무슨 뚱딴지 같은 소리인가 하고 고개를 갸우뚱하게 만들 정도로 기상천외한 이야기로 들린다. 하지만 실제 미국국립점화장비실(National Ignition Facility·NIF)과학자들은 별빛이 보여주는 연소(폭발)의 원리를 그대로 적용해 강력한 에너지를 만들어 내는 연구를 진행하고 있다.
이들은 오실레이터를 통해 별빛에서 나오는 것과 같은 적외선을 발생시키고 증폭시킨 후 강력한 공모양의 금속 챔버 속에서 이를 폭발시켜 초당 400만W의 엄청난 에너지를 확보하는 연구를 진행하고 있다.
▲미 로렌스리버모어국립연구소 부설 별빛 발전소인 NIF 챔버의 모습 NIF는 별빛과 같은 적외선을 증폭시켜 엄청난 청정 에너지를 생산할 수 있는 미래에너지를 기대케하고 있다.<씨넷>
핵분열을 이용한 원자력 발전, 플라즈마를 자기장 시설(토카막 Tokanmak)에서 발생시켜 에너지를 만들려는 인공태양기술 등에 이은 또하나의 차세대에너지원 연구인 셈이다. 이들 과학자는 세계 최대의 최고 에너지레이저 핵융합을 통해 연구소에서 에너지를 얻는 최초의 사례가 되는 것을 목표로 하고 있다.
씨넷은 7일(현지시간) 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)의 국립점화시설(NIF) 과학자들이 진행 중인 별빛의 연소원리를 이용한 거대한 레이저융합에너지 발생 실험현장을 소개했다.
보도에 따르면 NIF과학자들은 별빛과 같은 레이저를 이용해 거대에너지를 발생시키는 이 기술이 15~20년내 실용화될 것으로 보고 있다.
■별빛으로 1초에 400만W 생산을 꿈꾼다
이 시스템이 NIF과학자들의 기대치를 충족시킬 만큼의 결실을 맺을지는 알 수 없다.
하지만 과학자들은 이 시설을 이용, 사람의 머리카락보다 넓지 않는 하나의 레이저빔을 192개의 빔으로 바꿔주고 최종적으로 연료덩어리에 집중시켜 폭발시키면서 놀라운 에너지를 얻는 과학적 성과를 얻게 된다.
▲ 별빛연소 원리를 적용, 적외선을 증폭시켜 엄청난 에너지연구를 진행하고 있는 캘리포니아 소재 로렌스리버모어국립연구소(LLNL)의 항공사진.
마스터 오실레이터에서 나오는 적외선(Infra Red)레이저 빔은 미식축구장 3개 넓이의 두개로 이뤄진 빔 증폭장치를 갖춘 높이 25미터 건물 속의 여러 관을 거치면서 증폭에 증폭을 거듭한다.
증폭된 빔은 최종적으로 과학자의 키보다 큰 커다란 공모양의 구조물 윗부분에 설치되어 있는 에너지 발생장치로 모아진다.
이 장치는 모두 합쳐서 4백만 줄(joule)의 에너지를 생산해 낼 수 있도록 설계됐다. 이는 1초에 400만와트를 생산한다는 의미다.
더 놀라운 것은 이 NIF라는 빛증폭라인에서는 마스터 오실레이터에서 나온 10억분의 1 줄(joule)의 미약한 에너지를 500만분의 1초라는 짧은 시간동안에 400만 줄의 엄청난 에너지로 변환시키게 된다는 점이다. 1줄(Joule)은 1초에 1W를 생산하는 일의 양으로 정의된다.
NIF는 지난해 완성돼 국립연구소 융합에너지연구원,학계는 물론 미에너지부(DOE)에 의해 사용될 전망이다.
그것은 세계에서 가장 크고 높은에너지 레이저로서 핵융합과 함께 연구소에서 에너지를 얻는 최초의 사례가 되는 것을 목표로 하고 있다.
LLNL은 이에대해 “결국 지구에 소형별을 만들어내는 것”이라고 말했다.
■건물자체가 거대한 빛 증폭시스템
이 거대한 시스템은 높이가 25미터 건물이며 미식축구장 3개 크기의 면적에 위치한 2동의 빛 증폭 라인으로 이뤄져 있다.
건물자체가 빛증폭라인으로 이뤄진 이 설비는 결국 건물내 마스터 오실레이터에서 192개의 레이저빔을 건물내 1500미터의 내부 관을 통해 타깃챔버까지 이르도록 하는 장치다.
마스터오실레이터에서 미약하게 쏘아져 시작된 빔은 192개의 빔으로 나눠져 증폭과정을 거쳐 최종적으로는 공처럼 생긴 작은 지름 10mm짜리 타깃인 연료덩어리에 집중된다.
