High-spatial-resolution measurement of hotspot electron temperature distribution in inertial confinement fusion implosions

별의 심장을 이해하려고 노력한다고 상상해 보십시오. 하지만 당신은 그것을 만질 수 없으며, 그것은 단 10억 분의 1초 동안만 존재합니다. 이것이 관성 가둠 핵융합을 연구하는 과학자들의 일상적인 도전입니다. 이 분야는 태양의 에너지를 이곳 지구에서 재현하는 데 전념하고 있습니다. 목표는 아주 작은 연료 펠릿을 원자들이 서로 융합하여 막대한 양의 깨끗한 에너지를 방출할 정도로 뜨겁고 밀도가 높아질 때까지 압착하는 것입니다. 이를 실현하기 위해 연구원들은 강력한 레이저로 연료 펠릿의 모든 면을 타격하여, 코어를 '핫스팟(hotspot)'으로 압축하는 내폭(implosion)을 만들어냅니다. 이 과정이 제대로 작동하려면 연료가 극한의 온도에 도달해야 하며 완벽하게 균일한 상태를 유지해야 합니다. 만약 연료가 캡슐의 외각 껍질과 섞이거나, 곳곳에서 온도가 급격히 변한다면 반응은 실패합니다. 수년 동안 과학자들은 이 연소하는 코어의 일반적인 형태는 볼 수 있었지만, 세부 사항은 마치 안개 낀 창문을 통해 미세한 글자를 읽으려는 것처럼 흐릿하게 남아 있었습니다.

이제 한 연구팀이 그 안개를 걷어냈습니다. 이 찰나의 폭발을 바라보는 새로운 방법을 개발함으로써, 그들은 핫스팟 내부의 전자 온도를 고해 resolution(고해상도) 지도로 포착해 냈습니다. 전자는 이 플라즈마에서 열을 전달하는 작고 빠르게 움직이는 입자이며, 각기 다른 위치에서 전자가 얼마나 뜨거운지 아는 것은 연료가 효율적으로 타고 있는지, 아니면 불순물에 의해 망가지고 있는지를 과학자들에게 알려줍니다. 중국의 한 주요 레이저 시설에서 작업한 이 팀은 5 마이크로미터만큼 작은 디테일까지도 볼 수 있었습니다. 이해를 돕기 위해 비교하자면, 사람의 머리카락 너비는 그들이 해상할 수 있는 가장 작은 특징보다 약 100배 더 넓습니다. 이 수준의 정밀도는 이전의 도구들이 대략 5배 정도 큰 특징만을 볼 수 있었던 것에 비해 상당한 도약입니다.

이 실험은 '호흘라움(hohlraum)'이라 불리는 금으로 안감 처리된 작은 원통형 용기에 32개의 강력한 레이저 빔을 발사하는 과정을 포함했습니다. 이 원통 안에는 연료로 사용되는 중수소 가스가 채워진 작은 캡슐이 들어 있었습니다. 레이저는 금 벽면을 가열했고, 금 벽면은 강렬한 X선으로 빛났습니다. 이 X선들은 캡슐을 외부에서 내부로 압착하여 가스를 폭발적으로 압축하고 가열했습니다. 최대 압축의 순간, 가스는 타오르는 플라즈마가 되어 자체적인 X선을 내뿜었습니다. 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 보기 위해 연구원들은 커브형 거울 두 개로 만들어진 특수 현미경인 커크패트릭-베이즈(Kirkpatrick-Baez) 시스템을 사용했습니다. 이 장치는 고속 카메라와 같은 역할을 했지만, 가시광선으로 사진을 찍는 대신 뜨거운 전자에서 방출되는 X선을 포착했습니다.

온도 지도를 얻기 위해 팀은 단 한 장의 사진을 찍은 것이 아닙니다. 그들은 동일한 폭발에 대해 정확히 동시에 두 장의 이미지를 촬영하되, 빛을 다르게 필터링했습니다. 한 세트의 거울은 높은 에너지의 X선을 포착했고, 다른 한 세트는 약간 낮은 에너지의 X선을 포착했습니다. X선의 밝기는 전자가 얼마나 뜨거운지에 따라 달라지기 때문에, 두 이미지를 비교함으로써 과학자들은 모든 지점에서의 온도를 계산할 수 있었습니다. 이는 마치 의사가 연조직과 뼈를 구분하기 위해 두 가지 다른 종류의 X선 필터를 사용하는 것과 비슷하지만, 여기서는 빛의 '색' 차이가 열을 드러냈습니다. 거울과 필터에 의한 왜곡을 신중하게 맞추고 제거함으로써, 그들은 열 분포의 상세한 2차원 지도를 재구성했습니다.

