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이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.오사카대학 레이저에너지학 연구센터장_미마 쿠니오키(三間 興)레이저 발명부터 레이저 플라즈마 물리연구의 발전까지레이저가 발명되고 얼마 지나지 않은 1960년대 중반부터 레이저의 고출력·고에너지화와 기계연구를 첫 시작으로 해서 레이저 플라즈마 연구, 계속해서 레이저 핵융합 연구가 진행되었다. 지금까지의 레이저 플라즈마 물리와 레이저 핵융합 연구는 고출력레이저 연구와 ‘꼬인 줄’처럼 상호적으로 서로 연결되어 발전해 왔다. 1970년대의 모드록 레이저의 출현으로 대규모 레이저 플라즈마 연구가 본격화했고 다양한 레이저 플라즈마의 비선형 현상이 연구되어 솔리돈과 웨이브 브레이킹 등의 개념이 생겨남과 동시에 레이저 입자가속, 레이저 플라즈마 방사원 등의 연구가 개시되었다. 이처럼 연구의 폭넓은 전개가 역으로 고출력 레이저 기술의 급속한 발전을 촉진했다. 레이저 핵융합에서는 핵융합 연료 팔레트를 레이저로 고강도 조사(1014W/cm2 이상)해서 10Mb를 넘는 초고압을 발생해서 폭축하여 초고밀도, 초고온 플라즈마를 만들어 핵융합 반응을 일으킨다.1980년대에는 미국의 로체스터 대학 로렌스 리버모어 연구소와 오사카 대학에서 폭축에 의해 개체밀도 100~1000배의 초고밀도 실현에 성공했다. 이들 연구 성과를 바탕으로 미국과 프랑스에서는 메가줄 급의 초대형 레이저(National Ignition Facility(NIF) 및LMJ)가 계획되어 현재 건설이 진행 중이다. 이들 계획에서는 중심부의 온도가 1억 도로 밀도가 개체의 1000배 이상인 플라즈마를 발생하고 핵융합의 점화연소를 2010년 전후에 실증할 예정이다. <그림1>  고속점화 레이저 핵융합오사카 대학과 미국의 연구소가 레이저 폭축에 의한 초고밀도 플라즈마 발생에 성공한 이후, 레이저 핵융합 연구는 새로운 단계에 접어들었다. 즉, 1억 도에 달하는 고온도 밀도의 점화 스파크를 어떤 방법으로 형성하고 핵융합 점화를 실현할 것인지가 다음 연구의 전환점이 된 것이다. 지금까지의 핫스파크 점화방식으로는 충분히 구대칭성이 좋은 폭축을 실현하고, 구심충격파에 의해 폭축 플라즈마의 중심에 핫스파크를 형성했다. 이 방식을 중심점화라고 부르며 <그림2>의 상단에 그 형성과정이 표시되어 있다. 이 방식에서는 연료 팔레트 폭축 초기의 갈려 닳아서 없어진 면과 최종단계의 핫스파크와 그 주변의 저온고밀도 플라즈마 경계면의 유체역학적 불안정성을 어떻게 억제하는가가 최대 과제다. 각각의 면은 가속 시와 정체 시에 레리테라 불안정성을 일으키는 경계면의 요란(擾亂)이 성장한다. 이 레리테라 불안정성은 폭축 과정의 ‘유니버설 불안정성’이기 때문에 플라즈마의 구대칭성을 실현하도록 성장률을 억제하기 위한 폭축 시나리오를 선택하고, 외부로부터의 요란을 최소화하도록 해야 한다. 즉, 팔레트의 구조와 표면의 가장 높은 구대칭성을 확보함과 동시에 레이저 조사의 한결같음이 요구된다. 이런 어려움을 극복하기 위해 미국과 프랑스에서는 거대 레이저를 건설하여 폭축 불안정성의 영향을 억제한 점화를 목표로 하고 있다. 이에 맞서는 새로운 점화방식이 야마나카 타츠히코(山中龍彦), 바조프, 타바크(M. Tabak)에 의해 1980년대부터 1990년대 전반에 걸쳐 제안되었다. 1995년 이후, 타바크의 제안을 실현하는 것을 목표로 실험과 이론 양쪽에서 연구가 진행되고 있다. 이 방식은 <그림2>의 아래에 표시되어 있는 것처럼 폭축에 의해 만들어진 고밀도 플라즈마의 일부를 외부에서 순간적으로 가열해서 핫스파크를 만들기 때문에 고속점화방식(Fast Ignition)이라 부른다.고속점화에서는 폭축을 제어하고 핫스파크를 형성할 필요가 없음에 따라 정체 시의 레리테라 불안정성을 동반하지 않는다. 그렇기 때문에 폭축의 한결같음, 구대칭성을 확보하기 위한 조건이 완화된다. 그러나 초고강도 레이저에 의한 초고밀도 폭축 플라즈마를 순간적으로 가열하는 것이 새로운 연구과제가 된다.