The optimal injection energy for beam-driven proton–boron fusion lies above the 675 keV resonance

별의 힘을 활용하려는 탐구 과정에서, 과학자들은 오랫동안 수소와 붕소를 이용한 특정한 레시피를 주목해 왔습니다. 더 흔한 수소 동위원소 연료 혼합물과 달리, 이 조합은 뚜렷한 장점을 제공합니다. 바로 중성자를 거의 생성하지 않는다는 점인데, 이는 주변 기계에 대한 방사선 손상을 줄이고 전기를 생산하는 더 깨끗한 경로를 의미합니다. 하지만 이 반응을 일으키는 것은 매우 어렵기로 유명합니다. 다른 유형의 핵융합에 필요한 것보다 훨씬 더 높은 온도로 연료를 가열해야 하며, 최근까지도 그러한 조건을 만들기 위해 필요한 에너지가 반응이 만들어낼 수 있는 에너지보다 더 큰 것처럼 보였습니다. 이를 해결하기 위한 주요 전략은 원자들이 충돌할 가능성이 가장 높은 특정 에너지 수준, 즉 공명이라고 알려진 지점에 집중하는 것이었습니다.

독립 연구자인 올레그 아가말로프(Oleg Agamalov)의 새로운 분석은 이 공명 지점을 목표로 하는 것이 기계를 가동하는 가장 효율적인 방법이라는 오랜 가설에 이의를 제기합니다. 두 원자가 융합할 확률이 특정 에너지에서 가장 높은 것은 사실이지만, 기계의 전체적인 효율은 단 하나의 충돌 순간 그 이상에 달려 있습니다. 그것은 연료 입자들이 속도가 줄어들며 에너지를 잃어가는 전체 여정에 달려 있습니다. 아가말로프의 연구는 연료의 시작 속도를 약간 조정함으로써, 새로운 물리학을 발명하거나 완전히 새로운 유형의 원자로를 구축하지 않고도 동일한 입력 전력으로부터 훨씬 더 많은 에로지를 추출할 수 있음을 시사합니다.

수십 년 동안 양성자-붕소 핵융합을 구동하는 기계를 설계하는 연구자들은 675 킬로전자볼트(keV)의 특정 에너지 수준을 목표로 해왔습니다. 이 수치는 양성자가 붕소 핵에 부딪혀 세 개의 헬륨 입자로 분열할 가능성이 급격히 높아지는 지점에 해당합니다. 논리는 간단했습니다. 이 에너지에서 반응이 가장 자주 일어나므로, 정확히 이 속도로 연료를 주입하면 최선의 결과를 얻을 수 있다는 것이었습니다. 이 접근 방식은 현재 추진 중인 모든 비열적 핵융합 체계의 표준이 되었으며, 이 이온들을 공명점에 배치하는 것이 전력 균형을 극대화한다고 믿어 왔습니다.

그러나 아가말로프는 이러한 관점이 이 기계들이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 결정적인 세부 사항을 놓치고 있다고 지적합니다. 구동형 장치에서 연료는 뜨거운 수프 속에 가만히 머물러 있는 것이 아니라, 표적 안으로 주입되는 빠른 입자의 흐름입니다. 일단 주입되면, 이 입자들은 즉시 융합되어 멈추는 것이 아닙니다. 대신, 이들은 연료를 통과하며 전자와 충돌하고 점진적으로 속도를 잃는데, 이를 '감속(slowing down)' 과정이라고 합니다. 주입된 순간부터 멈출 때까지의 이 전체 여정 동안, 입자들은 끊임없이 융합을 시도합니다. 기계가 얻는 총 에너지는 주입 순간뿐만 아니라, 입자가 속도가 줄어드는 동안 수행하는 모든 융합 시도의 합계에 달려 있습니다.

기계가 얻는 총 에너지를 빔을 만드는 데 소비된 에너지와 비교하여 계산할 때, 수학적 결과는 달라집니다. 분석 결과, 가장 효율적인 시작점은 기존의 675 킬로전자볼트 공명이 아니라, 0.85 메가전자볼트(MeV)의 약간 더 높은 에너지였습니다. 이 더 높은 속도에서 입자들은 여전히 핵융합이 상당히 효과적인 에너지 범위에서 조금 더 시간을 보내게 되며, 이 더 높은 속도로 가속하는 데 드는 비용은 그들이 감속하는 동안 유발하는 추가적인 핵융합 반응에 의해 상쇄됩니다. 연구에 따르면 주입 에너지를 전통적인 675 킬로전자볼트에서 0.85 메가전자볼트로 전환하는 것만으로도 시스템의 에너지 이득을 25% 증가시킬 수 있습니다.

이 발견은 새로운 재료, 플라즈마를 가두는 새로운 방법, 또는 연료를 유지하는 데 사용되는 자기장의 변화를 요구하지 않는다는 점에서 매우 중요합니다. 이는 인젝터(주입기)의 전압을 조절하는 아주 간단한 조정입니다. 논문은 이론적으로 핵융합 속도가 가장 빠른 3.7 메가전자볼트 근처를 목표로 삼아서는 안 된다는 점을 명시적으로 밝히고 있습니다. 그곳에서 반응률은 확실히 가장 높지만, 입자들을 그 속도까지 가속하는 데 드는 에너지 비용이 너무 막대하고, 생산성이 낮은 에너지 범위에서 머무는 시간이 너무 길기 때문에 기계의 전체 효율은 0.85 메가전자볼트 최적값에 비해 40% 감소하게 됩니다.

이 연구는 양성자가 전자 가스 내에서 에너지를 잃는 알려진 거동과 다양한 속도에서의 핵융합 확률을 통합하는 것에 기반합니다. 이러한 계산을 실행함으로써, 저자는 '공학적 이득(engineering gain)'을 위한 스윗 스팟(sweet spot)이 날카로운 정점이 아니라, 기존의 공명과 이론적 최대치 사이의 안정적인 고원(plateau) 형태라는 것을 입증합니다. 결과는 양성자-붕소 핵융합 장치를 만드는 모든 이에게 명확하고 실행 가능한 권고를 제시합니다: 전압을 약간 높이십시오. 이 조정은 주입 에너지를 변경하는 것만으로도 미미했던 전력 균형을 더욱 실행 가능한 것으로 바꾸어, 성능을 실질적이고 즉각적으로 개선할 수 있는 상당한 기회를 제공합니다.