핵융합

2022년 12월 13일, 미국 에너지부의 장관은 에너지부(DOE) 국립연구소의 주요 과학적 혁신을 발표했습니다. 캘리포니아의 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)는 국립핵융합시설(NIF) 프로젝트의 일환으로 순 에너지 이득을 달성하기 위한 최초의 핵 융합 실험을 수행했습니다.

핵융합이란 무엇인가요?

핵융합은 태양과 다른 별을 비롯한 우리의 주요 빛과 에너지 공급원에 동력을 공급하는 반응입니다. 이 반응에서 양성자와 중성자를 포함하는 두 개(또는 그 이상의) 원자핵이 융합하여 에너지를 방출하면서 더 큰 원자핵을 형성합니다. 이러한 에너지 방출은 생성된 핵의 총 질량이 융합된 원래 핵의 질량보다 작기 때문에 발생합니다. 남은 질량은 터빈 전기 발전기를 가동하는 데 사용할 수 있는 에너지가 됩니다.

예를 들어, 중수소와 삼중수소(수소의 두 동위원소)가 융합하면 헬륨 핵이 형성되어 초과 중성자를 방출하며, 더 중요한 것은 저장할 수 있는 에너지를 방출한다는 것입니다(그림 1 참조).

지구에서 별을 만들어 에너지를 생성

연구 과학자들은 우주의 별이 생성되는 반응인 핵융합을 지구에서 재현하려고 시도하고 있는데, 이 반응은 엄청난 양의 에너지를 생성할 수 있기 때문입니다.

핵융합이 일어나려면 별과 같은 온도(즉, 1억도 이상)에 도달해야 합니다. 이 과정을 통해 양전하를 띤 핵은 포함된 벡터 내에서 플라즈마를 형성하고, 약 1,000km/s의 속도로 독립적으로 이동하여 반발력을 극복하고 서로 융합합니다.¹

이론적으로 실험실에서 제어되는 핵융합으로 생성된 에너지를 전 세계적으로 효과적으로 저장하고 활용할 수 있다면 이 기술은 가정, 기업, 차량 운송에 연료를 공급하는 방식을 바꿀 수 있습니다. 이 반응은 매우 효율적이어서 1kg의 핵융합 연료로 1,000만 kg의 화석 연료와 같은 양의 에너지를 생산할 수 있습니다.²

청정에너지에 대한 긴급 수요

19세기 이후 지구의 온도는 약 1.1°C 상승했습니다. 에너지를 얻기 위해 연소된 화석 연료에서 온실가스가 배출되어 이산화탄소의 양이 50% 증가했습니다.³

22세기 초까지 평균 기온 상승이 1.5°C를 넘지 않아야 한다고 과학자들은 경고하고 있습니다.⁴ 그러나 2022년 10월 유엔 보고서에 따르면 2100년까지 지구 온도가 최소 2.4°C 상승할 것으로 예상되는 만큼 전 세계적으로 청정에너지 구현이 시급한 상황입니다.⁴

청정에너지를 위한 새로운 솔루션

이 분야의 연구 과학자들은 핵융합이 지구 온난화의 영향을 완화하면서 청정에너지를 생산할 수 있는 솔루션이 될 수 있다는 사실을 강조합니다. 이 프로세스는 화석 연료로부터 공급되는 에너지에 의존하지 않으며 온실가스 오염 물질이나 수명이 긴 방사성 폐기물을 생성하지 않습니다. 핵융합로 재료는 100년 이내에 재활용하거나 재사용할 수 있습니다.

본질적으로 핵융합은 우리가 손에 넣을 수 있는 깨끗하고 저렴한 에너지를 향한 비전을 제시하며, 언젠가는 우리의 일상, 경제, 기술 진화를 지원할 수 있을 것입니다.

LLNL의 획기적인 성과

2022년 12월 5일, 국립핵융합시설(NIF)의 LLNL 팀은 핵융합 실험을 수행하여 현재까지 획기적인 성과인 에너지 손익분기점을 달성했으며 이는 실험이 이 프로세스를 시작하는 데 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산했음을 의미합니다.

전 세계가 지속적인 화석 연료 에너지 사용으로 인해 높고 불안정한 에너지 가격과 전례 없는 지구 온난화의 영향에 직면하고 있는 지금, 이번 혁신은 역사적인 순간이며 절실히 필요한 시기에 이루어졌습니다.

