에너지 초대형 레이저를 이용한 핵융합, 석유 의존도 감소 가능성

[お持て成し]

초대형 레이저를 이용한 핵융합, 석유 의존도 감소 가능성 / 3월 18일(수) / Forbes JAPAN

미국 로렌스 리버모어 국립연구소에 있는 레이저 핵융합 실험 시설의 국립 점화 시설(NIF)에서, 핵융합 연료의 격납용기 타깃 챔버에 유도되는 레이저 에너지를 증폭하는 프리앰프 모듈(PAM)의 모습 (Lawrence Livermore National Laboratory) 

1973년부터 오늘까지, 중동 전쟁의 영향으로 원유 가격이 급등하면서 언제나 사람들의 고민거리가 되고 있다. 하지만 석유 의존을 영원히 끝낼 수 있다면, 어떻게 될까? 이는 사람들의 오랜 꿈이었으며, 이제 현실에 최소한 한 걸음 다가선 것은 미국 과학의 대담한 위업인 거대한 레이저 덕분이다. 

나는 매일 미국 뉴욕주에 있는 로체스터 대학교에 차로 출근하는 길에, 대학 부속 레이저 에너지 연구소(LLE) 옆을 지나간다. LLE(통칭 레이저 연구소)는 미국 에너지부(DOE)의 시설로, 매우 대형 레이저를 여러 대 보유하고 있다. 세부 사항은 복잡하지만(나중에 자세히 설명할게), 임무는 간단해. 국가 안보를 위해 건설된 초대형 레이저를 이용해 연료 물질에 압력을 가하는 것이다. 목성의 핵과 태양 중심부를 상상해 보라. 핵융합 연구는 DOE의 국가안보 계획에 중요한 동시에, 풍부한 에너지와 하이테크 고용 창출의 길을 열어준다. 

오늘날 에너지 비용에 모두가 고민하고 있는 상황에서, 우리가 살아 있는 동안 일어날 수도 있는 에너지 혁명에 대해 정리하고 설명해 두는 것도 좋겠다고 생각했다. 아직도 앞날에 중요한 과제가 남아 있어 목표가 수십 년 뒤가 될 수도 있지만, 불과 몇 년 전에는 최소한 하나의 열쇠가 되는 이정표를 달성했다. 

■ 핵융합이란

태양이 빛나는 것은 핵융합 반응이 일어나고 있기 때문이다. 수소와 같은 단순한 원자들이 매우 촘촘히 압축되어 하나로 합쳐져, 다소 복잡한 원소인 헬륨이 되는 반응이다. 에너지(E)와 질량(m)의 등가성을 나타내는 물리학자 알버트 아인슈타인의 유명한 법칙 E=mc²(빛의 속도는 c)에 의해, 수소가 융합해 헬륨이 형성되는 핵융합 반응에서는 아주 작은 질량이 에너지로 변환된다. 이 에너지를 포착하면 발전 터빈과 같은 장치를 구동할 수 있다. 

핵융합은 기존 원자력 발전소에 동력을 공급하고 있는 핵분열 반응과는 전혀 다르다. 핵분열 반응은 우라늄 등 큰 원소의 원자핵을 분열시켜, 이 과정에서 유용한 에너지를 추출하지만, 오염 물질이 발생한다. 대량의 방사성 폐기물이 남게 되므로 수만 년에 걸쳐 안전하게 보관해야 한다. 하지만 신세대 핵분열로는 훨씬 적은 양의 폐기물만 발생한다는 점도 주목할 만하다. 반면 핵융합에서는 우려되는 것이 거의 발생하지 않아, 시동 연료로 기본적으로 해수를 사용할 수 있을 것으로 보인다. 

그렇다면 아직도 핵융합로가 존재하지 않는 이유는 무엇일까?

