의 타겟, 레이저 및 드라이버 팀에 보조금을 지급하고 회원 기관 간 19개 회의를 조직했습니다.
  • LIFE 레이저 관성 융합 에너지 프로그램은 2008년부터 2016년까지 리버모어 국립 연구소에서 관리했습니다.이 프로그램은 국가 점화 시설을 기반으로 IFE 융합 발전소를 개발하기 위해 자금을 지원받았습니다.
  • SDI(Strategic Defense Initiative)는 오늘 본 IFE 레이저 기술 중 많은 부분을 부주의하게 지원했습니다.

드라이버 개발

IFE 발전소에 어떤 운전자가 가장 적합한지는 아직 불분명하며, 다른 운전자들의 지지자들이 그들이 선호하는 접근 방식을 밀고 있습니다.레이저는 지금까지 가장 잘 연구된 것으로 입증되었습니다.아래는 연구가 완료된 레이저 드라이버의 요약입니다.레이저 시스템 구현의 어려움은 빔뿐만 아니라 이 시스템을 배치하는 데 필요한 광학, 거울, 증폭기 및 격자에서도 발생합니다.

드라이버 기술 비교
드라이버 파장 비용. 전기광효율 반복률 이점 단점들
ARF 레이저(가스 기반) 193nm 싼 9-16% ? 파장이 짧아지면 압축이 개선됩니다.가스는 열을 유지하지 않으므로 높은 반복 촬영이 가능합니다. 유리, 격자, 거울이 잘 발달되어 있지 않습니다.
KRF 레이저 (가스기준) 248nm 싼 7-10% 10시간 [16]동안 90,000개의 주사를 맞았습니다. 파장이 짧아지면 압축이 개선됩니다.가스는 열을 유지하지 않으므로 높은 반복 촬영이 가능합니다. 유리, 격자, 거울이 잘 발달되어 있지 않습니다.
Nd-도핑 레이저(고체 레이저) 주파수를 3배로 늘렸을 때 1053nm 및/또는 351nm 비싼. 0.5에서 20% 미만. 오메가는 한 발에 45분(최소), NIF는 하루에 한 발. 레이저 유리, 코팅, 광학 및 크리스탈은 모두 대형 시스템에서 제작되거나 시연되었습니다. 유리 가열로 인한 반복율 감소
고속 발사체 해당 없음 싸다 ? 사용하는 드라이버에 따라 다릅니다.레일건은 기본적으로 속도가 제한되어 왔습니다.가스총은 [17]열핵융합을 일으키는 것으로 나타났습니다.높은 물살에서 찢어지는 실타래가 가장 [18]좋은 성능을 보였습니다. 단순화된 기술 지금까지 고체 물체는 레이저 시스템만큼 성능이 좋지 않았습니다.Z-Machine과 First Light Fusion 둘 다 실험을 개발했습니다.
이온빔 해당 없음 싸다 ? 이온 빔은 레이저나 발사체보다 더 쉽게 생성될 수 있습니다.그러나 이 드라이버는 챔버 내로 흩어지는 플라즈마를 발생시킵니다. 고반복 촬영이 가능합니다. 이온 빔은 표적에 초점을 맞추기가 어렵습니다. 반발력으로 인해 빔이 (+~+) 반발력에 의해 찢겨집니다.따라서 빔을 일관성 있게 유지하려면 하드웨어, 에너지 및 노력이 필요합니다.

관련 드라이버 기술

사용 중인 드라이버에 따라 성숙해야 하는 핵심 관련 기술이 있습니다. 아래에는 다음과 같은 몇 가지가 있습니다.

  • 유리 단면(미터^2)을 통과하는 레이저 에너지(줄)를 처리하여 녹거나 손상되지 않는 유리그리고 나서 그 유리는 발전소 안에 거울, 렌즈, 격자 혹은 창문을 만드는데 사용됩니다.
  • 레이저 빔의 출력을 높이기 위해 사용할 수 있는 증폭기.
  • 레이저 빔 또는 이온 빔을 시공간 내에서 압축하여 전체적인 온타겟 파워를 높일 수 있는 압축기.
  • 레이저, 이온 빔 또는 고체 물체 드라이버에 필요한 초대형 줄을 전달할 수 있는 펄스 파워 시스템.펄스형 발전기(Marcs Generator)는 ICF 플랜트에 한계가 있으며 대체 동력원으로 선형 변압기 드라이버에 대한 연구가 진행되고 있습니다.
  • 레이저 다이오드는 전기 에너지를 빛 에너지로 전달하여 레이저 빔을 시작하는 첫 번째 단계로 사용됩니다.이러한 시스템은 비용이 많이 들 수 있으며 엑시머 레이저에 필요하지 않습니다.
  • 위상판 평활화(Phase-Plate Smoothing)는 고체 레이저 시스템에서 레이저 빔을 평활화하는 기술입니다.