NIF 개발 및 테스트는 50년 이상에 걸쳐 수행되었으며, 이 시설은 일본의 FIREX 및 중국의 SG-III와 같은 다른 실험이 운영되는 국제 레이저 융합 과학계를 이끌고 있습니다.

혁신적인 실험

가장 최근의 실험에서는 하나의 레이저를 48개의 광학 채널로 분할한 다음 증폭하고 다시 4개의 채널로 분할하여 192개의 빔을 생성했습니다.

192개의 레이저가 중수소-삼중수소 표적을 가열하고 압축하여 태양 중심과 같은 온도를 생성했습니다. 구의 바깥쪽은 기화되어 플라즈마가 되었고, 몇 분의 1초 만에 폭발하여 최대 400km/s(250mi/s)의 속도에 도달했습니다. 그 후의 '크런치'는 압축된 '연료'에 매우 높은 밀도를 생성하여 핵융합이 일어났습니다.

순 에너지 이득은 핵융합 반응에서 방출되는 전력이 표적에 제공되는 에너지를 초과할 때 발생합니다. 이 경우 연구진은 2MJ의 에너지를 사용하여 3MJ를 생성했습니다.

애질런트의 기여

애질런트는 LLNL의 Plasma Electrode Pockels Cell(PEPC) 그룹과 협력했으며, 여기에서 특수 광학 스위치인 Large Aperture Plasma Electrode Pockels Cell 기술이 처음 개발되었고, 이는 NIF의 필요한 크기를 줄이기 위한 핵심 기술 중 하나입니다.

광학 스위치는 각 레이저가 메인 앰프를 빠져나가는 것을 방지하고 192개의 빔이 4번 통과하도록 하여 특수 광학 부품을 통해 각 빔의 에너지를 더욱 증폭하고 컨디셔닝한 후 표적 챔버로 다시 방출합니다. 깨끗하고 안정적인 진공은 NIF 레이저 실험의 이 섹션에 필수적인 조건입니다.

"우리는 필요한 실험 조건을 생성하고 유지하기 위해 LLNL과 협력했습니다. 핵심은 당사의 터보 분자 펌프였습니다. 진공을 달성하기 위해 PEPC 그룹은 적절한 작동과 완벽한 압력 수준을 보장하기 위해 48개의 애질런트 80L/s 터보 분자 펌프를 사용했습니다."라고 애질런트 테크놀로지스의 고객 담당자인 Ed Gordon은 말합니다.

연구 분야의 발전을 촉진

LLNL의 연구팀이 핵융합 실험을 통해 순 에너지 이득을 성공적으로 입증했지만, 다음과 같은 몇 가지 기술적 과제를 극복해야 합니다.

1. 실험 반복 - 반응 조건이 적합지 않으면 실험이 중단됨
2. 모든 반응 조건을 더욱 최적화하는 동시에 모든 구성 요소가 핵융합이 발생하는 데 필요한 극한 환경을 견딜 수 있을 만큼 견고하도록 보장
3. 핵융합 반응에서 훨씬 더 높은 에너지 출력을 산출하고 추출

LLNL과 관련 연구소의 다음 R&D 단계에는 더 높은 에너지 이득을 달성하고 장기적인 상업적 실행 가능성을 향한 발전을 목표로 복제 및 분석법 개발이 포함될 가능성이 높습니다. 진공 기술 지원과 관련하여 애질런트 제품과 전문 지식은 이 연구 분야를 발전시키는 데 중요한 역할을 계속할 것입니다.

진공 펌프의 숨은 영웅

"애질런트의 진공 펌프가 힉스 입자 발견, 중력파 검출, 그리고 이제 제어 핵융합에 이르기까지 지난 천 년 동안 가장 놀라운 실험의 성공에 기여한 것을 매우 자랑스럽게 생각합니다."라고 학계, 정부 및 연구 분야의 비즈니스 개발 매니저인 Mauro Audi는 말합니다.

진공 펌프는 여러 면에서 최근 가장 흥미롭고 혁신적인 연구 실험의 숨은 영웅이며, 애질런트는 그 역할을 수행하게 된 것을 영광으로 생각합니다.