결과는 이전의 측정값의 흐릿함 속에 숨겨져 있던 이야기를 드러냈습니다. 핫스팟은 매끄럽고 균일한 불덩어리가 아니었습니다. 대신 온도 지도는 전자가 주변보다 훨씬 더 뜨거운 다섯 개의 뚜렷한 정점이 있는 들쭉날쭉한 지형을 보여주었습니다. 이 핫스팟들은 연소하는 코어의 가장자리 근처에 위치했으며, 크기는 약 5 마이크로미터였습니다. 연구진은 이 정점들이 무작위적인 오류가 아니라, 외각 껍질 물질이 소량 섞여 들어온 결과임을 발견했습니다. 탄소와 수소로 이루어진 무거운 껍질 물질이 가벼운 연료와 섞이면 물리적 특성이 변하는 국부적인 영역이 생성되어, 이러한 예상치 못한 온도 급상가(spike)를 유발합니다. 연구팀은 이 특정 핫 영역에서 혼합된 물질의 양이 놀라울 정도로 높다고 추정했는데, 이는 내폭이 이전에 생각했던 것만큼 깨끗하지 않았음을 시사합니다.

이러한 발견이 카메라의 인위적인 결과물이 아니라 실제임을 확신하기 위해, 과학자들은 자신들의 이론이 맞을 경우 이미지가 어떻게 보여야 하는지 확인하고자 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 혼합된 물질의 작은 주머니들을 포함한 내폭 모델을 구축하고, 그 물질들이 현미경을 통해 X선이 어떻게 보일지를 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션된 이미지는 실제 실험 사진과 거의 완벽하게 일치했으며, 이는 온도 정점들이 실제로 국부적인 혼합에 의해 발생했음을 확인해 주었습니다. 또한 그들은 결과를 더 단순한 1차원 폭발 모델과 비교했는데, 이 모델은 그들의 상세 지도와 일치하는 평균 온도를 보여주었습니다. 이러한 일관성은 그들의 새로운 방법이 올바르게 작동하고 있음을 확증해 주었으며, 그들이 본 불규칙성이 실제 물리적 특징임을 입증했습니다.

이 연구의 함의는 핵융합 에너지의 미래에 있어 매우 깊습니다. 연료가 껍질과 정확히 어디서 어떻게 섞이는지를 이해하는 것은, 내폭을 견디고 지속적인 반응을 점화할 수 있는 더 나은 캡슐을 설계하는 데 결정적입니다. 만약 연료가 너무 많이 섞이면, 반응은 최대 전력을 방출하기도 전에 사멸합니다. 이러한 혼합 영역을 이토록 명확하게 봄으로써, 과학자들은 이제 무엇이 혼합을 일으키는지, 그리고 어떻게 이를 막을 수 있는지에 대한 이론을 테스트할 수 있습니다. 연구진은 또한 핫스팟의 가장자리가 중심부보다 훨씬 더 차갑다는 것을 확인했는데, 이는 이전에 관찰된 적은 있으나 이제 훨씬 더 정밀하게 측정되었습니다. 이 차가운 가장자리는 아직 완전히 타버리지 않은 껍질 물질의 빛 때문일 가능성이 높으며, 이는 적절히 고려되지 않을 경우 온도 측정에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

이 연구는 핵융합 내폭의 내부 작동을 진단하는 선구적인 단계입니다. 공간 해상도의 한계를 밀어붙임으로써, 연구팀은 핵융합 과학을 불의 일반적인 형태를 보는 단계에서 개별적인 불꽃을 보는 단계로 격상시켰습니다. 그들은 전례 없는 정확도로 전자 밀도와 혼합량을 측정할 수 있다는 것을 보여줌으로써 미래 실험을 위한 견고한 토대를 마련했습니다. 상용 핵융합 발전소로 가는 길은 여전히 멀지만, 연소하는 코어의 보이지 않는 세부 사항을 보는 이 새로운 능력은 과학자들이 별의 물리학을 정복하는 데 한 걸음 더 다가가게 해줍니다. 이 작업은 또한 명확한 향후 경로를 제시합니다. 더 많은 필터와 카메라를 사용함으로써, 연구자들은 곧 이러한 온도들을 3차원으로 지도화하고 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 추적하여, 정적인 스냅샷을 핵융합 과정의 풀 모션 영화으로 바꿀 수 있을 것입니다.