좌표:37°41'27 ″N 121°42'02 ″W/37.69083°N 121.70056°W/ 37.69083; -121.70056

국가점화시설

National Ignition Facility
로렌스 리버모어 국립 연구소에 위치한 국립 점화 시설
NIF의 첫 번째 통합 점화 실험을 위한 타겟 어셈블리는 극저온 타겟 위치 결정 시스템(cryoTARPOS)에 장착됩니다.두 개의 삼각형 모양의 팔은 총을 쏘기 5초 전에 열릴 때까지 콜드 타겟을 보호하기 위해 콜드 타겟 주위에 장막을 형성합니다.

NIF(National Ignition Facility)는 미국 캘리포니아주 리버모어에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소에 위치한 레이저 기반 관성 구속 융합(ICF) 연구 장치입니다.NIF의 임무는 높은 에너지 이득으로 핵융합 점화를 달성하는 것입니다.그것은 2022년 12월 5일 에너지 증가율 1.5로 실험에서 과학적 손익분기점 제어 융합의 첫 번째 사례를 달성했습니다.[1][2]그것은 핵폭발 안에서 발견되는 조건에서 물질의 거동을 연구함으로써 핵무기 유지와 설계를 지원합니다.[3]

NIF는 지금까지 만들어진 ICF 장치 중 가장 크고 강력한 장치입니다.[4]기본적인 ICF 개념은 소량의 연료를 짜서 융합에 필요한 압력과 온도에 도달하는 것입니다.NIF는 세계에서 가장 강력한 레이저를 보유하고 있습니다.레이저는 작은 구의 바깥 층을 가열합니다.그 에너지는 너무 강렬해서, 구를 붕괴시키고, 연료를 안으로 쥐어짜게 만듭니다.내폭은 최고 속도 350km/s(0.35mm/ns)에 도달하여 [5]연료 밀도를 물의 약 100배에서 납의 약 100배로 높입니다.에너지 전달과 내폭시 단열 과정은 연료의 온도를 수억도까지 상승시킵니다.이러한 온도에서 핵융합 과정은 연료가 바깥쪽으로 폭발하기 전의 아주 작은 간격에서 일어납니다.

NIF의 건설은 1997년에 시작되었습니다.NIF는 예정보다 5년 늦게 완성되었으며 원래 예산의 거의 4배가 소요되었습니다.2009년 3월 31일에 미국 에너지부로부터 공사가 완료되었음을 인증 받았습니다.[6]첫 번째 대규모 실험은 2009년[7] 6월에 수행되었으며 첫 번째 "통합 점화 실험"은 2010년 10월에 완료되었다고 선언되었습니다.[8]

2009년부터 2012년까지 국가 점화 캠페인에 따라 실험이 진행되었으며, 레이저가 최대 출력에 도달한 직후인 2012년 하반기에 점화에 도달하는 것이 목표였습니다.이 캠페인은 2012년 9월에 공식적으로 종료되었습니다.1 ⁄10 점화에 필요한 조건.그 후 NIF는 주로 재료 과학과 무기 연구에 사용되었습니다.2021년 NIF는 연료 목표 설계 개선 후 레이저 에너지의 70%를 생산하여 1997년 JET 원자로에서 세운 기록(67%)을 깨고 연소 플라즈마를 달성했습니다.[11]2022년 12월 5일, 추가적인 기술적 개선 이후, NIF는 처음으로 "점화", 즉 과학적 손익분기점에 도달하여 154%의 에너지 수율을 달성했습니다.[12]

관성 구속 융합 기초

주요 기사:ICF 메커니즘

관성 구속 융합(ICF) 장치는 강력한 에너지를 사용하여 표적을 압축하기 위해 표적의 외층을 빠르게 가열합니다.H-폭탄에서는 핵분열 폭발물에 의해 제공됩니다.비분열 장치에서 에너지원은 레이저 및 입자 빔을 포함합니다.[13]

대상은 몇 밀리그램의 핵융합 연료를 포함하는 작은 구형 펠릿으로, 전형적으로 중수소(D)와 삼중수소(T)가 혼합되어 있는데, 이 성분은 점화 온도가 가장 낮습니다.[13]

다중 레이저 빔은 펠렛의 표면을 플라즈마로 가열하고 표면에서 멀리 폭발합니다.펠릿의 나머지 부분은 모든 면의 안쪽으로, 극도로 높은 밀도의 작은 부피로 몰립니다.표면 폭발은 안쪽으로 이동하는 충격파를 만듭니다.연료의 중심에는 작은 부피가 추가로 가열되고 압축됩니다.온도와 밀도가 충분히 높아지면, 핵융합 반응이 일어납니다.[14]연료를 대칭적으로 압축하기 위해서는 에너지가 신속하게 전달되고 대상의 외부 표면에 매우 균일하게 퍼져야 합니다.[15]

이 반응은 고에너지 입자를 방출하는데, 이 입자들 중 일부는 주로 알파 입자로, 불응 연료와 충돌하여 더 가열하여 추가적인 융합을 유발할 가능성이 있습니다.동시에 연료는 X선 손실과 연료 영역을 떠나는 뜨거운 전자를 통해 열도 잃고 있습니다.따라서 알파 가열 속도는 부트스트래핑(bootstrapping)이라 불리는 손실 속도보다 커야 합니다.[16]부트스트래핑은 밀도, 온도 및 지속 시간과 같은 적절한 조건에 따라 연쇄 반응을 일으켜 중앙에서 바깥쪽으로 연소됩니다.이를 점화라고 하며, 연료의 상당 부분을 융합하여 많은 양의 에너지를 방출합니다.[17]

1998년 현재 대부분의 ICF 실험은 레이저 드라이버를 사용했습니다.입자 가속기에 의해 구동되는 중이온과 같은 다른 동인들이 조사되었습니다.[18][19]

설계.

시스템.

표적 캡슐 에너지 커플링 효율을 위한 레이저 에너지 투 홀라움 엑스레이의 새키 다이어그램."레이저 에너지"는 UV로 변환된 후이며, 이는 원래 IR 전력의 약 50%를 손실합니다.연료 내에서 X선 열을 에너지로 변환하면 또 다른 90%가 손실됩니다. 1.9 MJ의 레이저 빛 중 약 10 kJ만 연료 자체에 도달합니다.

2004년 현재 NIF는 레이저가 캡슐 내부를 둘러싸고 있는 작은 금속 실린더를 가열하는 간접 구동 방식을 사용하고 있습니다.열로 인해 구멍(독일어로 "공동"을 뜻하는 "공동")으로 알려진 실린더가 에너지를 훨씬 더 높은 주파수의 X선으로 다시 방출하게 되며, 이 X선은 여전히 더 균등하게 분포되고 대칭적입니다.OMEGA와 Nova 레이저를 포함한 실험 시스템은 이 방법을 검증했습니다.[20]NIF의 고출력은 훨씬 더 큰 목표물을 지원합니다. 기본 펠릿 설계의 직경은 약 2mm입니다.약 18 켈빈(-255 °C)까지 냉각되며 냉동 중수소-트리튬(DT) 연료층이 늘어서 있습니다.중공 내부에는 소량의 DT 가스가 들어 있습니다.[21]

일반적인 실험에서 레이저는 가능한 4의 3 MJ의 적외선 레이저 에너지를 생성합니다.UV로 전환된 후 약 1.5 MJ가 남아 있고, 15%가 홀라움에서 손실됩니다.생성된 X선의 약 15%, 약 150 kJ가 표적의 외층에 흡수됩니다.[22]캡슐과 X선 사이의 결합은 손실이 크며, 궁극적으로는 약 10~14 kJ의 에너지만 연료에 축적됩니다.[23]

