Coherent와 NIF: 핵융합 에너지원 창출에 한걸음 더 다가가다

Coherent Large-Aperture Optics의 도움으로 자체 유지 핵융합이라는 목표에 접근하는 세계 최대의 레이저 시스템.

2022년 2월 17일, Coherent

여러분은 핵융합 덕분에 살아 있는 것입니다. 핵융합은 태양의 에너지 공급원이며, 태양은 지구상의 생명을 유지하는 모든 에너지를 공급합니다. 과학자들은 1940년대부터 핵융합을 이용하여 여기 지구에서 전기를 생성하려고 노력했습니다. 또한 최근에는 미국의 NIF(National Ignition Facility)에서 그러한 목표를 달성하는 데 한 걸음 더 다가섰습니다.

우리는 이미 원자력을 가지고 있지 않습니까?

오늘날 원자력 발전소는 핵분열을 통해 에너지를 생산합니다. 핵분열은 우라늄이나 플루토늄 같은 큰 원자를 분열시킵니다. 핵분열을 통해 많은 전력이 생산되기도 하지만 방사성 폐기물도 발생합니다. 융합은 일반적으로 특수한 유형의 수소 원자인 원자를 결합하고, 핵분열보다 훨씬 더 많은 에너지를 방출합니다. 그 부산물은 방사성이 아닌 헬륨이므로, 유독성 폐기물을 취급하거나 폐기하는 문제를 일으키지 않습니다.

그렇다면 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 (태양 중심의 핵융합 반응 같은) 극한 조건을 실제로 어떻게 만듭니까? 한 가지 방법은 500조 와트(20나노초 동안)의 전력을 생산하는 192개의 레이저 빔을 가져와 직경이 몇 밀리미터에 불과한 연료 펠릿에 초점을 맞춰 최대 100,000,000°C까지 가열하는 것입니다.

그 과정이 아주 간단해 보일 수 있습니다!

그리고 그 방법이 바로 NIF가 실제로 달성하는 것입니다. NIF는 지금까지 만들어진 레이저 시스템 중 가장 크고 강력한 레이저 시스템이며, 거의 상상할 수 없을 정도로 복잡하고 정교합니다.

NIF 레이저는 미국 축구장 3개 크기의 건물에 있습니다. 단일 적외선 파이버 레이저에서 출력이 발생하는 과정부터 시작해 출력을 분할하고 여러 번 증폭하여 앞서 언급한 192개의 개별 레이저 빔을 생성합니다. 모든 종류의 빔 컨디셔닝 및 변환 광학 장치가 있어 올바르게 작동하고 원하는 결과를 얻을 수 있습니다. 여기에는 적외선 레이저 광을 자외선으로 변환하는 비선형 결정이 포함되며, 이러한 결정은 핵연료 펠릿과 더 잘 작동합니다.

고에너지 레이저 광학에 주력하는 Coherent

Coherent Tinsley는 NIF가 “최종 광학 어셈블리(Final Optics Assembly)”라고 하는 것에 사용되는 WFL(wedged focus lens)을 공급하여 이러한 노력에 기여하고 있습니다. 이러한 노력은 레이저 빔을 융합 펠릿에 집중시키는 시스템의 일부입니다.

각 WFL은 고품질 용융 실리카로 만든 크기 400x400mm, 초점 거리 7.7m인 축외 비구면 렌즈입니다. Coherent Tinsley는 컴퓨터 제어 연마 및 측정 도구 제품군을 사용하여 이러한 구성 요소에 대한 탁월한 수준의 정밀 NIF 요구 사항을 달성합니다.

WFL을 만들 때 가장 중요하게 고려해야 할 사항은 고출력 레이저 에너지의 흡수로 인한 광학 손상 가능성을 최소화하는 것입니다. 이러한 점은 생산의 모든 단계에서 표면 오염을 방지한다는 것을 의미합니다. 이러한 목표를 달성하려면, 이러한 구성 요소의 전체 연마 공정은 클린룸 조건에서 수행됩니다. 그리고 WFL의 가장 마지막 단계는 산성 수조에 담가서 레이저 성능을 저하시킬 수 있는 불순물이나 표면 아래 손상을 숨길 수 있는 외부 광택 유리 층을 에칭하는 것입니다.

이러한 모든 예방 조치에도 불구하고, NIF 시스템에서 생성되는 막대한 레이저 에너지로 인해 WFL 및 기타 광학장치의 수명이 유한하고 지속적으로 교체되는 것입니다. 따라서 Coherent Tinsley는 NIF에 이러한 제품을 꾸준히 공급합니다. 여기서 중요한 요구 사항은 이러한 구성 요소가 장치마다 또는 시간이 지나더라도 변하지 않는다는 것입니다. Coherent Tinsley는 지속적으로 대용량의 정밀 대기의 대형 광학 장치를 생산할 수 있는 세계에서 몇 안 되는 제조업체입니다.

그러나 NIF는 레이저가 생성하는 출력을 계속 높이고 있습니다. 따라서 자체 제작 프로세스를 지속적으로 개선하여 WFL에 대한 수요가 증가함에 따라 더욱 우수하고 깨끗한 광학 표면을 제공해야 합니다.