New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

별의 힘을 길들이려는 탐구는 물리학의 오랜 중심 목표였으며, 태양을 움직이는 과정을 재현하는 것, 즉 핵융합을 목표로 해왔습니다. 이 과정에서는 가벼운 원자들이 엄청난 압력과 열 아래에서 서로 결합하여 더 무거운 원자를 형성하며 막대한 양의 에너지를 방출합니다. 과학자들이 실험실에서 핵융합 반응을 만드는 데는 성공했지만, 그 찰나의 에너지 분출을 전력망을 위한 안정적이고 신뢰할 수 있는 전력원으로 바꾸는 것은 지구상에서 가장 어려운 공학적 과제 중 하나로 남아 있습니다. 주요 장애물은 작은 연료 펠릿을 완벽하게 압축한 다음, 그 결과로 발생하는 에너지를 기계를 파괴하지 않고 포착하는 것입니다. 기존의 방식들은 압축의 대칭성이나, 강렬한 방사선과 열의 폭발을 견뎌야 하는 반응로 벽의 내구성 문제로 어려움을 겪는 경우가 많습니다.

새로운 제안에서, MerPhotonics의 유리 치벨(Yuri Chivel)은 참신한 레이저 설계와 근본적으로 다른 반응로 구조를 결합하여 이러한 문제들을 해결하는 독특한 접근 방식을 개략적으로 설명합니다. 핵심 아이디어는 현재 사용되는 복잡한 다단계 레이저 시스템을 하나의 거대한 광학 기기처럼 작동하는 단순한 구형 배치로 대체하는 것입니다. 레이저를 외부에서 내부로 쏘는 대신, 이 설계는 레이저 구성 요소 자체가 구체의 껍질을 형성하여 중심에 있는 표적을 향해 균일한 빛의 파동이 모여드는 반응로를 구상합니다. 이 방법은 성공의 결정적 요인이자 역사적으로 달성하기 어려웠던 완벽한 대칭성을 갖춘 연료 펠릿 압축을 목표로 합니다.

설명된 반응로는 지름 4미터의 구체이며, 수백 개의 디스크 모양 레이저 요소가 안감을 두르고 있습니다. 이 요소들은 동심원 층을 이루어 배치되어 커다란 공동(cavity)을 만듭니다. 작동의 선형 단계에서 빛은 이 커다란 구체 안에서 앞뒤로 반사되며, 정중앙에 초점을 맞춘 특정 에너지 패턴을 쌓아 올립니다. 혁신은 펄스가 트리거되는 방식에 있습니다. 복잡한 전자식 셔터를 사용하여 에너지를 방출하는 대신, 이 시스템은 연료 펠릿 자체를 스위치로 사용합니다. 중수소와 삼중수소가 혼합된 아주 작은 펠릿이 고속으로 구체의 중심부로 발사되면, 이 펠릿이 커다란 공동을 물리적으로 차단합니다. 이로 인해 빛은 레이저 디스크들에 의해 형성된 훨씬 작고 개별적인 공동들로 전환됩니다. 이러한 갑작스러운 변화는 저장된 에너지가 한꺼번에 동기화된 나노초 단위의 폭발로 방출되게 하여, 모든 방향에서 동시에 펠릿을 강력하게 압착하도록 만듭니다.

펠릿이 압축되면 이를 점화시켜 핵융합 반응을 시작해야 합니다. 논문은 압축 단계와 가열 단계를 분리하는 "빠른 점화(fast ignition)" 전략을 제안합니다. 압축된 연료를 가열하기 위해 단일한 거대 레이저 빔에 의존하는 대신, 이 설계는 6개에서 10개의 더 짧고 초고속인 레이저 펄스 시스템을 사용합니다. 이 펄스들은 압축된 펠릿의 표면을 타격하여 강력한 전하 입자 빔, 구체적으로 중수소와 삼중수소 이온 빔을 생성합니다. 이 이온 빔은 압축된 펠릿을 둘러싼 플라즈마 코로나에서 직접 흥분된 충돌 없는 충격파(collisionless shocks)를 통해 생성됩니다. 생성된 빔은 펠릿 중심부에서 충돌하여 에너지를 연료로 직접 전달하고, 온도를 핵융합 반응을 일으킬 만큼 높입니다. 이 방법은 이온이 압축된 펠릿의 플라즈마 코로나에서 직접 생성되기 때문에 에너지 손실을 줄이고 더 콤팩트한 점화 시스템을 허용한다는 점에서 이전의 시도들보다 더 효율적일 것으로 제안됩니다.

표준 설계와 가장 크게 차별화되는 부분은 아마도 반응로의 내벽을 다루는 방식일 것입니다. 대부분의 핵융합 개념에서 제1벽(first wall)은 열과 방사선을 흡수하여 결국 손상되고 빈번한 교체가 필요한 금속이나 탄소로 된 고체 장벽입니다. 치벨은 융해 석영 유리(fused silica glass)로 된 투명한 제1벽을 제안합니다. 이 유리는 핵융합 반응으로부터 발생하는 강렬한 중성자 선속과 감마선을 흡수하지 않고 통과시키도록 설계되었습니다. 이 유리 벽 뒤에는 두꺼운 물 층이 흐르며, 물이 진정한 흡수체 역할을 합니다. 중성자는 물 속에서 속도가 느려지며 에너지를 열로 전달하고, 이 열은 전기를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 이 설계는 고체 벽을 파괴하는 직접적인 열 충격과 방사선 손상으로부터 구조적 유리를 보호하는 동시에, 물이 에너지를 효율적으로 포착하도록 합니다.

반응 중에 생성된 고속 이온이 유리 벽을 타격하여 손상시키지 않도록, 논문은 빛에 의해 만들어지는 독특한 자기 차폐막을 도입합니다. 두 개의 상호 수직인 광학 증폭 공동에 두 개의 환형 빔을 배치함으로써, 시스템은 두 빔이 교차하는 지점에 레이저 자기 트랩을 형성합니다. 이 교차점은 전하 입자를 벽으로부터 굴절시켜 반응로 중심부에 가두기에 충분한 강한 자기장을 생성합니다. 이 "레이저 자기 가둠(laser magnetic confinement)"은 보이지 않는 장벽 역할을 하여, 격렬한 플라즈마 현상으로부터 섬세한 유리 구조를 보호합니다. 전체 시스템은 저온 열역학 사이클로 작동하도록 설계되었으며, 가열된 물을 이용해 터빈을 구동함으로써, 다른 핵융합 개념들과 흔히 연관되는 극단적인 온도보다는 단순성과 신뢰성을 우선시합니다.

이 논문은 이러한 아이디어들을 계산과 시뮬레이션에 의해 뒷받침되는 하나의 응집된 이론적 틀로 제시합니다. 저자는 구형 레이저 배열, 펠릿 트리거 펄스 메커니즘, 그리고 물 냉각 방식의 투명한 유리 벽의 조합이 기존 설계들을 괴롭혀온 대칭성과 내구성 문제를 극복할 수 있다고 제안합니다. 비록 이 제안이 확립된 레이저 물리학 및 플라즈마 역학의 원리에 기반하고 있지만, 이러한 요소들을 하나의 단순화된 반응로 구조로 통합하는 구체적인 방식은 테스트가 필요한 개념으로 남아 있습니다. 이 연구는 반응로를 실제로 제작했다고 주장하는 것이 아니라, 실용적인 핵융전 에너지를 달라는 오랫동안 염원해 온 목표를 달기 위해 그러한 기계가 어떻게 건설될 수 있는지에 대한 상세한 청사진을 제공하는 것입니다.