대상개발

ICF 연구를 위해 개발된 많은 종류의 목표물이 있지만, 발전소는 수백만 개는 아니더라도 수천 개의 동일한 목표물을 반복적으로 발사해야 합니다.이것은 매우 어려울 것입니다.현재 에너지부는 General Atomics와 계약을 맺고 국가 연구소를 위한 ICF 목표물을 생산하고 있습니다.이러한 표적은 GA에서 부분적으로 제작된 후 하루 동안 전국에 ICF 시설로 배송됩니다.실험실은 현장에서 하드웨어와 직원을 정비하여 목표물을 사격 [19]준비하는 마지막 단계를 완료합니다.

대상 예제

  • Glass Shell 표적은 줄기 위의 유리 구체였고 DT 가스로 채워져 있었습니다. 이것들은 초기의 [20]표적들 중 일부였습니다.
  • 오버코팅 대상은 쉘 대상 위에 화학 물질을 성장시키는 것을 포함합니다.이 작업은 플라스틱 또는 금 또는 [21]은으로 된 층의 지시된 화학 증착법을 사용하여 수행할 수 있습니다.
  • 홀라움 표적은 금박 튜브로 둘러싸인 DT 융합 연료의 펠릿입니다.레이저는 포일을 타격하여 목표물을 압축하는 X선을 생성합니다. 핵무기를 모방합니다.
  • 실크 마운트 타깃은 거미줄 가닥에 장착되어 있으며, 이 소재는 알려진 단면당 가장 강력한 소재이며 극저온까지 양호한 특성을 유지합니다.
  • 극저온 표적은 수소 기체를 액체로 응축하기 위해 ~34 켈빈 이하로 유지하거나 고체로 응축하기 위해 ~14 켈빈 이하로 유지해야 하는 표적입니다.
  • 폼 습식 타깃은 다양한 탄소-수소 폼을 사용하여 제조되며 ~34 켈빈 이하로 냉각된 액체 DT 소재로 채워집니다.
  • 얼음 타겟은 다양한 탄소-수소 폼을 사용하여 만들어지고 ~14 켈빈 이하로 냉각된 액체 DT 물질로 채워집니다.

극저온 타겟

Keeping Cryogenic targets frozen while delivering them to target center is hard. At the LLE the target is held inside a cryogenic chamber and raised up to target chamber center on an elevator. Once the shroud is dropped from around the target it is exposed to air and starts melting. A laser pulse is then immediately required to compress it.
극저온을 유지하면서 목표물을 목표물 센터로 전달하는 것은 어렵습니다.LLE에서 타겟은 극저온 챔버 내부에 고정되며 엘리베이터의 타겟 챔버 중심까지 상승합니다.대상 주위에서 쉬라우드를 떨어뜨리면 공기에 노출되어 녹기 시작합니다.그런 다음 레이저 펄스를 압축하기 위해 즉시 레이저 펄스가 필요합니다.

삼중수소와 중수소를 이미 만들어진 캡슐에 넣는 몇 가지 방법이 있습니다.고압은 가스 압력이 1~100 Atm인 챔버에 쉘을 넣고 [22]쉘 내부로 가스가 확산되도록 함으로써 작업을 채웁니다.극저온 폼 쉘 작업은 액체 DT 유체를 폼 안으로 위크하여 작업할 수 있습니다.이것은 섬세한 껍질을 손상시키지 않고 온도와 압력으로 낮추는 것을 포함합니다.이 과정은 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있는 단계적인 과정이며 여러 개의 격납실과 다양한 종류의 펌프가 필요합니다.극저온에서는 DT 가스가 액체로 형성되어 거품 껍질에 침투할 수 있습니다.일단 채워지면, 조작자는 얼음 결정을 형성하기 위해 온도를 더 천천히 낮춥니다.얼음은 표적의 적도 주변에서 형성되기 시작하고 나서 완전한 [23]결정체로 성장할 수 있습니다.얼음에는 거품 껍질 구조물이 박혀있습니다.엔지니어들은 이 형성 과정에서 얼음이 깨지는 문제를 겪었습니다. 이 모든 문제는 샷의 성능에 영향을 미칩니다.이 모든 것의 모니터링은 쉐도우 그램, 360 X-ray 진단, 육안 검사 및 기타 도구를 사용하여 수행됩니다. 정보는 [24]모두 채우기 중에 대상의 전체 이미지를 얻는 소프트웨어를 통해 실행됩니다.

극저온 타겟 이동

ICF를 극저온에서 냉동한 상태로 유지하면서 챔버로 공급하여 샷을 하게 하는 것은 어렵습니다.예를 들어, 레이저 에너제틱스 연구소의 냉동 대상은 맞춤 제작된 이동식 극저온 카트 안에 보관되어 있어 대상 챔버 아래 위치로 이동할 수 있습니다.카트에는 재료를 차갑게 유지하기 위한 냉각수 시스템과 진공 펌프가 있습니다.이 카트는 "콜드 핑거(cold finger)"의 끝에 냉동된 대상을 고정합니다. 그 다음에 엘리베이터에 올려지고 [25]챔버의 중앙에 위치합니다.금속 쉬라우드가 제거되면 극저온 타겟은 실온에 노출되고 즉시 가스로 승화되기 시작합니다.이는 레이저 펄스가 표적의 노출과 직접적으로 일치해야 하며 표적이 녹는 것을 방지하기 위해 모든 것이 신속하게 발생해야 한다는 것을 의미합니다.

참고 항목

참고 및 참고 자료

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