대상 중앙의 연료는 약 1000 g/cm의3.[24] 밀도로 압축됩니다. 비교를 위해 납의 밀도는 약 11 g/cm입니다3.그 압력은 3,000억 기압에 해당합니다.[16]

시뮬레이션에 따르면, 약 20 MJ의 융합 에너지가 방출되어 약 15(융합 에너지 아웃/UV 레이저 에너지 인)의 순수 융합 에너지 이득(Q)이 발생할[when?] 것으로 예상했습니다.[22]레이저 시스템과 홀라움 설계의 개선은 캡슐이 흡수하는 에너지를 약 420 kJ로 향상시킬 것으로 예상되며(따라서 연료 자체의 경우에는 40-50 MJ까지), 결과적으로 최대 100–150 MJ의 융합 에너지를 생성할 수 있습니다.[24]기본 설계는 대상 챔버의 설계로 인해 최대 약 45 MJ의 융합 에너지 방출을 허용합니다.[25]이것은 약 11kg의 TNT가 폭발하는 것과 맞먹습니다.[26]시뮬레이션에 따르면 최상의 경우 내폭은 챔버의 물리적 한계보다 훨씬 낮은 7 MJ의 최대 에너지를 생성합니다.[27]

1996년 기준으로, 이러한 출력 에너지는 레이저 증폭기에 전력을 공급하는 시스템 커패시터의 에너지 400 MJ[28] 미만이었습니다.NIF(UV 레이저 에너지를 외부 소스에서 레이저를 펌핑하는 데 필요한 에너지로 나눈 값)의 순 벽 플러그 효율은 1% 미만이며 총 벽 대 융합 효율은 기껏해야 10% 미만입니다.에너지 생산에 유용하게 쓰이려면 융합 출력이 이 입력보다 적어도 10배 이상 커야 합니다.상업용 레이저 융합 시스템은 훨씬 더 효율적인 다이오드 펌프 솔리드 스테이트 레이저를 사용할 것이며, 벽 플러그 효율은 10%로 입증되었으며, 1996년에 개발 중인 고급 개념에서는 16-18%의 효율이 예상되었습니다.[29]

레이저

2010년 현재 NIF는 수 피코초 내에 다양한 방향에서 목표물에 도달하는 단일 500 테라와트(TW) 피크 플래시를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.이 디자인은 플래시 램프로 펌프 처리되고 네오디뮴이 도핑된 인산 유리 레이저의 병렬 시스템에 192개의 빔 라인을 사용합니다.[30]

빔 라인의 출력이 균일하도록 하려면 ILS(Injection Laser System)의 단일 소스에서 레이저를 증폭합니다.이것은 마스터 오실레이터라고 하는 이터븀 도핑된 광섬유 레이저에서 생성된 1053나노미터(nm) 적외선의 저전력 플래시에서 시작됩니다.[31]조명은 분리되어 48개의 PAM(Preamplifier Module)으로 향합니다.각 PAM은 제논 플래시 램프를 통해 2단계 증폭 프로세스를 수행합니다.1단은 펄스가 30~60회 순환하면서 에너지를 나노줄에서 수십 밀리줄로 증가시키는 재생증폭기입니다.두 번째 단계는 메인 빔 라인에 사용되는 것과 유사하지만 훨씬 작은 네오디뮴 유리 증폭기가 포함된 회로를 통해 빛을 4번 보내 밀리줄을 약 6줄로 증가시킵니다.LLNL에 따르면, PAM을 설계하는 것이 주요 도전 과제 중 하나였다고 합니다.이후의 개선으로 초기 설계 목표를 초과 달성할 수 있었습니다.[32]

주 증폭은 빔 라인의 한쪽 끝에 위치한 일련의 유리 증폭기에서 이루어집니다.발사 전에 증폭기는 총 7,680개의 플래시 램프에 의해 광학적으로 펌핑됩니다.램프는 400 MJ(110 kWh)를 저장하는 캐패시터 뱅크에 의해 구동됩니다.파면이 파면을 통과하면 증폭기는 그 안에 저장된 에너지의 일부를 빔으로 방출합니다.빔은 미러 공동에 위치한 광학 스위치를 사용하여 주 앰프를 4번 통과합니다.이러한 증폭기는 원래의 6 J를 공칭 4 MJ로 승압합니다.[14] 수 나노초의 시간 척도를 고려할 때, 타겟에 전달되는 최대 UV 전력은 500TW에 이릅니다.[33]

각 빔 라인의 중심 근처에 공간 필터가 있으며, 전체 길이의 대부분을 차지합니다.이것들은 끝에 작은 망원경이 있는 긴 튜브로 구성되어 있으며, 이는 마스크가 초점 밖의 잡광을 차단하는 튜브 중앙의 작은 지점에 빔을 집중시킵니다.필터를 사용하면 빔 이미지가 매우 균일해집니다.공간 필터는 크게 발전했습니다.그것들은 이전의 LLNL 실험인 Cyclops 레이저에 도입되었습니다.[34]

스위치를 포함하여 레이저 빔이 이동하는 경로의 종단 간 길이는 약 1,500 미터(4,900 피트)입니다.빔 라인의 다양한 광학 요소는 일반적으로 라인 교체 가능한 유닛(LRU)으로 패키징됩니다. 이는 아래에서 교체하기 위해 빔 라인에서 떨어뜨릴 수 있는 자판기 크기의 표준화된 상자입니다.[35]

증폭이 완료되면 조명은 빔 라인으로 다시 전환되며, 빔 라인은 건물의 끝에서 목표 챔버로 이어집니다.대상 챔버는 130,000kg(290,000lb)의 무게가 나가는 10미터 직경(33피트)의 다중 피스 강철 구입니다.[36]대상 챔버에 도달하기 직전에 스위치 야드와 대상 영역의 미러에서 빛이 반사되어 다른 방향에서 대상을 타격합니다.빔 라인마다 마스터 오실레이터에서 타겟까지의 경로 길이가 다르기 때문에 광학 장치를 사용하여 빛이 서로 수 피코초 이내에 중앙에 도달할 수 있도록 합니다.[37]

NIF의 기본 레이아웃.레이저 펄스는 중앙 바로 오른쪽 룸에서 생성되며 양쪽의 빔 라인(파란색)으로 보내집니다.빔 라인을 여러 번 통과한 후에는 조명이 "스위치 야드"(빨간색)로 보내져 대상 챔버(은색)로 향합니다.

주파수 변환기로 알려진 장치에서, 목표 챔버에 도달하기 전 마지막 단계 중 하나는 1053 nm의 적외선(IR) 광을 351 nm의 자외선(UV)으로 변환하는 것입니다.[38]이것들은 인산이수소칼륨의 단결정으로 잘라낸 얇은 시트(두께 약 1cm)로 만들어집니다.1053nm(IR) 광이 이 두 시트 중 첫 번째 시트를 통과할 때 주파수 추가를 통해 빛의 상당 부분이 527nm(녹색) 광으로 변환됩니다.두 번째 시트를 통과할 때 주파수 조합은 527nm 광의 대부분과 나머지 1053nm 광을 351nm(UV) 광으로 변환합니다.적외선 (IR) 빛은 타겟을 가열하는 데 UV보다 훨씬 덜 효과적인데, 이는 IR이 상당한 양의 에너지를 흡수하고 압축을 방해하는 뜨거운 전자와 더 강하게 결합하기 때문입니다.변환 프로세스는 평평한 시간적 형상을 가진 레이저 펄스의 경우 최대 효율인 약 80%에 도달할 수 있지만 점화에 필요한 시간적 형상은 펄스의 지속 시간에 따라 크게 다릅니다.실제 변환 프로세스는 약 50%의 효율성을 가지며, 전달되는 에너지를 공칭 1.8 MJ로 줄입니다.[39]

2010년 현재 ICF 연구 프로젝트의 중요한 측면 중 하나는 실험을 적시에 수행할 수 있도록 보장하는 것이었습니다.이전의 장치들은 일반적으로 (열팽창으로 인해) 플래시 램프와 레이저 글라스가 발화 후 형태를 되찾을 수 있도록 여러 시간 동안 냉각해야 했으며, 하루에 한 번 또는 그 이하의 발화로 사용을 제한했습니다.NIF의 목표 중 하나는 이 시간을 4시간 이내로 단축하여 연간 700발의 발사를 허용하는 것이었습니다.[40]

NIF용으로 설계된 금도금 구멍 모형
NIF의 연료 "표적"은 D-T 가스 또는 D-Tice로 채워져 있습니다.캡슐은 얇은 플라스틱 띠를 사용하여 구멍에 고정됩니다.

