Coherent NIF: 핵융합 에너지원 개발에 한 걸음 더 다가서다

여러분이 살아 있는 것은 핵융합 덕분입니다. 핵융합은 우리 태양의 에너지원이며, 태양은 지구상의 생명을 지탱하는 모든 에너지를 공급합니다. 과학자들은 1940년대부터 지구상에서 핵융합을 이용해 전기를 생산하기 위해 노력해 왔습니다. 그리고 최근 미국 국립점화시설(NIF) 에서 그 목표 달성에 한 걸음 더 다가섰습니다.

우리에게 이미 원자력 발전소가 있지 않나요?

오늘날 원자력 발전소는 핵분열을 통해 에너지를 생산합니다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄과 같은 큰 원자를 분열시키는 과정입니다. 이 과정은 막대한 에너지를 생성하지만, 동시에 방사성 폐기물도 발생시킵니다. 반면 핵융합은 원자(주로 특수한 형태의 수소 원자)를 결합시켜 핵분열보다 훨씬 더 많은 에너지를 방출합니다. 핵융합의 부산물은 헬륨으로, 방사성 물질이 아니기 때문에 유해 폐기물의 처리나 처분과 관련된 문제를 일으키지 않습니다.

그렇다면, 핵융합 반응을 일으키기 위해 필요한 태양 중심부와 같은 극한 환경은 실제로 어떻게 만들어낼 수 있을까요? 한 가지 방법은 500조 와트의 출력을 내는(20나노초 동안) 192개의 레이저 빔을 지름 몇 밀리미터에 불과한 연료 펠릿에 집중시켜, 이를 1억 °C까지 가열하는 것입니다.

그건 말 그대로 정말 간단해요!

그리고 이것이 바로 NIF가 실제로 달성한 성과입니다. NIF는 레이저 시스템 만들어진 레이저 시스템 가장 크고 가장 강력한 시스템이며, 그 복잡성과 정교함은 상상하기조차 어려울 정도라고만 말해두면 충분할 것입니다.

NIF 레이저는 미식축구장 3개 크기의 건물에 설치되어 있습니다. 이 시스템은 단일 적외선 광섬유 레이저의 출력을 분할한 뒤, 이를 수차례 증폭시켜 앞서 언급한 192개의 개별 레이저 빔을 생성합니다. 레이저가 제대로 작동하고 원하는 결과를 얻기 위해, 내부에는 다양한 빔 조정 및 변환 광학 장치가 설치되어 있습니다. 여기에는 적외선 레이저 광을 자외선으로 변환하는 비선형 결정이 포함되는데, 이는 핵연료 펠릿과 더 잘 반응합니다.

Coherent 고에너지 레이저 광학 장치 주력하고 Coherent

Coherent (Coherent Tinsley)는 NIF가 “최종 광학 어셈블리(Final Optics Assembly)”라고 부르는 장치에 사용되는 웨지형 초점 렌즈(WFL)를 공급함으로써 이 작업에 기여하고 있습니다. 이는 레이저 빔을 핵융합 펠릿에 집중시키는 시스템의 구성 요소입니다.

각 WFL은 고품질 용융 실리카로 렌즈 400mm x 400mm 크기의 7.7m 초점 거리 오프축 비구면 렌즈 . 당사는 정밀도 이러한 부품에 요구하는 탁월한 수준의 정밀도 달성하기 위해 컴퓨터로 제어되는 일련의 연마 및 측정 장비를 활용합니다.

WFL을 제작할 때 가장 중요한 고려 사항 중 하나는 고출력 레이저 에너지 흡수 인한 광학 부품 손상의 가능성을 최소화하는 것입니다. 이는 생산의 모든 단계에서 표면 오염을 방지해야 함을 의미합니다. 이를 위해 해당 부품의 전체 연마 공정은 클린룸 환경에서 수행됩니다. 또한, WFL 제작의 마지막 단계는 산욕조에 담가 외부 연마 유리층을 에칭하여 제거하는 것입니다. 이 유리층 아래에는 레이저 성능을 저하시킬 수 있는 불순물이나 표면 아래 손상이 숨어 있을 수 있기 때문입니다.

이러한 모든 예방 조치에도 불구하고, NIF 시스템에서 레이저 에너지 막대한 레이저 에너지 인해 WFL 및 기타 광학 부품 의 수명은 한정되어 있어 지속적으로 교체되어야 합니다. 따라서 Coherent NIF에 이러한 부품을 꾸준히 공급하고 있습니다. 또한, 여기서 가장 중요한 요건은 각 부품 간 또는 시간이 지남에 따라 성능에 차이가 없어야 한다는 점입니다. 당사는 이러한 대구경 정밀도 비구면 광학 부품을 대량으로 일관되게 생산할 수 있는 세계에서도 손꼽히는 제조사 중 하나입니다.

하지만 NIF는 레이저 출력을 지속적으로 높이고 있습니다. 따라서 WFL에 대한 요구 사항이 높아짐에 따라, 우리 역시 더욱 우수하고 결점 없는 광학 표면을 제공하기 위해 제조 공정을 끊임없이 개선해야 합니다.

해가 뜬다

NIF 레이저가 극한의 조건을 구현하고 있음에도 불구하고, 아직 지속적인 핵융합 반응을 일으키지는 못했다. 다른 누구도 성공하지 못했다. 구체적으로 말하면, 목표는 ‘점화’를 달성하는 것인데, 레이저 에너지 투입된 레이저 에너지 더 큰 융합 레이저 에너지 생산량을 의미한다.

하지만 2021년 8월 8일, NIF는 1.3메가줄(MJ) 이상의 에너지를 생성하는 핵융합 반응을 일으킴으로써 그 목표에 한 걸음 더 다가섰습니다. 이는 기존 기록보다 8배나 더 많은 수치입니다. 또한, 이로써 우리는 자립형 핵융합 실현에 한 발짝 더 가까워졌습니다.

Coherent 당사의정밀도, 대구경 광학 장비가 NIF는 물론 제임스 웹 우주 망원경 및 서른 미터 망원경과 같은 다른 최첨단 연구 프로젝트에서도 중요한 역할을 수행하고 있다는 점에 큰 자부심을 느낍니다 .

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