▲건물 중앙에 있는 마스터 오실레이터에서 나온 적외선이 수많은 빛증폭관들을 거쳐 증폭을 거듭한 끝에 최종적으로 공모양 챔버에서 폭발해 엄청난 에너지를 발생시킨다.
이 과정은 마치 하늘에 있는 별들에게서 발생하는 융합현상과 똑같은 과정으로 만들어진 것으로서 미래의 에너지를 위한 연구의 일환이다.
NIF 빛증폭시스템은 수십억분의 1 주울의 약한 에너지를 192개의 빔으로 나눠 증폭시킨 후 다시 모아 연료와 부딪치게 하는 방법으로 400만줄(초당 400만 와트)의 에너지를 만들도록 해준다. 이는 당초의 1000조배의 에너지로 증폭된 것이다.
최종적으로 나오는 빛인 자외선은 원래 마스터오실레이터에서 적외선으로 시작, 1000조 배의 자외선으로 증폭돼 연료덩어리에 집중된다. 이후 이는 폭발해 엄청난 에너지를 발생하게 된다. 증폭된 빔은 최종적으로 타깃 챔버 공간의 중심부에 있는 타깃 연료물질에 부딪쳐 융합 폭발하면서 엄청난 에너지를 발생시키게 된다.
■이르면 향후 15년내 별빛 핵융합 발전
이 기술은 매우 높은 수준의 기술로서 스위치야드라고 불리는 일련의 증폭기와 거울을 채택해 원래 머리카락 굵기인 레이저빔을 쪼개게 된다. 이 잘게 나눠진 빛은 NIF건물내에서 빔증폭을 위한 총 1천500m에 이르는 빔 증폭을 위한 관의 경로에 따라 증폭을 거듭해 최종적으로 지름이 사람키를 넘어서는 금속 공의 연료에 이르게 된다.
▲증폭된 빛은 최종적으로 이 타깃 챔버의 중앙에서 연료덩어리에 집중돼 폭발을 일으키게 된다. 향후 15년 후 초당 400만W를 발전시킬 미래의 에너지원이다.
▲ 금속 챔버의 중앙에 놓이게 되는 지름 10mm의 연료 타깃.
NIF는 “마스터 오실레이터에서 나온 초기 빔은 예비 증폭기에 의해 48개 빔으로 분리된 후 각 빔이 다시 4개의 빔으로 쪼개진후 192개의 메인 레이저증폭기 빔 증폭 라인으로 주입된다”고 설명했다.
NIF과학자들의 희망은 15~20년내 이 건물형 발전소를 가동할 수 있도록 하는 것이다. 현재 이 시설은 가능성을 증명할 실험시스템으로서 운영되고 있다.
하지만 이조차도 2개의 10층짜리빌딩에 30억달러 이상의 투자비가 소요된 거대 프로젝트다. 결국 192개 레이저빔이 제결합해서 타깃의 수mm에 불과한 연료덩어리에 집중하게 된다. 하지만 타깃 챔버의 내부는 과학자들이 그 내부에서 일할 수 있을 정도로 커다란 공간을 확보하게 된다.
이 일등성이 만들어내는 192개의 레이저빔은 상당한 열을 만들어낸다. LLNL 과학자출신의 안내인 닉 윌리엄스에 따르면 이론적으로 최고 섭씨 1억별빛으로 에너지 생산한다.
■ 빛증폭시설의 이모저모
▲캘리포니아 리버모어국립연구소(LLNL)에는 국립점화시설(National Ignition Facility·NIF)이 자리하고 있다. 미식축구장 3개 크기의 이 시설은 그 자체가 발전소다.
▲ 로렌스리버모어국립연구소의 NIF입구.
▲사진 왼쪽에 겨우 보이는 사람의 크기가 NIF의 규모를 짐작케 한다.
▲거대한 빛 증폭 라인이라 할 수 있는 NIF.
▲ 레이저를 수소가 들어있는 원형 챔버에 넣고 폭발시키는 원리를 말해주는 스티커.
▲한가한 시간의 NIF 제어실. 일단 레이저가 쏘아지면 이 방은 사람들로 꽉 들어 찬다.
■별빛 융합을 통한 거대한 에너지 발생의 원리
▲ 축구경기장 3개규모의 빛 점화장비(NIF)는 온통 빛 증폭을 위한 설비로 구성돼 있다.
▲ 전방에 있는 관으로 둘러싸인 둥근 형태 원형 돔에서 거대한 폭발이 발생하며 에너지를 일으킨다.
▲ 빔들은 이 거대한 빔증폭라인을 거치며 증폭에 증폭을 거듭한다.
▲ 별빛 발전을 위한 오실레이터 위치.
▲마스터 오실레이터가 빛을 배분한다.
▲증폭라인을 거친 빔들이 타깃 챔버로 가기 직전 모습. 붉은색의 증폭된 빔은 청색의 타깃챔버로 집중돼 수소가 가득찬 챔버내 연료를 만나 폭발. 엄청난 에너지를 낸다.
