핵융합발전은 청정에너지를 만들어내는 미래의 기술로 알려져 왔지만, 최근 연구개발에 큰 진전을 나타나고 있습니다. 레이저를 이용한 핵융합발전의 중간 이정표는 '플라즈마 점화'에 있다고 알려져 있는데, 미국의 국립점화시설(NIF)가 이 중간 이정표에 도달하고 있다고 발표했습니다.
Laser fusion reactor approaches 'burning plasma'milestone | Science | AAAS
https://www.sciencemag.org/news/2020/11/laser-fusion-reactor-approaches-burning-plasma-milestone
Laser fusion reactor approaches ‘burning plasma’ milestone
After a decade, National Ignition Facility nears a self-heated, sustained reaction, though net energy gain is still elusive
www.sciencemag.org
2020년 지구상의 에너지는 거의 화석연료에 의해 조달되고 있습니다만, 화석연료는 유한하고 온실가스를 많이 배출하기 때문에 이것을 대체하는 지속가능한 에너지의 개발이 시급한 실정입니다. 이 가능성의 하나로 생각되고 있는 것이 핵융합 에너지입니다.
핵융합 에너지는 수소와 헬륨처럼 가볍고 작은 원자핵의 원자 또는 동위원소의 원자핵끼리 융합시킴으로써 얻어지는 에너지를 말합니다. 그리고 핵융합발전은 크게 분류하면, 강한 자력선을 발생시켜 플라즈마를 가두는 '자장밀폐방식'과 강력한 레이저를 연료에 조사함으로써 핵융합을 일으키게 하는 '관성밀폐방식'이 존재합니다. 여러 연구기관이 이러한 방법으로 개발을 진행하고 있으며, 프랑스에 건설 예정인 국제열핵융합실험로 'ITER'는 자장밀폐방식을 채용하고 있습니다. 건조를 시작했지만, 아직 목표로 하는 에너지 효율성의 실현은 멀었다고 합니다.
한편, NIF는 관성밀폐방식의 핵융합발전을 합니다. 관성밀폐방식은 연료의 표면에 레이저를 조사하여 플라즈마를 발생시키고 동시에 팽창하는 플라즈마를 레이저의 힘으로 억누르고 폭축(implosion)을 발생시킵니다. 이로 인해 발생하는 높은 온도와 압력으로 연료 내부에서 가벼운 원소를 융합시키는 구조입니다. 이 방식을 실현하기 위해서는 매우 강력한 레이저를 모든 방향에서 정밀하게 연료에 조사할 필요가 있다고 합니다. 레이저를 직접 연료로 조사하는 방법도 있지만, NIF는 Hohlraum라는 작은 금속을 가열하고 그 때 발생하는 X선 펄스에 의해 연료캡슐이 가열되여 핵융합이 발생하는 간접적인 방식을 채용하고 있습니다.
NIF는 2010년부터 핵융합발전 실험을 실시하고 있었는데, 처음 3년간은 한번의 레이저 조사로 약 1kJ의 에너지밖에 얻지 못하여 목표까지는 요원한 상태였습니다. 당시의 상황에 대해 연구원은 "시뮬레이션에 과도하게 의존하고 있었다"고 말합니다.
연구팀은 테스트 장비를 업그레이드하고 중성자 검출기를 추가하여 핵융합 반응이 일어나는 영역의 3D뷰를 가능하게 했습니다. 또한 연구팀은 에너지 누수를 추적하고 문제를 파악 · 해결했습니다. 또한 초기의 레이저 조사에서는 온도 상승이 천천히 이루어져 압축이 어려웠는데, 이에 연구팀은 온도를 올리고 X선 에너지를 연료캡슐이 더 흡수할 수 있도록 조치했습니다. 그리고 더 연료를 효율적으로 연소할 수 있도록 캡슐의 소재는 플라스틱에서 밀도가 높은 다이아몬드로 바꾸었습니다.
몇 년에 걸쳐 이러한 개선을 거듭한 결과, NIF는 한번의 레이저 조사로 60kJ 가까운 에너지를 만들어 낼 수 있게 되었습니다. NIF의 디렉터인 마크 허먼 씨에 따르면, NIF는 가까운 시일 내에 'NIF가 얼마나 플라즈마 연소에 접근했는가?'를 확인하기 위해 레이저를 연속 조사하여 측정을 할 예정이라고 합니다. 이 측정에서는 1회당 에너지량이 100kJ 가까이 될 것으로 기대되고 있습니다. NIF가 일단 임계값에 도달하면 핵융합이 더욱 쉽게 된다고 허먼 씨는 말합니다.
핵융합발전이 현실화될지 여부는 아직 미지수이지만, 이를 위해 시도할 여지는 여전히 남아있고 합니다. 허먼 씨는 "나는 낙천주의자이며 가능한 한 NIF를 추진해 나갈 것입니다"라고 말하며, Hohlraum의 모양과 종류를 변경할 수도 있으며 X선 에너지를 보다 효율적으로 가두는 이중벽 연료캡슐 등 다양한 아이디어에 도전해 간다고 말합니다.
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