기타개념

NIF는 또한 새로운 유형의 대상을 탐색하고 있습니다.이전의 실험들은 일반적으로 플라스틱 애블레이터, 전형적으로 폴리스티렌(CH)을 사용했습니다.NIF 타겟은 플라스틱 형태에 스퍼터링된 베릴륨 또는 베릴륨-구리 합금 층을 코팅한 다음 플라스틱을 중앙에서 산화시킴으로써 구성됩니다.[41][42]베릴륨 표적은 X선 입력으로부터 더 높은 내폭 효율을 제공합니다.[43]

NIF는 주로 간접 구동 장치로 설계되었지만, 2008년 기준 레이저의 에너지는 레이저가 X선으로 변환되지 않고 직접 목표물을 비추는 직접 구동 시스템으로 사용될 만큼 충분히 높았습니다.NIF UV 광선에 의해 전달되는 전력은 점화를 유발하기에 충분한 것으로 추정되어 간접 구동 시스템보다 다소 높은 약 40배의 융합 에너지 이득을 얻을 수 있었습니다.[44]

2005년 기준으로 OMEGA 레이저와 컴퓨터 시뮬레이션에 대한 규모별 삽입은 NIF 빔라인 레이아웃의 변경 없이 표적이 상단과 하단에서만 레이저에 의해 직접 조사되는 극성 직접 구동(PDD) 구성을 사용하여 점화가 가능한 NIF를 보여주었습니다.[45]

2005년 현재, 토성 목표물이라고 불리는 다른 목표물들은 이방성을 줄이고 내폭을 개선하기 위해 특별히 설계되었습니다.[46]그것들은 표적의 "에큐레이터" 주위에 작은 플라스틱 고리가 특징인데, 이것은 레이저에 맞았을 때 플라스마가 됩니다.레이저 빛의 일부는 이 플라즈마를 통해 다시 타겟의 적도로 굴절되어 가열을 저녁으로 합니다.35배 이상의 이득을 얻는 NIF 점화가 가능할 것으로 예상되며, 완전 대칭 직접 구동 방식과 거의 유사한 결과를 가져옵니다.[45]

역사

추력, 1957

캘리포니아 리버모어에 있는 로렌스 리버모어 국립 연구소의 ICF의 역사는 물리학자 존 너콜스(John Nuckolls)가 1957년 에드워드 텔러(Edward Teller)에 의해 마련된 회의 이후 이 문제를 고려하기 시작하면서 시작되었습니다.이 회의들이 진행되는 동안, 후에 PACER로 알려진 아이디어가 떠올랐습니다.PACER는 전력으로 변환될 증기를 생성하기 위해 큰 동굴에서 작은 수소 폭탄이 폭발하는 것을 상상했습니다.이 접근법의 문제점을 확인한 후, Nuckolls는 얼마나 작은 폭탄을 만들 수 있으며 여전히 순 양의 힘을 발생시킬 수 있는지 궁금해 했습니다.[47]

일반적인 수소폭탄은 플루토늄 기반 핵분열 폭탄인 1차 핵분열탄과 2차 핵분열탄인 2차 핵분열탄의 원통형 배열로 구성되어 있습니다.1차적으로 X선을 방출하는데, X선은 폭탄 케이스 안에 갇혀있습니다.점화될 때까지 이차 전지를 가열하고 압축합니다.이차는 외부 중성자 공급원이 필요한 리튬 중수소(LiD) 연료로 구성됩니다.이는 일반적으로 연료 중앙에 있는 작은 플루토늄 "스파크 플러그" 형태입니다.Nuckolls의 아이디어는 2차 전지를 얼마나 작게 만들 수 있는지, 그리고 이것이 1차 전지에서 점화를 일으키는 데 필요한 에너지에 어떤 영향을 미칠지를 탐구하는 것이었습니다.가장 간단한 변경 사항은 LiD 연료를 DT 가스로 교체하여 스파크 플러그가 필요하지 않게 하는 것입니다.그러면 크기에 상관없이 보조 장치를 사용할 수 있습니다. 보조 장치가 줄어들면 점화에 필요한 에너지 양도 줄어듭니다.밀리그램 수준에서 에너지 수준은 몇 가지 알려진 장치를 통해 사용 가능한 수준에 근접하기 시작했습니다.[47]

1960년대 초까지, Nuckolls와 다른 무기 설계자들은 ICF의 개요를 개발했습니다.DT 연료는 작은 캡슐에 담겨 가열 시 급속하게 팽창하여 압축 및 충격파 형성을 극대화하도록 설계됩니다.이 캡슐은 폭탄 케이스와 같은 역할을 하는 공학적인 포탄인 구멍 안에 놓이게 됩니다.구멍은 X선에 의해 가열될 필요가 없었습니다. 어떤 에너지 공급원이라도 구멍을 가열하고 X선을 생성할 수 있는 충분한 에너지를 공급하기만 하면 사용될 수 있습니다.이상적으로 에너지원은 반응의 양 끝을 기계적으로 분리하기 위해 어느 정도 떨어진 곳에 위치할 것입니다.수소폭탄에서처럼 작은 원자폭탄이 에너지원으로 사용될 수 있지만, 이상적으로는 더 작은 에너지원이 사용될 것입니다.컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 연구팀들은 1차 에너지에서 약 5 MJ의 에너지가 필요할 것으로 추정했습니다. 1 MJ 빔을 생성했습니다.[47]즉, 작은 (0.5 kt) 핵분열 1차 핵분열은 2 TJ를 방출합니다.[48][49][50]

ICF 프로그램, 1970년대

Nuckolls와 LLNL이 홀라움 기반 개념을 연구하는 동안 UCSD의 물리학자 Keith Brueckner는 직접 드라이브를 독립적으로 연구했습니다.1970년대 초, Brueckner는 이 개념을 상용화하기 위해 KMS Fusion을 만들었습니다.이것은 KMS와 무기 실험실 사이의 치열한 경쟁을 촉발시켰습니다.이전에는 무시당했지만 ICF는 화제가 되었고 대부분의 연구소에서 ICF 작업을 시작했습니다.[47]LLNL은 유리 레이저에 집중하기로 결정한 반면, 다른 시설들은 이산화탄소를 사용하여 가스 레이저를 연구했습니다(예: ANTARES, Los Alamos National Laboratory). 또는 KrF(예:[51] 나이키 레이저, 해군 연구소).