핵융합은 실험실 안에서 달성하기가 정말 어렵다는 것이 밝혀졌다. 태양은 방대한 양의 물질 중력을 이용해 수소 원자핵을 압축하고, 핵융합 조건을 구현하고 있다. 안타깝게도, 태양에 해당하는 양의 물질을 지구상의 실험실 안에 가득 채우는 것은 불가능하다. 즉, 과학자는 다른 방법으로 수소를 압축해 수천만도에 달하는 고온과 초고압이라는 핵융합 조건을 구현해야 한다는 뜻이다. 

◇ 초대형 레이저로 핵융합 브레이크 이븐을 달성

■ 초대형 레이저

자기장을 이용해 수소 연료를 가두어 융합시키는 목적으로 다양한 방법이 시도되고 있다. 지금도 앞날이 밝은 방향으로 나아가고 있다는 점은 변함없지만, 아직 실제로 기대에 부응하는 성과를 내지는 못하고 있다. 이에 대한 대안으로, 강력한 광빔을 이용해 수소 원자핵에 압력을 가하는 방법이 있다. 멋진 아이디어지만 레이저를 사용하지 않으면 제대로 작동하지 않는다. 1960년대에 발명된 레이저는 광원에서 방출되는 빛의 파동이 모두 일치하기 때문에 매우 높은 밝기와 에너지를 가질 수 있다. 

하지만 핵융합을 일으키려면 정말 대형 레이저가 필요하다. 얼마나 큰지 말하자면, 내가 연구 그룹에 소속된 레이저 연구소(LLE)의 레이저 장비가 보관된 건물은 축구장만큼이나 크다. 레이저를 조사할 때마다 약 30조 와트(W)의 에너지가 목표(표적)에 전달된다. 출력을 비교하면, 고양이 장난감에 쓰이는 레이저 포인터의 약 10억 배에 또 10억 배에 해당한다. LLE의 타깃 챔버(수용 용기) 안에서는 이 빛 에너지 전부를 연료인 수소가 들어 있는 미세한 캡슐에 조사해 원자의 급격한 압축(폭축)을 일으키고, 핵융합에 가까운 상태를 만들어낸다. 

여기서 핵융합에 가까운 상태라는 표현을 쓰는 이유는, 핵융합 발전소를 실현하려면 이른바 ‘브레이크 이븐’ 상태가 필수적이기 때문이다. 즉, 목표물에 투입하는 양보다 더 많은 에너지를 핵융합 반응에서 추출해야 한다. 이러한 이유로 미국은 LLE를 뛰어넘는, 국립 점화 시설(NIF)이라 불리는 더욱 거대한 슈퍼 레이저를 건설했다. NIF는 미국 캘리포니아 주 로렌스 리버모어 국립 연구소 안에 있다. 출력은 LLE 레이저의 30배이며, 축구장 3면 규모에 해당한다. 2022년에는 과학자 팀이 NIF를 활용해 매우 중요한 이정표인 브레이크 이븐을 달성했다. 수십 년에 걸친 핵융합 연구와 밝은 전망의 결과, 인류는 마침내 지구상에서 빛나는 항성을 현실화할 수 있음을 증명했다. 

■ 핵융합의 앞날

브레이크 이븐에서 상업용 핵융합 발전소 가동까지의 길은 아직 멀다. NIF에서는 레이저를 하루에 한 번 정도만 조사할 수 있다. 실용적인 핵융합로에서는 레이저를 1초에 여러 번 반복해서 조사해야 한다. 즉, 목표에 도달하려면 지금보다 훨씬 많은 과학적 지식과 기술이 필요하다는 뜻이다. 다행히도 LLE 레이저는 하루에 약 15회 조사할 수 있어, 손익분기점을 달성하기엔 규모가 너무 작더라도 핵융합 발전소 구현을 위한 새로운 아이디어를 검증하는 작업의 큰 부분을 차지한다는 점은 변함없다. 또한 LLE에서는 태양계 외 행성인 슈퍼어스(지구보다 크고 내부 압력이 높은 암석 행성)의 중심핵 상태를 조사하는 등 흥미로운 과학 프로젝트도 진행하고 있다. 

이 기사에서 언급한 바에 따르면, 인류의 상상력이 놀라울 정도로 풍부하다는 것을 알 수 있다.

