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Nikkei X-TECH_2023.8.31

미국 LLNL, 두 번째 레이저 핵융합 실험에 성공
에너지 수지에 과제

미국 로렌스리버모어국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)는 7월 30일에 실시한 레이저 핵융합 실험에 성공했다고 발표했다. 레이저 핵융합 실험에서 에너지 증가를 관측한 것은 LLNL이 지난 2022년 12월에 실시한 실험에 이어 이번이 두 번째로, 전 회보다 에너지 수지가 개선되었을 가능성이 있다고 한다.

<LLNL의 핵융합 실험 개요>
- 올 7월에 LLNL로는 두 번째 레이저 핵융합 점화 실험에 성공
- 2022년 12월에 실시한 이전 실험과 비교해 에너지 수지가 개선되었을 가능성도
- 발전에 응용하기 위해서는 에너지 수지와 레이저 성능 개선이 불가결

이번 핵융합 실험은 LLNL이 7월 30일, 국립점화시설(NIF)에서 실시했다. 미국 에너지 부(DoE)에 따르면, 2022년 12월에 실시한 이전 실험보다 에너지 수지를 높일 수 있었다고 한다. 향후 학술 회의 및 논문 등을 통해 상세한 분석 결과를 보고할 예정이다. 이전 실험에서는 타깃의 연료에 2.05메가쥬르(MJ)의 레이저를 조사해 그 약 1.5배인 3.15MJ 에너지를 얻을 수 있었다고 한다.

핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵을 고온 및 고압 하에서 융합시켜 무거운 원자핵으로 변화되는 과정에서 엄청난 에너지가 방출되는 반응이다. 많은 연구에서는 핵융합으로 얻은 열로 터빈을 회전시켜 전력으로 변환하는 방법이 검토되고 있다.

LLNL의 실험에서는 중수소(D)와 삼중수소(T)를 수 mm의 구형(球型)으로 굳힌 연료에 강력한 레이저 펄스를 주위에서 조사(照射)해 압축(폭발)시켜 중수소와 삼중수소의 핵융합 반응을 일으키는 구조이다.

-- 에너지 수지 개선이 열쇠 --
하지만 레이저의 에너지 수지에는 과제가 있다. 타깃에 도달하기까지 레이저 광을 발생시켜 증폭되는 과정에서 에너지의 대부분이 손실된다. 또한 핵융합발전에 응용하기 위해서는 설비 운용이나 열 회수를 위한 전력을 조달할 수 있을 정도의 에너지 출력을 추출해야 할 필요가 있어 한층 더 에너지 수지 개선이 요구된다.

핵융합발전을 실현하는 방법으로는 주로 ‘자기장 감금 방식’과 ‘레이저 방식(관성 감금 방식)’이 연구되고 있다. 자기장 감금 방식은 자기의 힘을 이용해 고온의 플라즈마를 가두어 유지하고 그 안에서 핵융합을 일으킨다. 실현되면 장시간 안정적으로 에너지를 출력할 수 있어 기존 화력발전이나 원자력발전을 대체할 수 있을 것으로 전망된다.

반면, LLNL 등이 채택한 레이저 방식은 구형의 연료에 레이저를 조사해 가열·압축시켜 순간적으로 핵융합 반응을 일으키는 방식이다. 반응을 일으키는 핵융합로는 작아서 연료 투입량에 따라 출력을 조절할 수 있기 때문에 효율성이 높은 발전 방식이라 할 수 있다. LLNL 외에도 오사카대학과 구미(歐美) 및 일본의 핵융합 스타트업들이 이 방식을 채택하고 있다.

하지만 레이저 핵융합을 발전에 이용하려면 소규모 핵융합을 단속적(斷續的)으로 일으킬 필요가 있다. 고출력 레이저를 단시간에 반복 조사해 단속적으로 핵융합 반응을 일으켜야 한다. 현재의 고출력 레이저는 몇 시간에 한 번의 페이스로만 조사할 수 있지만, 상용로에서는 레이저를 초당 10회 정도 조사할 필요가 있는 것으로 알려져 있어 레이저 성능 개선이 요구된다.

일본에서는 하마마쓰(浜松)포토닉스가 고출력 및 고반복의 특성을 가진 펄스 레이저 장치 개발에 주력하고 있으며, 올 1월에는 출력 에너지가 100J인 펄스 레이저로 10Hz의 반복 주파수를 달성했다.

향후 성능을 높여 나감으로써 핵융합에 응용할 수 있는 장치 개발을 목표로 하고 있다. 오사카대학 발 스타트업인 엑스퓨전(EX-Fusion, 오사카)은 레이저 핵융합 실현을 위해 레이저를 정밀하게 제어하는 기술 등을 개발하고 있다.

■ 키워드
레이저 핵융합발전: 고출력의 레이저로 핵융합을 일으켜 발전에 이용하는 기술. 관성 핵융합 방식이다. 레이저를 이용한 고온 및 고압 하에서 수소 등의 가벼운 2개의 원자핵을 융합시켜 방대한 에너지를 만들어 낸다.

핵융합에서 발생되는 열을 이용해 터빈을 회전시켜 전력으로 변환. 작은 구형의 연료 군에 레이저를 반복 조사해 단속적으로 핵융합을 일으켜 발전에 이용한다. 핵융합에는 고출력의 레이저를 1초에 10회 이상 조사할 필요가 있어 레이저 출력 향상과 고반복 조사를 실현해야 한다는 과제가 있다.

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