이러한 초기 단계에서 융합 과정에 대한 이해의 대부분은 주로 LASNEX인 컴퓨터 시뮬레이션의 결과였습니다. LASNEX는 2차원 근사치에 대한 반응을 단순화했는데, 이는 가용한 컴퓨팅 능력으로 가능한 전부였습니다.LASNEX는 kJ 범위의 레이저 드라이버가 낮은 이득에 도달할 수 있다고 추정했는데, 이는 바로 최첨단 수준이었습니다.[47]이것은 1977년에 완성된 시바 레이저 프로젝트로 이어졌습니다.시바는 목표에 훨씬 못 미쳤습니다.도달한 밀도는 예측했던 것보다 수천 배나 작았습니다.이것은 레이저가 목표물에 열을 전달하는 방식의 문제로 추적되었습니다.대부분의 에너지는 전체 연료 질량보다 전자에 에너지를 공급했습니다.추가적인 실험과 시뮬레이션은 이 과정이 더 짧은 파장을 사용함으로써 극적으로 개선될 수 있음을 보여주었습니다.[52]

이러한 효과를 고려하여 시뮬레이션 프로그램을 추가로 업그레이드하면 다른 디자인이 점화에 도달할 것으로 예상했습니다.이 시스템은 20 빔 200 kJ Nova 레이저의 형태를 취했습니다.건설 단계에서, Nuckolls는 그의 계산에서 오류를 발견했고, 전 LLNL 책임자 John S가 의장을 맡은 1979년 10월 검토를 했습니다. 포스터 주니어는 노바가 발화점에 도달하지 못할 것이라고 확인했습니다.빛을 351 nm로 변환하고 결합 효율을 높이는 더 작은 10빔 설계로 수정했습니다.[53]Nova는 예상했던 것의 절반 정도인 약 30 kJ의 UV 레이저 에너지를 전달할 수 있었는데, 이는 주로 최종 포커싱 광학계의 광학적 손상 때문이었습니다.그 수준에서도 핵융합 생성에 대한 예측이 잘못된 것이 분명했습니다. 이용 가능한 제한된 출력에서도 핵융합 수율은 예측치에 훨씬 못 미쳤습니다.[citation needed]

할라이트와 센츄리온, 1978

각각의 실험은 점화에 도달하는 데 필요한 에너지가 계속해서 과소평가되었음을 보여주었습니다.에너지부(DOE)는 직접 실험이 그 문제를 해결하는 최선의 방법이라고 결정했고, 1978년에 그들은 ICF 표적을 밝히기 위해 작은 핵폭탄을 사용한 일련의 지하 실험을 네바다 시험장에서 시작했습니다.이 테스트는 Halite(LLNL)와 Centurion(LANL)으로 알려져 있습니다.[54]

이 실험의 배경이 되는 기본 개념은 1960년대에 탄도탄 요격 미사일 탄두를 개발하기 위한 방법으로 개발되었습니다.대기권 밖에서 폭발한 폭탄은 장거리에서 적 탄두에 손상을 입힐 수 있는 X선 폭발을 일으킨 것으로 밝혀졌습니다.이 시스템의 효과를 시험하고, 미국의 탄두를 보호하기 위한 대책을 개발하기 위해, 방위성 원자력 지원청은 그 목표물들을 긴 터널의 끝에 빠르게 닫히는 문 뒤에 배치하는 시스템을 개발했습니다.X선이 도착하고 그 후 폭발 사이의 짧은 시간 동안 문들은 닫히도록 시간이 맞춰졌습니다.이를 통해 재진입 차량(RV)이 폭발 피해로부터 보호되고 검사를 받을 수 있게 되었습니다.[54]

ICF 테스트는 RV를 홀라움으로 대체하는 동일한 시스템을 사용했습니다.각 테스트는 다양한 조명의 효과를 테스트하기 위해 폭탄과 다른 거리에 있는 많은 대상을 동시에 비추었습니다.또 다른 문제는 연료가 핵융합 반응으로 인해 자체 발열하여 점화에 도달하기 위해서는 연료 어셈블리의 크기가 어느 정도 되어야 하는가 하는 것이었습니다.초기 데이터는 1984년 중반까지 사용할 수 있었고 1988년에 테스트가 중단되었습니다.이 테스트 중 처음으로 점화에 성공했습니다.점화에 도달하는 데 필요한 에너지의 양과 연료 목표의 크기는 예상보다 훨씬 많았습니다.[55]같은 기간 동안 Nova에서는 레이저 조명에서 그들의 행동을 이해하기 위해 유사한 표적을 사용하여 실험을 시작하여 폭탄 실험에 대한 직접적인 비교를 가능하게 했습니다.[56]

이 데이터는 점화에 도달하기 위해 이전에 계산된 것보다 훨씬 많은 약 10 MJ의 X선 에너지가 필요할 것임을 시사했습니다.[55][57][58][59]Nova나 NIF와 같이 IR 레이저를 공동에 조사하여 X선을 만든 경우 100 MJ 정도로 훨씬 더 많은 레이저 에너지가 필요합니다.[55]

이것이 ICF 커뮤니티에서 논쟁을 촉발시켰습니다.[55]레오나르도 마스체로니와 클로드 핍스는 고에너지 전자에 의해 펌핑되어 100 MJ 문턱에 도달하는 새로운 유형의 불화수소 레이저를 설계했습니다.다른 사람들은 동일한 데이터와 새로운 버전의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 레이저 펄스의 세심한 형상화와 더 많은 빔이 더 균일하게 퍼져 5-10 MJ 사이의 레이저 전원으로 점화할 수 있음을 시사했습니다.[60][61]

이러한 결과는 DOE가 "실험실 미세융합 시설"(LMF)이라는 이름의 맞춤형 군사 ICF 시설을 요청하도록 유도했습니다. LMF는 10 MJ 주문으로 드라이버를 사용하여 100 ~ 1,000 MJ의 융합 수율을 제공합니다. 1989년부터 1990년까지 미국 국립 과학 아카데미에서 이 개념을 검토한 결과 LMF가 너무 야심적인 것으로 나타났습니다.그리고 기초물리학은 더 연구할 필요가 있었습니다.10 MJ 시스템으로 이동하기 전에 추가 실험을 권장했습니다.그럼에도 불구하고, 저자들은 "실제로 점화 및 이득을 위해 100 MJ 드라이버가 필요하다는 것이 밝혀지면 ICF에 대한 전체적인 접근 방식과 근거를 다시 생각해야 할 것입니다."[62]라고 언급했습니다.

실험실 미세융합시설과 Nova Upgrade, 1990

1992년 기준으로, 연구소 미세융합 시설은 약 10억 달러의 비용이 들 것으로 추정되었습니다.[63]LLNL은 처음에 LMF 목표의 대부분을 달성하기에 충분한 약 200 MJ 수율에 도달할 수 있는 5 MJ 350 nm(UV) 드라이버로 설계를 제출했습니다.그 프로그램은 1989 회계연도에 약 6억 달러의 비용이 들 것으로 추정되었습니다.1,000 MJ로 업그레이드하려면 2억 5천만 달러를 추가로 지불해야 합니다. DOE가 요구하는 목표를 모두 달성하려면 총 10억 달러를 초과해야 합니다.[63]