태양 에너지를 활용한다는 것은 매우 거대한 목표다. 그 목표에 도달하려면 과학자들이 빛의 성질이나 레이저의 가능성 등 우주의 본질에 관한 기본적인 연구 성과들을 도입하고, 그 규모를 계속 확대해 나가야 한다. 

세계 최초의 레이저 발명부터 축구장 정도 크기의 레이저 장치를 건설해 별 중심부에서만 볼 수 있는 조건을 재현하는 데 걸린 시간은 겨우 수십 년에 불과하다. 

LLE에 갈 때마다 나는 이런 상상력과 거대한 목표에 대해 생각을 거듭한다.

超巨大レーザーによる核融合、石油への依存を削減する可能性

超巨大レーザーによる核融合、石油への依存を削減する可能性（Forbes JAPAN） - Yahoo!ニュース

超巨大レーザーによる核融合、石油への依存を削減する可能性 / 3/18(水) / Forbes JAPAN

米ローレンス・リバモア国立研究所にあるレーザー核融合実験施設の国立点火施設（NIF）で、核融合燃料の格納容器ターゲットチャンバーに導かれるレーザーのエネルギーを増幅するプリアンプモジュール（PAM）の様子（Lawrence Livermore National Laboratory）

1973年から今日まで、中東での戦争の影響による原油価格の高騰が常に人々の悩みの種となっている。だが、石油への依存を永久に終わらせることができたら、どうなるだろうか。これは人々の長年の夢であり、今や現実に少なくとも一歩近づいているのは、米国の科学の大胆な偉業である、とてつもなく強力な巨大レーザーのおかげだ。

【米】米国の巨大なレーザー核融合実験施設「国立点火施設（NIF）」

私は毎日、米ニューヨーク州にあるロチェスター大学に車で通勤する途中で、大学付属のレーザーエネルギー研究所（LLE）の横を通る。LLE（通称レーザー研）は米エネルギー省（DOE）の施設で、非常に大型のレーザーを何台も保有している。詳細は複雑（後で詳しく述べる）だが、任務はシンプル。国の安全保障のために建造された超巨大レーザーを用いて、燃料物質に圧力をかけることだ。木星のコア（核）や太陽の中心部を想像してほしい。核融合研究は、DOEの国家安全保障計画にとって重要であると同時に、豊富なエネルギーとハイテク雇用創出に道を開くものだ。

今日、エネルギーコストに誰もが頭を悩ませている中、自分たちが生きているうちに起こるかもしれないエネルギー革命について整理して説明しておくのもいいだろうと考えた。いまだ前途に重要な課題があり、ゴールは数十年先になるかもしれないが、ほんの数年前には少なくとも1つの鍵となる節目を達成している。

■ 核融合とは

太陽が輝いているのは、核融合反応が起きているからだ。水素のような単純な原子同士が非常に密に圧縮されることで一体化（融合）し、より少し複雑な元素のヘリウムになる反応だ。エネルギー（E）と質量（m）の等価性を表す物理学者アルバート・アインシュタインの有名な法則E=mc2（cは光速）により、水素が融合してヘリウムができる核融合反応では、わずかな質量がエネルギーに変換される。このエネルギーを捕捉すれば、発電タービンのようなものを動かすことができる。

核融合は、既存の原子力発電所に動力を供給している核分裂反応とはまったく異なる。核分裂反応はウランなどの大きな元素の原子核を分裂させ、この過程で有用なエネルギーを抽出するが、汚染物質が発生する。大量の放射性廃棄物が残されるため、数万年間にわたって安全に保管しなければならない。だが、新世代の核分裂炉は、はるかに少量の廃棄物しか生じないことも注目に値する。その一方で、核融合では懸念すべきものがほぼ何も発生せず、始動の燃料として基本的に海水を用いることができるだろう。