<그림3>은 중심점화(a)와 고속점화(b)의 폭축 플라즈마 구조를 비교한 것이다. 중심점화에서는 온도가 Th의 핫스파크와 온도 Tc의 주연료부가 등압이고, 중심점화 핫스파크의 밀도 nch는 주연료부의 밀도 nc에 비교해 크더라도 ncTc/Th쩁nc/5 정도다. 한편 고속점화에서는 유체역학적인 완화시간보다도 짧은 시간에 핫스파크를 가열하기 때문에 근사적으로 핫스파크의 밀도nfh는 주연료와 같다. 알파입자가열에 의한 핵연소 점화는 핫스파크의 면밀도 nchrch 및 nfhrfh를 0.4g/cm2이상으로 하는 것이 요구된다. 이 때문에 중심점화에서 핫스파크의 반경은 고속점화 핫스파크 반경의 5배 이상이 된다. 따라서 주연료의 밀도가 중수소와 삼중수소를 혼합한 개체의 1000배(약 200g/cm3)라고 하면, rfh쨿20μm, rfh쨿100μm이다. 또 한번 핵융합 연소율을 20% 이상으로 하면 주연료 외반경은 중심점화의 경우에는 rcc쨿rch+100μm쩁200μm이 되고, 고속점화의 경우에는 rfc=100μm이 된다. 따라서 고속점화 플라즈마 사이즈는 중심점화 플라즈마 사이즈의 약 절반, 즉 고속점화에서는 체적이 1/8이 되고 같은 핵융합연소율을 중심점화의 1/8 레이저 에너지로 달성할 수 있게 된다. <그림4>의 점화 및 이득 곡선이 고속점화에서는 레이저 에너지가 적은 쪽으로 한 자릿수 가까이 이동하는 것은 이상과 같은 이유에서다. 이 사실은 중심점화보다 고속점화가 점화 실증실험과 핵융합 실험로 측면에서 훨씬 합리적인 가격으로 연구개발 할 수 있다는 것을 의미한다.피터우드 레이저에 의한 플라즈마 가열1985년에는 초단펄스 초고강도 레이저기술의 기초가 된 찹펄스 증폭(CPA)법의 발명과 그에 이은 기술발전이 촉발되어 1990년대에는 항적장(航跡場) 가속 등의 레이저 가속기 연구와 초단펄스 고에너지 양자빔 발생과 그 응용연구가 활발해졌다. 또 1994년에는 고속점화 연구가 시작되었다.Atzeni의 평가에 의하면 고속점화 핫스파크의 반경은 밀도가 300g/cm3일 때 20μm, 유체역학적 완화시간, rfh/4Cs(Cs는 음속)은 10ps 정도다. 따라서 가열 레이저 펄스폭은 10ps 이하가 된다. 온도 10keV의 핫스파크 내부 전체의 에너지는 최소라고 해도 10kJ이고, 가열레이저 에너지가 내부에너지로 변환되는 비율을 1/5정도라고 한다면 가열레이저의 펄스에너지는 50kJ, 피크출력은 (4 Peta Watt)가 된다.  피터우드 레이저가 현실로 만들어 진 것은 <그림5>에서 보듯이 1990년대 후반이 되고나서다. 100TW를 넘는 최초 레이저는 1995년에 가동을 개시한 로렌스 리버모어 연구소의 피터우드 레이저이고, 그 후 오사카 대학(2001년), 일본원자력연구소(2002년), 래더포드 연구소(미국, 2003년) 등에서 실험에 이용되었다. 현재, 펄스에너지가 수 kJ 이상의 초피터우드 레이저 건설이 오사카 대학, 로체스터 대학(미국), CESTA(프랑스)에서 진행되고 있고, 점화에 필요한 펄스에너지에 가까운 피터우드레이저 가열 실험이 머지않아 개시된다. 가열레이저 기술의 특징은 대구경으로 피코초의 다수 레이저빔을 위상동기해서 집광하는 것이다. 이 기술은 10kJ 이상의 피터우드 레이저를 실현하기 위한 신기술이며 초고에너지 밀도과학의 추진에도 기여하는 것이다.가열 레이저의 집광강도는 위의 예에서는 3×1020W/cm2에 달한다. 이 때의 전자 진동에너지를 (v-1)mc2 라고 하면 상대론 계수는 v= 1+(IL/1.3×1018W/cm2)이고 진동에너지는 전자의 정지에너지보다 커진다. 여기에서 IL은 레이저 집광강도를 나타내고, mc2는 전자 정지에너지를 나타낸다. 실제로 평균적으로 가속된 전자에너지는 3×1020W/cm2에서는 5MeV에 달한다. 고속점화의 실현에는 이처럼 상대론적 레이저 플라즈마 연구가 중심과제가 되며 최첨단 플라즈마 물리학을 개척한다는 데 의의가 있다.플라즈마 가속실험과 앞으로의 전망폭축 플라즈마에 초고강도 레이저를 입사하는 것으로 고속점화 핵융합의 proof of principle을 목표하는 실험이 오사카 대학에서 실시되었다. 