NAS 리뷰를 통해 이러한 계획에 대한 재평가가 이루어졌고, 1990년 7월, LLNL은 Nova의 대부분을 인접한 Shiva 시설과 함께 재사용하는 Nova 업그레이드로 대응했습니다.결과적인 시스템은 약 1 MJ의 드라이버로 LMF 개념보다 훨씬 전력이 낮습니다.[64] 새로운 디자인에는 주 앰프의 멀티패스를 포함하여 드라이버 섹션의 최신 기술을 발전시킨 기능과 목표 영역에 진입할 때 288개의 "빔렛"으로 분할된 18개의 빔 라인(10개에서 최대)이 포함되었습니다.이 계획은 빔 라인의 주요 뱅크 2개를 설치하는 것을 요구했는데, 하나는 기존 노바 빔 라인 룸에, 다른 하나는 옆의 구형 시바 빌딩에 설치하여 레이저 베이와 타겟 지역을 통해 노바 타겟 지역을 업그레이드하는 것입니다.레이저는 4ns 펄스에 약 500TW를 전달할 것입니다.업그레이드를 통해 2-10 MJ의 융합 수율을 얻을 수 있을 것으로 예상되었습니다. 1992년의 초기 추정치는 약 4억 달러의 건설 비용이 들었으며 1995년부터 1999년까지 건설 비용은 약 4억 달러로 추정됩니다.[63]

NIF, 1994

이 기간 동안 냉전의 종식은 국방비 지원과 우선순위에 극적인 변화를 가져왔습니다.핵무기에 대한 정치적 지지는 감소했고 무기협정은 탄두수의 감소와 설계 작업의 감소로 이어졌습니다.미국은 기존 비축품을 유지하거나 새로운 무기를 설계할 수 있는 핵무기 설계자 세대를 잃을 수 있는 가능성에 직면했습니다.[65]동시에, 1996년에 포괄적 핵실험 금지 조약(CNTB)이 체결되었는데, 이 조약은 모든 임계 실험을 금지하고 새로운 세대의 핵무기 개발을 더욱 어렵게 만들 것입니다.

국가 점화 시설의 프리앰프들은 레이저 빔이 목표 챔버를 향해 나아갈 때 에너지를 증가시키는 첫 번째 단계입니다.2012년에 NIF는 500 테라와트의 전력량을 달성했습니다. 이는 미국이 한 순간에 사용하는 전력량의 1,000배에 해당합니다.

이러한 변화에서 나온 것이 비축물자 관리 프로그램(SSMP)입니다. SSMP는 무엇보다도 핵무기를 폭발적으로 실험할 필요 없이 설계하고 만드는 방법을 개발하기 위한 자금을 포함하고 있습니다.1995년에 시작된 일련의 회의에서 SSMP 노력을 나누기 위해 연구소 간에 합의가 이루어졌습니다.이것의 중요한 부분은 저수익 ICF 실험을 이용한 컴퓨터 모델의 확인일 것입니다.Nova Upgrade는 이러한 실험에 사용하기에는 너무 작았습니다.[66][a]1994년에 NIF로 재설계가 완성되었습니다.이 프로젝트의 예상 비용은 거의 10억 달러에 달하며 2002년에 완공되었습니다.[67]

이러한 합의에도 불구하고, 다른 연구소의 유사한 프로젝트 종료와 함께 막대한 프로젝트 비용이 발생하여 다른 연구소, 특히 Sandia National Laboratories의 과학자들이 비판적인 의견을 내놓았습니다.1997년 5월 샌디아의 핵융합 과학자 릭 스필먼은 NIF가 "사실상 기술적인 문제에 대해 내부 동료 검토가 없었다"며 "리버모어는 본질적으로 자신들을 검토하기 위해 패널을 선택했다"고 발표했습니다.[68]은퇴한 샌디아 감독 밥 푸에리포이는 스필먼보다 더 무뚝뚝했습니다. "NIF는 가치가 없는...비축량을 유지하는 데 사용할 수 없습니다."[69]LLNL의 ICF 개념의 최초 개발자 중 한 명인 레이 키더(Ray Kidder)도 매우 비판적이었습니다.그는 1997년에 그것의 주요 목적이 "이론가와 실험가의 직원을 고용하고 유지하는 것"이며, 일부 실험 데이터가 무기 설계에 유용한 것으로 증명되지만, 실험 설정의 차이가 그들의 관련성을 제한한다고 말했습니다."물리학의 일부는 동일하지만, '악마가 있는 곳'이라는 세부 사항은 상당히 다릅니다.따라서 NIF가 현재 무기 설계 연구소에서 일하고 있는 사람들에 필적하는 상세한 설계 능력을 갖춘 무기 설계자와 엔지니어로 구성된 직원을 장기적으로 지원할 수 있다고 가정하는 것도 잘못된 것입니다."[70]

1997년, 국방부 국방계획국의 부차관보이자 SSMP 수석 설계자인 빅터 레이스는 미국 하원 군사위원회에서 NIF가 "실험실 환경에서 최초로 생산되도록 설계되었다"고 말하면서 이 프로그램을 옹호했습니다.핵무기의 폭발에서 발생하는 것들에 가까운 물질의 온도와 밀도의 조건들.이런 조건에서 물질의 행동과 에너지와 방사선의 전달을 연구하는 능력은 지하 핵실험 없이 핵무기의 기본 물리학을 이해하고 성능을 예측하는 데 핵심입니다."[71]1998년, 과학 및 기술 전문가로 구성된 두 명의 Jason 패널은 NIF가 과학 기반 비축 관리를 위해 제안된 모든 프로그램 중에서 가장 과학적으로 가치가 있다고 말했습니다.[72]

초기의 비판에도 불구하고, Los Alamos뿐만 아니라 Sandia도 많은 NIF 기술 개발을 지원했으며,[73] 두[when?] 실험실 모두 NIF와 함께 National Ignition Campaign의 파트너가 되었습니다.[74]

1994~1998년 제1호기 건설

빔릿 레이저는 NIF에 사용될 설계와 기술을 테스트했습니다.
NIF 목표 챔버는 너무 커서 구획별로 지어져야 했습니다.

NIF에 대한 작업은 빔릿이라는 빔라인 시연자 한 명으로부터 시작되었습니다.빔렛은 1994년에서 1997년 사이에 성공적으로 운영되었습니다.그리고 나서 그것은 Z 기계에 있는 광원으로서 산디아 국립 연구소로 보내졌습니다.로 보내졌습니다.그 후 1997년에 운영을 시작한 AMPLAB에서 본격적인 데모가 이어졌습니다.[75]주요 NIF 사이트의 공식적인 기공식은 1997년 5월 29일이었습니다.[76]

당시 DOE는 NIF가 관련 연구에 약 11억 달러와 10억 달러의 비용이 들 것이며, 이르면 2002년에 완성될 것으로 예상하고 있었습니다.[77]이후 1997년 DOE는 1억 달러의 추가 자금 지원을 승인하고 수술 날짜를 2004년으로 미뤘습니다.1998년까지 LLNL의 공개 문서에 따르면 전체 가격은 12억 달러였으며, 2001년에 처음 8개의 레이저가 출시되었고 2003년에 완전히 완성되었습니다.[78]

시설의 물리적 규모만으로는 건설 사업에 어려움을 겪었습니다.2001년 '재래식 시설'(레이저용 껍질)이 완공될 때까지 21만 입방 야드 이상의 흙이 발굴됐고, 7만 3천 입방 야드 이상의 콘크리트가 쏟아졌고, 7천 6백 톤의 철근이 놓였으며, 5천 톤 이상의 구조용 강철이 세워졌습니다.레이저 시스템을 진동으로부터 분리하기 위해 각 레이저 베이의 기초는 나머지 구조물과 독립적으로 만들었습니다.3피트 두께, 420피트 길이, 80피트 너비의 슬래브는 사양을 달성하기 위해 지속적인 콘크리트 타설이 필요했습니다.[79]

