풍부한 중성자를 전달하는 새로운 핵융합 시도

       

풍부한 중성자를 전달하는 새로운 핵융합 시도  물질과 에너지 / 과학 2014/10/04 09:00 http://blog.naver.com/hansyoo/220139540452 전용뷰어 보기 풍부한 중성자를 전달하는 새로운 핵융합 시도 Oct 1, 2014, Edwin Cartlidge, physicsworld.com Z-머신의 내부: 매튜 고메즈(Matthew Gomez)와 동료들 ​    에너지 생산을 위한 핵융합을 위해 아주 작은 양의 물질을 분쇄하는 새로운 방법을 미 샌디아 국립연구소의 매튜 고메즈(Matthew Gomez) 연구팀이 선보였다. 연구원들은 Z-머신이라 명명한 실험실의 Z 펄스 전력 설비에서 생성되는 거대한 자기장을 이용했다. 아울러 2차 자기장 및 아주 짧은 레이저 펄스로 중수소 연료 튜브를 내파(implosion)시킨다. 이렇게 하면 연료의 온도가 3천5백만도 정도로 올라가면서 많은 중성자를 내놓는다. 핵융합이 진행된다는 신호다.    이 기술은 관성밀폐(inertial confinement) 방식을 새롭게 변환시킨 것인데, 관성밀폐란 아주 강력한 레이저 빔으로 수소의 동위원소인 중수소 및 삼중수소가 들어 있는 아주 작은 캡슐을 응축(squeeze)시키는 것이다. 이 과정에서 1억 도에 달하는 핫스팟(hot spots)이 생성되고 그 안에서 중수소와 삼중수소의 융합이 일어나면서 많은 양의 에너지가 나온다. 이것은 35억 달러 규모의 미국 NIF(National Ignition Facility, 국립점화시설) 연구원들이 지금까지 시도한 방법인데, 그러나 점화(핵융합)에는 실패했다. 점화 시점이란 핵융합 반응에서 나온 열이 더 많은 핵을 융합하여 레이저 빔이 때리는 타겟에서 방출되는 것보다 더 많은 에너지가 나오는 포인트다.     자기장의 차폐    내파(implosions) 부분을 개선하려는 시도에서 일부 물리학자들은 타겟을 차폐 자기장으로 감싸는데, 융합으로 생성되는 열과 입자를 더 많이 가두려는 목적이다. 3년 전 연구원들은 미국 로체스터(Rochester) 대학의 OMEGA 레이저로 구형 타겟이 내파될 때 손실되는 열량을 반으로 줄이려고 축 방향(실린더) 자기장을 이용했다. 구형 자기장은 이용할 수 없었다. 타겟을 통과하는 도체가 필요하기 때문인데, 그러자면 내파 과정에 방해가 된다.    최근 연구에서 고메즈 연구팀은 실린더형 타겟을 이용했다. 그리고 레이저를 이용하는 대신 MagLIF(magnetized linear inertial fusion, 자화 선형 관성 융합)라고 알려진 새로운 방법을 사용했다. 이 방법은 Z-모션의 굉장한 전기 에너지를 직접 운동 에너지로 변환한다. 중수소는 길이 7.5mm에 직경은 5mm가 약간 안 되는 실린더형 베릴륨 라이너(liner) 내부에 들어있다. 라이너 상부와 하부의 코일은 천분의 몇 초 동안 10T(테슬라) 크기의 축방향 자기장을 생성한다. 이렇게 되면 19MA(mega-ampere) 전류 펄스가 Z-머신을 거칠게 밀고 들어가 5000T 크기의 자기장을 생성하여 라이너와 그 안에 있는 연료를 응축시키는 동안 연료가 차폐된다. 현재는 100ns 이내에 펄스가 정점에 도달하는데, 정점에 도달하기 직전에 녹색 레이저에서 나오는 훨씬 짧은 펄스가 라이너로 발사되어 미리 연료를 가열하여 최종 온도와 압력까지 올려준다.     열중성자    연구팀에 따르면 격렬한 압축으로 "융합-관련 조건"(fusion-relevant conditions)이 만들어진다고 한다. 온도가 약 3천5백만 도 이상으로 올라가고 중성자가 10**12 정도 생성되는 조건을 말한다. 이 결과는 단 1J(주울)의 에너지 출력을 의미하는데 그러나 고메즈는 중수소-삼중수소 연료라면 300J 정도를 생성할 것이라고 말한다. 연구팀은 또한 중수소-중수소 주반응에서 나오는 부산물인 중수소-삼중수소 융합도 측정했다. 연구팀에 따르면 라이너 압축이 차폐 자기장을 강화시켜, 삼중수소 핵을 더 잘 가두어 두는 것을 보였는데, 타겟의 내파가 진행되면서 온도가 올라가면 입자를 가두어 두기 위해서 보다 강한 자기장이 필요하기 때문에 중요하다.    고메즈의 동료인 스티브 슬러츠(Steve Slutz)는 2010년 MagLIF 개념을 다듬었다. 그는 라이너가 70km/sec에서 어떻게 내파되는 지를 보였다. 이는 NIF의 300km/sec보다 훨씬 느리면서도 여전히 핵융합이 일어나기에 충분한 온도와 압력을 생성한다. 그는 Z-머신이 최대 전력인 27MA(mega-ampere)에서 작동하고 라이너에는 중수소-삼중수소 혼합물질이 채워지면, 연료에 전해지는 것과 같은 에너지가 융합 반응에서 나온다는 것을 계산했다. 약 100kJ 정도의 에너지다.     고가의 업그레이드가 필요    고메즈는 아직은 MagLIF에서 점화가 일어나려면 시간이 걸릴 것이라고 인정한다. 현재 중수소-삼중수소 에너지 출력의 약 3000배 정도인 약 1MJ 정도가 필요할 것으로 추산한다. 현재 Z-머신의 최대 전류 값을 적어도 두 배 높여야 하며, 그러려면 십억 달러는 아니라도 수억 달러는 들 것이라고 한다. - 네이버 블로그 <Physics of Dream>  hansyoo 님의 글 중에서 전재..