では、いまだに核融合炉が存在しないのはなぜだろうか。

核融合は実験室内で達成するのが本当に難しいことが判明している。太陽は膨大な量の物質の重力を用いて水素の原子核を圧縮し、核融合条件を実現している。残念ながら、太陽に相当する量の物質を地球上の実験室内に詰め込むことは不可能だ。すなわち、科学者は別の方法で水素を圧縮し、数千万度の高温と超高圧という核融合条件を実現する必要があるわけだ。

超巨大レーザーで核融合ブレークイーブンを達成
■ 超巨大レーザー

磁場を利用して水素燃料を閉じ込めて融合させる目的で、様々な方法が試みられている。今も前途有望な方向に進んでいることに変わりはないが、まだ実際に期待の成果を上げるには至っていない。この代替案として、強力な光ビームで水素原子核に圧力をかける方法がある。すばらしいアイデアだが、レーザーを使わないと正しく機能しない。1960年代に発明されたレーザーは、光源から放射される光の波がすべて揃っているため、非常に高い輝度とエネルギーを持つことができる。

だが、核融合を起こすには本当に大型のレーザーが必要になる。どのくらい大型かというと、私が研究グループに所属するレーザー研（LLE）のレーザー装置が収容されている建物はサッカー場ほどの大きさがある。レーザーを照射するたびに、約30兆ワット（W）のエネルギーがターゲット（標的）に伝えられる。出力を比較すると、猫じゃらしに使うレーザーポインターの約10億倍のさらに10億倍に相当する。LLEのターゲットチャンバー（格納容器）内では、この光エネルギーのすべてを燃料の水素が封入された微小なカプセルに照射して、原子の急激な圧縮（爆縮）を引き起こし、核融合に近い状態を作り出す。

ここで核融合に近い状態という表現を用いているのは、核融合発電所の実現には、いわゆる「ブレークイーブン」状態が不可欠だからだ。すなわち、ターゲットに投入する量以上のエネルギーを、核融合反応から取り出さなければならない。そういう理由から、米国はLLEを超越した、国立点火施設（NIF）と呼ばれるさらに巨大なスーパーレーザーを建造した。NIFは米カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所内にある。出力はLLEのレーザーの30倍で、サッカー場3面分の大きさがある。2022年には科学者チームがNIFを用いて、極めて重要な節目であるブレークイーブン超えを成し遂げた。数十年に及ぶ核融合の研究と明るい見通しの結果、人類はついに地球上で輝く恒星を現実化できることを証明したのだ。

■ 核融合の前途

ブレークイーブンから、商用の核融合発電所の稼働までの道のりはいまだ遠い。NIFでは、レーザーを1日1回程度しか照射できない。実用的な核融合炉では、レーザーを1秒間に何度も繰り返し照射する必要がある。すなわち、目標に到達するには今よりはるかに多くの科学的な知識と技術が必要になるわけだ。幸いにも、LLEのレーザーは1日に約15回照射できるため、ブレークイーブンを達成するには小型すぎるとしても、核融合発電所を実現するための新たなアイデアを検証する作業の大きな部分を占めることに変わりはない。さらにLLEでは、太陽系外惑星のスーパーアース（地球より大きく内部圧力も高い岩石惑星）の中心核の状態を調べるなどの興味深い科学プロジェクトも行っている。

この記事で述べてきたことからわかるのは、人類の想像力が驚くほど豊かであることだ。

太陽のエネルギーを利用するというのは、極めて壮大な目標だ。そこに到達するには、科学者が光の性質やレーザーの可能性などの宇宙の本質に関する基本的な研究成果の数々を取り入れ、その規模をどんどんと拡大していく必要がある。

世界初のレーザーの発明から、サッカー場ほどの大きさのレーザー装置を建造して恒星の中心部でしか見られない条件を再現するに至るまでに要した時間は、ほんの数十年にすぎない。

LLEに行くたびに私は、このような想像力と壮大な目標について思いを巡らせている。いつの日か、おそらく数十年以内には、誰もが自分の暮らす町に電力を供給している地元の核融合炉の近くを車で通る際に、同じことを考えるかもしれない。

Adam Frank