1997년 11월, 엘니뇨 폭풍으로 인해 2시간 만에 2인치의 비가 쏟아졌고, 예정된 기초가 쏟아지기 3일 전에 20만 갤런의 물이 NIF 사이트를 침수시켰습니다.흙이 흠뻑 젖어서 옹벽 골조가 6인치나 가라앉아 대원들이 해체하고 다시 조립할 수밖에 없었습니다.[79]1997년 12월, 16,000년 된 매머드 뼈가 발견되면서 공사가 중단되었습니다.뼈를 제거하고 보존하기 위해 고생물학자들이 동원되었고, 공사는 4일 지연되었습니다.[80]

NIF의 7,500 미터 크기 광학 장치에 레이저 글라스를 공급할 광학 장치 제작 기능을 개발하는 등 다양한 연구 개발, 기술 및 엔지니어링 과제가 발생했습니다.최첨단 광학 측정, 코팅 및 마감 기술은 NIF의 고에너지 레이저를 견딜 수 있도록 개발되었으며, 레이저 빔을 필요한 에너지 수준으로 증폭하는 방법도 개발되었습니다.[81]NIF의 기술 혁신은 지속적으로 쏟아지는 유리, 빠른 성장 결정, 혁신적인 광학 스위치, 변형 가능한 거울 등이 개발되었습니다.[82]

Sandia는 펄스형 전력 공급 경험이 풍부하여 플래시 램프를 공급하는 데 사용되는 커패시터 뱅크를 설계하여 1998년 10월에 첫 번째 장치를 완성했습니다.놀랍게도, PCM(Pulseed Power Conditioning Module)은 폭발로 이어진 커패시터 고장을 겪었습니다.이를 위해서는 잔해물을 담을 모듈을 재설계해야 했지만, 이미 콘크리트가 부어졌기 때문에 새 모듈이 너무 꽉 들어차 제자리 유지보수가 불가능했습니다.또 다른 재설계가 뒤따랐고, 이번에는 수리를 위해 베이에서 모듈을 분리할 수 있게 되었습니다.[53]계속되는 문제로 인해 운영이 더욱 지연되었으며 1999년 9월 업데이트된 DOE 보고서에 따르면 NIF는 최대 3억 5천만 달러가 더 필요하며 2006년에야 완료할 수 있다고 합니다.[77]

재기준 및 GAO 보고서, 1999-2000

Bill Richardson은 NIF 건설을 다시 통제하기 위한 검토 과정을 시작했습니다.

이 기간 동안 NIF의 문제는 관리 체인에 보고되지 않았습니다.1999년 당시 에너지부 장관이었던 Bill Richardson은 NIF가 프로젝트 리더들이 보고한 것처럼 시간과 예산을 준수하고 있다고 의회에 보고했습니다.그 해 8월, 두 주장 모두 진실에 가깝지 않다는 것이 밝혀졌습니다.[83]나중에 Government Accountability Office(GAO)가 언급하였듯이, "게다가 NIF를 비롯한 모든 레이저 활동을 감독한 연구소의 전 레이저 책임자는 연구소 관리자, DOE, 대학 및 의회에 NIF 프로젝트에 충분한 자금과 인력이 투입되었으며 비용과 일정에 따라 계속 진행되고 있다고 확신했습니다.NIF가 심각한 문제를 가지고 있다는 명백하고 증가하는 증거를 보고받았을 때도 말입니다."[77]DOE 태스크 포스는 2000년 1월에 Richardson에게 "NIF 프로젝트의 조직들이 주요 연구 개발 프로젝트에 상응하는 프로그램 및 프로젝트 관리 절차와 프로세스를 구현하지 못했습니다.NIF 경영에서 합격점을 받은 사람은 아무도 없습니다. 국방부의 국방 프로그램 사무실도, 로렌스 리버모어 국립 연구소도, 캘리포니아 대학도 없습니다."[84]

미국 의회는 예산 문제를 고려하여 독립적인 GAO 검토를 요청했습니다.그들은 2000년 8월에 연구개발비를 포함하여 39억 달러의 비용이 들 것으로 추정하는 비판적인 보고서를 제출했고, 시설이 가까운 시일 내에 완공될 가능성은 거의 없다고 했습니다.[77][85]보고서는 오버런에 대한 관리 문제를 지적하고 프로그램이 개발 대신 운영 비용에 포함되는 목표 제작을 위한 예산을 책정하지 못했다고 비판했습니다.[83]

2000년에 DOE는 기술적 지연과 프로젝트 관리 문제를 이유로 포괄적인 "기준 재검토"를 시작했고, 그에 따라 일정과 예산을 조정했습니다.국가핵안보국의 존 고든은 "NIF 프로젝트를 완료하기 위해 세부적인 상향식 비용과 일정을 준비했습니다.독립적인 검토는 NIF 경영진이 상당한 진전을 이뤘고 이전의 문제를 해결했다는 우리의 입장을 뒷받침합니다."[86]이 보고서는 관련 연구개발을 포함하지 않고 예산을 22억 5천만 달러로 수정하여 총 33억 달러로 늘렸고, 2004년 첫 번째 라인이 가동되면서 완공 시점을 2006년으로 미뤘습니다.[87][88]다음 해 후속 보고서에 따르면 예산은 42억 달러로 늘어났고 완공 시점은 2008년으로 앞당겨졌습니다.

레이저 베이 2호는 2007년 7월에 취역했습니다.

이 프로젝트는 1999년 9월에 새로운 관리 팀을[89][90] 얻었으며, 조지 밀러는 레이저 담당 부국장 대행으로 임명되었습니다.LLNL의 AVLIS(원자 증기 레이저 동위원소 분리) 프로그램 책임자였던 Ed Moses가 NIF 프로젝트 매니저가 되었습니다.그 후 NIF 경영진은 많은 긍정적인 평가를 받았고 이 프로젝트는 의회가 승인한 예산과 일정을 충족시켰습니다.2010년 10월, 프로젝트 관리 연구소는 NIF를 "올해의 프로젝트"로 선정했습니다. NIF는 "적절하게 적용된 프로젝트 관리 우수성이 글로벌 팀들을 하나로 모아 이 규모와 중요성의 프로젝트를 효율적으로 제공할 수 있는 훌륭한 사례"로 꼽았습니다.[91]

2003-2009년 시험 및 공사완료

2003년 5월, NIF는 단일 빔 라인에서 10.4 kJ IR 펄스를 생성하면서 네 개의 빔 묶음에서 "첫 번째 빛"을 달성했습니다.[40]2005년에 처음 8개의 빔은 153 kJ의 IR을 생성하여 OMEGA를 행성에서 가장 높은 에너지 레이저(펄스당)로 능가했습니다.2007년 1월까지 마스터 오실레이터 룸(MOOR)의 모든 LRU가 완료되었고 컴퓨터 룸이 설치되었습니다.2007년 8월까지 96개의 레이저 라인이 완성되어 가동되었으며, "현재 2.5 메가 줄 이상의 총 적외선 에너지가 발사되었습니다.이는 노바 레이저가 세계 최대 레이저였던 당시 일반적으로 작동했던 것의 40배가 넘는 수치입니다."[92]

2005년 Jason Defense Advisory Group에 의한 일반적으로 긍정적인 독립적인 검토는 "이러한 복잡한 활동에서의 과학적이고 기술적인 도전은 2010년 초기 점화 시도의 성공 가능성이 희박하다는 것을 시사합니다."[93]라고 결론지었습니다.2009년 1월 26일 최종 라인 교체 장치(LRU)가 설치되어 비공식적으로 공사가 완료되었습니다.[94][95]2009년 2월 26일, NIF는 192개의 레이저 빔을 모두 목표 챔버로 발사했습니다.[96]2009년 3월 10일, NIF는 메가줄 장벽을 깬 최초의 레이저가 되었고, 3 ω(제3 세대)로 알려진 1.1 MJ의 UV 광을 점화 펄스 모양으로 목표 챔버 센터에 전달했습니다.메인 레이저는 1.952 MJ의 IR을 전달했습니다.[98]

