Koel은 PPPL의 융합 연구에 표면 화학 과학을 적용합니다.

프린스턴 화학 및 생물 공학 교수 Bruce Koel은 핵융합에 직면한 가장 큰 장애물 중 하나인 핵융합 반응을 오랫동안 지속시키는 방법을 해결하기 위해 표면 화학 과학을 적용하기 위해 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 과학자들과 협력하고 있습니다. 참고: 이 이야기의 사진은 사진 촬영 당시 사용되지 않은 장비를 가진 연구원을 보여줍니다.

사진: 엘 스타크먼

Bruce Koel의 새 사무실 복도 아래에 있는 연구실의 온도는 불타는 별의 에너지를 담고 있는 온수 욕조 크기의 방에서 섭씨 1,100만도 이상 올라갈 예정입니다.

이 챔버는 미국 에너지부 산하 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)에 위치해 있습니다. 이곳에서 과학자들은 태양과 다른 별에 연료를 공급하는 것과 동일한 과정인 원자 융합을 활용하여 우주에 안전하고 깨끗하며 풍부한 에너지를 제공하는 방법을 모색하고 있습니다. 가정과 회사.

프린스턴 대학의 화학 및 생물 공학 교수인 Koel은 PPPL 과학자들과 협력하여 지구상의 태양 에너지를 포착하는 과제를 해결하고 있습니다. 작년에 프린스턴 교수로 임명된 Koel의 전문 분야는 표면 화학입니다. PPPL에서 그의 임무는 핵융합에 직면한 가장 큰 장애물 중 하나인 핵융합 반응을 오랫동안 지속시키는 방법을 해결하기 위해 표면 과학을 적용하는 것입니다.

원자들의 융합은 막대한 양의 에너지를 방출하지만, 그 과정은 극히 높은 온도에서만 일어날 수 있습니다. 핵융합이 미래 발전소의 기초가 되려면 과학자들은 공정이 냉각되지 않도록 하는 방법을 찾아야 합니다.

놀랍게도 원자로 내부 벽에 사람 머리카락 너비만큼 얇은 금속 라이닝이 이러한 냉각을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. Koel은 PPPL 과학자들과 협력하여 이 라이닝에 대한 재료를 연구하고 있습니다. 가장 유망한 안감은 지구상에서 가장 가벼운 금속이자 물 위에 뜨는 유일한 금속인 리튬이다.

핵융합로에서 발견될 수 있는 것과 유사한 조건에서 리튬의 상호 작용을 연구하기 위해 고강도 및 온도 특성으로 알려진 몰리브덴, 티타늄, 지르코늄 및 탄소의 합금인 TZM 몰리브덴 샘플의 리튬을 가열합니다. 일련의 전자 및 이온 분광계가 장착된 초고진공 챔버 내부.

수소 원자의 특정 형태 또는 동위원소가 너무 가열되어 양전하를 띤 핵이 음전하를 띤 전자와 분리되어 플라즈마라고 불리는 하전된 구름을 형성할 때 융합이 발생하기 때문에 온도를 수백만도 유지하는 것이 필수적입니다. 이 수소 핵은 빠른 속도로 서로 충돌하고 충돌하여 핵이 융합되고 에너지가 방출됩니다.

이 플라즈마는 너무 뜨거워서 원통형 스테인리스 스틸과 구리 챔버 내부에 수용된 자기장만이 플라즈마를 포함할 수 있습니다. 그러나 길을 잃은 입자는 하전된 구름에서 지속적으로 빠져나와 챔버 벽에 충돌한 다음 다시 플라즈마로 튕겨 나옵니다. 차가운 입자가 뜨거운 가스로 다시 순환되면서 플라즈마가 냉각되고 난류가 발생하고 불안정해집니다.

내열성 탄소 타일이 챔버 내부에 늘어서 있지만, 입자가 자기장에 의해 용기 중앙에 갇히고 챔버 벽에 직접 접촉하지 않는 플라즈마 안팎으로 순환하는 것을 막지는 못합니다. PPPL 수석 연구 물리학자이자 천체 물리학 교수 직급의 강사인 Richard Majeski는 "중간을 아무리 뜨겁게 만들어도 벽은 차갑습니다"라고 말했습니다. "집의 단열이 좋지 않은 것과 같습니다."

그러나 챔버 내부의 리튬 라이닝은 스펀지처럼 작용하여 핵융합 반응에서 빠져나가는 입자를 흡수할 수 있습니다.

Koel(오른쪽)과 기계 및 항공우주 공학 대학원생 Ryan Sullenberger(왼쪽)는 X선을 사용하여 샘플 표면에서 전자를 폭발시키고 X선 광전자 분광계인 이 장치에서 전자의 에너지를 측정합니다. 이 정보는 융합 중에 리튬에 어떤 일이 일어나는지 밝히고 연구자들이 핵융합로 실험에서 리튬 라이너를 개선하는 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.