폭축 플라즈마에 직접 피터우드 레이저를 입사했을 경우에는 코로나 플라즈마 안에서 매우 강한 상호작용이 일어난 결과, 에너지가 10MeV에 달하는 고에너지 전자를 대량으로 발생시킴과 동시에 고속이온이 발생한다. 전자에 의한 고밀도 플라즈마의 가열은 고에너지 전자의 발생영역이 코어 플라즈마로부터 멀어진다는 사실과 그 에너지가 너무 높아진다는 것에서 효과적이지 않았다. 한편 고에너지 이온은 고밀도 플라즈마와 강하게 상호작용하여 중성자 발생이 증가한다는 사실이 관측되었다. 그 후 이들 어려움을 극복하기 위한 아이디어로서 콘 타겟이 제안되었다.<그림6>은 실제로 0.5~0.8 피터우드 레이저에 의해 콘 형태의 레이저 도파로를 이용해 폭축 플라즈마가 가열된 것을 나타낸 것이다. 실험의 D-D핵융합의 2.45MeV의 중성자 에너지 스펙트럼 분포는 가열된 플라즈마 온도가 1keV 가깝게 도달한 것을 표시하고 있다. 피터우드 레이저의 입사에 의해 핵융합 반응수가 1000배나 증가하는 것이 밝혀졌다. 피터우드 레이저 에너지에서 고밀도 플라즈마 열에너지로의 결합률을 15%, 30%로 했을 때의 예측치가 점선과 실선으로 기입되어 있다. <그림6>은 실험에서 레이저 가열효과가 25% 가까이 도달하는 것을 나타내고 있다.콘 타겟에서 또 하나의 연구과제는 비구대칭적 폭축으로 어떻게 고밀도를 달성할까 하는 것이다. 콘을 삽입한 플라스틱 보호구의 폭축 실험이 오사카 대학, 로체스터 대학 등에서 진행되어 관련된 시뮬레이션에 의한 분석이 진행되고 있다. 그 결과로는 중심에 발생한 고온부가 배제되기 때문에 구대칭 폭축보다도 높은 평균밀도를 얻는 것이 가능하다는 것이 확인되고 있다.이들 실험결과를 분석하여 차기계획 책정 데이터베이스로 만들기 위해 현재 통합 시뮬레이션 코드가 개발되고 있다. 상세한 사항은 계산기 시뮬레이션 해설을 참조하기 바란다. 시뮬레이션 예측으로는 콘부터 폭축 코어까지 에너지를 수송하는 고에너지 전자군으로의 에너지 부여가 40%라고 가정하고, 전자에너지 스펙트럼의 주요성분 실효온도가 500keV의 경우에는 10kJ/10ps의 가열 펄스를 콘 보호구의 폭축 플라즈마에 입사하는 것으로 이온 온도 5keV가 된다고 예측하고 있다. 이 예측을 보증하기 위해서는 ①상대론전자가 불균일 플라즈마 안에서 자발자장 등에 의한 자기조직화로 에너지를 발산하지 않을 것 ②전자에너지 스펙트럼이 폭축 코어 주변 플라즈마와 전자빔과의 상호작용에 의해 전자적 2류체 불안정성 등의 과정을 거쳐 소프트화 할 것이 기대된다. 이들 비선형 과정에 관해 많은 연구결과가 보고 되고 있는데 그 제어성은 앞으로의 중요한 연구과제이다.위의 예측을 확인하기 위해 점화등가 플라즈마의 발생을 목표로 하는 프로젝트 FIREX-Ⅰ(Fast Ignition Realization Experiment)가 2003년부터 오사카 대학에 의해 개시되고 있다. 이 프로젝트에서는 2009년 말까지는 점화 플라즈마에 등가 온도 밀도를 지닌 플라즈마 발생의 실증을 목표로 하고 있다. 또 FIREX-Ⅰ의 결과를 바탕으로 해서 고속점화에 의한 핵융합연소의 점화실증을 목표로 한 FIREX-Ⅱ가 계획되어 있다. 이 계획에서는 폭축 레이저로서 파장 0.35μm, 에너지 50kJ/3ns를 이용해서 0.7g/cm2을 달성하고, 50kJ/10ps의 피터우드 레이저로 가열할 계획이다. 핵융합이득10을 목표로 한다. 현재, FIREX-Ⅰ을 위한 10kJ/10ps의 레이저 건설이 진행되고 있으며 2007년말까지는 실험이 개시될 전망이다. 이 레이저 증폭부는 <그림7>에 보는 것처럼 이미 완성되어 있다.FIREX 프로젝트가 목표를 달성한 후에는 <그림8>에 표시한 고이득 연소실험과 평균적 출력실증을 향한 연구개발을 진행하게 되어 있다. FIREX 목표, NIF 프로젝트 목표, 고이득 영역, 지금까지의 실험에서 얻어진 플라즈마 데이터와의 비교가 <그림8>에 표시되어 있으며 과거, 현재, 미래의 레이저 핵융합 진전을 화살표로 표시하고 있다.
<Energy News>
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