영업, 2009~2012

2009년 5월 29일, NIF는 수천 명이 참석한 가운데 열린 기념식에서 헌정되었습니다.[99]구멍 표적에 대한 첫 번째 레이저 사격은 6월 말에 발사되었습니다.[7]

주요 실험에 대한 축적, 2010

2010년 1월 28일, NIF는 669 kJ 펄스가 금 구멍에 전달되었다고 보고하여 레이저 전력 전달 기록을 경신했습니다. 분석 결과, 생성된 플라즈마에 의한 간섭이 의심되는 것은 핵융합 반응을 일으키는 데 문제가 되지 않을 것으로 나타났습니다.[100][101]시험 구멍의 크기로 인해 레이저/플라스마 상호작용으로 인해 작은 프리즘처럼 작용하는 플라즈마 광학 격자가 생성되어 구멍 내부 캡슐에 대칭적인 X선 구동이 생성되었습니다.[101]

레이저의 파장을 점진적으로 바꾼 후, 과학자들은 구형 캡슐을 균일하게 압축하고 그것을 330만 켈빈 (285 eV)으로 가열했습니다.[102]캡슐에는 극저온으로 냉각된 기체가 들어 있어 나중에 사용될 중수소와 삼중수소 연료 캡슐의 대체물 역할을 합니다.[101]플라스마 물리학 그룹의 리더인 지그프리드 글렌저는 그들이 실험실에서 필요한 정확한 연료 층을 유지할 수 있지만 아직 레이저 시스템 안에서는 유지할 수 없다고 말했습니다.[102]

2010년 1월 기준, NIF는 1.8 메가줄에 달했습니다.표적실에는 중성자를 차단할 수 있는 방패가 설치되어야 했습니다.[100]

2010~2012 국가 점화 캠페인

정비사가 NIF(National Ignition Facility) 목표 챔버 내에서 목표 위치 측정기 작업을 수행합니다.

본 공사가 완료됨에 따라 NIF는 점화에 도달하기 위한 NIC(National Ignition Campaign)를 시작했습니다.당시 과학잡지에는 발화가 임박했다는 기사가 실렸습니다.사이언티픽 아메리칸(Scientific American)은 2010년 리뷰 기사에서 "이제 점화가 가까워졌습니다.1~2년 안에..."[103]

첫 번째 테스트는 2010년 10월 8일에 1 MJ를 약간 넘는 수준에서 수행되었습니다. 그러나 문제로 인해 1.4–1.5 MJ 범위의 점화 수준 레이저 에너지로 향하는 속도가 느려졌습니다.[citation needed]

한 가지 문제는 광학 부품에 에너지가 더 많이 집중되어 과열로 인한 손상의 가능성이었습니다.[104]다른 문제로는 연료를 목표물 안에 겹치게 하는 문제와 캡슐 표면에 미세한 양의 먼지가 포함되었습니다.[105]

파워 레벨은 계속 증가했고 타겟은 더욱 정교해졌습니다.이어 미세한 양의 수증기가 표적실에 나타나 구멍 끝 창문으로 얼어붙어 비대칭 내파를 일으켰습니다.이것은 양 끝에 두 번째 유리층을 추가함으로써 해결되었고, 효과적으로 폭풍창을 만들었습니다.[105]

SSMP 재료 실험을 위해 2011년 2월부터 4월까지 촬영이 중단되었습니다.그런 다음 NIF를 업그레이드하여 진단 및 측정 장비를 개선했습니다.NIF의 192개 빔 중 4개를 내폭 시퀀스를 이미징하기 위한 백라이트로 사용하는 첨단 방사선 촬영 기능(ARC) 시스템이 추가되었습니다.ARC는 본질적으로 1천조 와트(1015) 와트를 초과하는 피크 전력을 가진 페타와트급 레이저입니다.이 장치는 더 밝고, 더 투과성이 높은 고에너지 엑스선을 생성하도록 설계되었습니다.ARC는 세계에서 가장 에너지가 높은 단펄스 레이저가 되었으며, 피코초간 레이저 펄스를 생성하여 50~100keV 범위의 에너지 X선을 생성할 수 있습니다.[106]

NIC는 퓨전 타겟을 압축하는 4개의 레이저 충격파의 타이밍을 보다 정확하게 맞추기 위해 2011년 5월에 재가동됩니다.[citation needed]

2012년 1월, NIF의 레이저 융합 에너지 프로그램 책임자인 Mike Dunne은 NIF에서 10월까지 점화가 이루어질 것이라고 예측했습니다.[107]같은 달, NIF는 57발의 사상 최고의 총을 발사했습니다.[108]3월 15일 NIF는 411TW의 피크 파워를 가진 레이저 펄스를 생산했습니다.[109]7월 5일, 그것은 1.85 MJ의 짧은 펄스를 생산했고 500TW의 출력을 높였습니다.[110]

DOE 보고서, 2012년 7월 19일

NIC를 주기적으로 검토했습니다.2012년 7월 19일에 6번째 리뷰가 발행되었습니다.[111]보고서는 레이저, 광학, 표적, 진단 및 작동과 같은 설치의 품질을 높이 평가했습니다.단,

그러나 이러한 광범위한 실험 기간을 바탕으로 한 통합적인 결론은 점화에 도달하기 위해서는 상당한 장애물을 극복해야 하거나 특정한 알파 가열을 관찰해야 한다는 것입니다.실제로 검토자들은 현재의 '반경험적' 접근법으로 알려지지 않은 점을 고려할 때 12월 말 이전에 발화할 가능성은 극히 낮고 모호하지 않은 알파 가열을 입증하는 목표조차 어렵다는 점에 주목합니다.[111]: 2

또한, 보고서는 관찰된 성능과 시뮬레이션 코드 간의 차이가 현재 코드가 제한적으로 유용하다는 것을 의미한다는 깊은 우려를 표명했습니다.특히 캡슐에 대한 방사선 구동의 예측 능력이 부족하고 레이저-플라스마 상호작용 모델링이 불충분하다는 사실을 발견했습니다.압력은 점화에 필요한 압력의 1/2에서 1/3에 불과했고, 이는 예측값에 훨씬 못 미쳤습니다.메모는 애블레이터의 외부 표면에서 유체역학적 불안정으로 인해 애블레이터 물질과 캡슐 연료의 혼합에 대해 논의했습니다.[111]

이 보고서는 더 두꺼운 애블레이터를 사용할 것을 제안했지만, 이는 애블레이터의 관성을 증가시킬 것입니다.필요한 내폭속도를 유지하기 위해 NIF 에너지를 2MJ까지 증가시킬 것을 제안하였는데, 혼합한계를 회피하고 점화에 도달할 수 있을 정도의 큰 캡슐을 압축하기에 충분한 에너지를 가지고 있는지에 대한 의문이 제기되었습니다.[112]보고서는 2012년 역년 내 발화가 '가능성이 매우 낮다'는 결론을 내렸습니다.[111]

NIC는 2012년 9월 30일에 공식적으로 종료되었습니다.언론 보도에 따르면 NIF가 재료 연구 쪽으로 초점을 바꿀 것이라고 합니다.[113][114]

2008년, LLNL은 상업용 발전소 설계의 기초로 NIF 기술을 사용하는 방법을 모색하기 위해 Laser Inertial Fusion Energy 프로그램(LIFE)을 시작했습니다.NIF와 병렬적으로 개발되어 설계 성능을 크게 향상시키는 기술을 통합한 순수 융합 장치에 초점을 맞추었습니다.[115]2014년 4월, LIFE가 종료되었습니다.[115]

2013년 연료 이득 손익분기점

2013년 9월 27일 NIF 핵융합 실험에서 중수소-삼중수소 연료가 흡수한 에너지보다 더 많은 에너지를 생성했습니다.[116]이는 레이저 입력 에너지를 초과하는 융합 에너지로 정의되는 [117][118]"과학적 손익분기점"에 도달한 것과 혼동되어 왔습니다.[119]이 정의를 사용하면 14.4 kJ 아웃과 1.8 MJ 인의 비율이 0.008이 됩니다.[116]

비축실험, 2013-2015

2013년, NIF는 재료 및 무기 연구로 초점을 옮겼습니다.2015 회계연도부터 시작된 실험에서는 플루토늄 표적을 사용했습니다.[120]플루토늄탄은 CNTB가 발효된 이후 직접적인 실험이 없었던 고폭약에 의한 핵폭탄의 1차 압축을 모의 실험합니다.플루토늄의 사용량은 1 밀리그램 미만에서 10 밀리그램까지 다양했습니다.[121]

2014 회계연도에 NIF는 191개의 슈팅을 수행했는데, 이는 이틀에 1개 꼴입니다.2015년 4월 현재 NIF는 2015 회계연도에 300개의 레이저 촬영 목표를 달성하기 위한 궤도에 올랐습니다.[122]

백 투 퓨전, 2016–현재

2016년 1월 28일, NIF는 고이득 자화 라이너 관성 융합(MagLIF)과 관련된 1센티미터(0.39인치) 길이의 표적 내 대량 레이저 광 흡수를 연구하기 위한 첫 번째 가스 파이프 실험을 성공적으로 수행했습니다.고이득 MagLIF 표적 설계에 대한 레이저 에너지 커플링의 전파, 안정성 및 효율성의 주요 측면을 본격적으로 조사하기 위해, NIF의 단일 쿼드를 사용하여 13 나노초 모양의 펄스 동안 30 kJ의 에너지를 표적에 전달했습니다.데이터 반환이 양호했습니다.[123]

2018년 1.9×1016 중성자 출력의 샷에서 압축 비대칭 제어의 개선이 입증되었으며, 이로 인해 1.5 MJ 레이저 펄스에 의해 방출되는 0.054 MJ의 융합 에너지가 발생했습니다.[124]

2021년, 연소 플라즈마 달성

Plot of NIF results from 2011 to 2021
2011년부터 2021년까지의 NIF 결과 그림은 연소 플라즈마에 의한 핵융합 에너지의 급격한 증가를 보여줍니다.

2021년 8월 8일, 한 실험에서 세계 최초로 불타는 플라즈마가 나왔습니다.[11]산출량은 레이저 입력 에너지의 70%로 추정되었습니다.그것은 약 100조분의 1초의 짧은 수명의 연쇄 반응과 일치하는 과도한 중성자를 생성했습니다.[125]캡슐 껍질의 재질을 다이아몬드로 변경하여 레이저 버스트에 의해 생성된 2차 엑스레이의 흡광도를 높여 붕괴의 효능을 높였고 표면을 더욱 매끄럽게 만들었습니다.연료를 주입할 때 사용하는 캡슐의 구멍 크기를 줄였습니다.캡슐을 둘러싼 금실린더의 구멍은 에너지 손실을 줄이기 위해 축소되었습니다.레이저 펄스가 확장되었습니다.[126]이 결과는 1997년 JET 토러스가 세운 67%의 이전 기록을 약간 뛰어넘은 것입니다.[127][failed verification]이 숫자들은 플라즈마에 도달하는 에너지의 양에 대한 융합에 의해 만들어진 에너지의 비율입니다.이는 전체적인 전원 투입과 전원 투입과 동일하지 않습니다.실험은 ~477 MJ의 전기 에너지를 사용하여 ~1.8 MJ의 에너지를 타겟에 주입하여 ~1.3 MJ의 융합 에너지를 만들었습니다.[11]

정확히 1년 뒤인 2022년 8월 8일, 원래 실험에서 로슨 기준에 따라 플라즈마의 점화를 확인하는 새로운 연구 결과 3건이 발표되었습니다.[128][129][130][131]

2022년 과학적 단절 달성

2022년 12월 13일 로렌스 리버모어 국립 연구소 유튜브 페이지를 통해 사상 최초로 핵융합 점화를 달성한 제어 핵융합 실험 영상 발표
수석 디자이너 애니 크리처가 손익분기점 점화를 발표하는 2022년 12월 13일 기자회견에서 연설하고 있습니다.

NIF는 2022년 12월 5일, 2.05 메가 줄의 레이저 광 입력으로 3.15 메가 줄의 에너지를 생성하여 약 1.5의 에너지 이득을 얻는 최초의 융합 실험이 되었습니다.[12][132][133][134]레이저를 충전하면 "400 메가 줄 이상" 소모됩니다.[135]12월 13일 공개적인 발표에서, 에너지부 장관 제니퍼 그랜홈은 그 시설이 점화에 성공했다고 발표했습니다.[136]

연료를 둘러싸고 있는 약간 더 두껍고 매끄러운 캡슐과 2.05 MJ 레이저를 사용해야 했습니다(2021년 1.9 MJ에서 증가). 3.88 MJ를 산출했습니다.[137]그들은 또한 더 대칭적인 (구형) 내폭을 발생시키는 쪼개진 레이저 빔 사이에 에너지를 재분배했습니다.[1]

NIF는 2023년 7월 30일 두 번째 손익분기점을 달성했습니다.[138]2023년 9월, 세 번째 브레이크 이븐 샷이 달성되었습니다.로렌스 리버모어(Lawrence Livermore)는 또한 2023년경 업그레이드된 광학 및 레이저를 통해 레이저 에너지를 샷당 2.2 MJ까지 끌어올릴 계획을 세웠습니다.[139][140]

유사 프로젝트

일부 유사한 실험 ICF 프로젝트는 다음과 같습니다.

사진들

  • Viewing port allows a look into the interior of the 30 foot diameter target chamber.

    뷰잉 포트를 사용하면 직경 30피트의 목표 챔버 내부를 볼 수 있습니다.

  • Exterior view of the upper third of the target chamber. The large square beam ports are prominent.

    대상 챔버의 3분의 1 상부의 외관도.대형 사각형 빔 포트가 눈에 띕니다.

  • A technician loads an instrument canister into the vacuum-sealed diagnostic instrument manipulator.

    기술자가 진공 밀봉식 진단 기기 조작기에 기기 캐니스터를 장착합니다.

  • The flashlamps used to pump the main amplifiers are the largest ever in commercial production.

    주 증폭기를 펌핑하는 데 사용되는 플래시 램프는 상업적 생산에서 역대 최대 규모입니다.

  • The glass slabs used in the amplifiers are likewise much larger than those used in previous lasers.

    증폭기에 사용된 유리 슬라브도 이전 레이저에 사용된 것보다 훨씬 큽니다.

대중문화에서

NIF는 2013년 영화 스타 트렉 인투 다크니스에서 스타쉽 엔터프라이즈의 워프 코어의 세트로 사용되었습니다.[145]

참고 항목

메모들

  1. ^ Nova Upgrade가 SSMP에 너무 작은 이유는 명확하게 명시되어 있지 않으며, 사용 가능한 리소스에 이유가 제시되어 있지 않습니다.

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37°41'27 ″N 121°42'02 ″W/37.69083°N 121.70056°W/ 37.69083; -121.70056