KR20130131330A

KR20130131330A - 핵융합 에너지를 위한 간접 구동 타겟

Info

Publication number: KR20130131330A
Application number: KR1020137011886A
Authority: KR
Inventors: 피터 에이. 아멘트; 로빈 알. 마일즈
Original assignee: 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-12-03
Also published as: CA2815837A1; US20140286471A1; RU2013118578A; EP2638788A4; WO2012064767A1; US20120114088A1; JP2014500487A; CA2813965A1; CA2814004A1; EP2638788A1; JP2014500490A; EP2614505A4; KR20130137641A; RU2013118579A; EP2617038A4; US11387007B2; JP6027974B2; EP2614505A1; RU2013125571A; EP2617268A1

Abstract

관성 봉입 핵융합 전력 설비를 위한 홀라움이 개시된다. 상기 홀라움은 거의 실린더형인 외부 표면, 및 럭비공 모양의 내부 표면을 포함한다. 상기 홀라움의 각 단부에 있는 레이저 진입 홀 위의 윈도우는 불활성 가스를 에워싼다. 중심 지점의 양측에 있는 적외선 반사 장치는 핵융합 챔버 열을 상기 캡슐로부터 반사시킨다. 상기 적외선 반사 장치 상에 배치된 P2 실드는 상기 핵융합 연료 캡슐을 위한 강화된 그리고 보다 균일한 엑스선 욕(bath)이 보장되도록 돕는다.

Description

핵융합 에너지를 위한 간접 구동 타겟{INDIRECT DRIVE TARGETS FOR FUSION POWER}

미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에

대한 권리의 주장

미합중국 정부는, 미합중국 에너지부(United States Department of Energy)와 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344호에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 "수명 제한 구성 요소를 발전 설비의 이용률과 분리한 관성 봉입 핵융합 발전 설비(Inertial Confinement Fusion Power Plant which Decouples Life-Limited Components from Plant Availability)"라는 명칭으로 2010.11.8.자로 출원된 미합중국 임시특허출원 제61/411,390호 및 동일한 명칭으로 2011.2.1.자로 출원된 미합중국 임시특허출원 제61/425,198호를 우선권 주장의 기초로 한다. 상기 임시출원들 각각은 그 전체가 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.

본 발명은 핵융합 반응을 위한 타겟에 관련되고, 보다 구체적으로는, 핵융합 기반의 발전 설비를 위한 타겟에 관련된다.

내쇼날 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility; NIF)는 캘리포니아 리버모어 소재의 로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리에 위치한 레이저 기반의 관성 봉입 핵융합 연구 장비이다. NIF는 홀라움(hohlraum) 내에 들어있는 중수소(deuterium) 및 삼중수소(tritium) 연료의 캡슐을 핵융합 반응을 일으키기 위한 온도 및 압력으로 가열하고 압축하기 위해 레이저를 사용한다. 레이저 빔은 캡슐을 직접 가격하지 않고, 홀라움의 내부 표면 상에 초점이 맞춰지는데, 이는 간접 구동(indirect drive)으로 알려진 기술이다. NIF의 목표는 반응을 시작하기 위해 사용되는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 조건인 "점화(ignition)"에 도달하는 것이다.

NIF 홀라움은 일반적으로, 그 벽이 내부를 향해 복사 에너지를 방출하는 실린더형 캐비티(cavity)이다. 관성 봉입 핵융합에 대한 간접 구동 방식에서, 융합 연료 캡슐은 실린더형 홀라움 내부에 수용되고 레이저 빔은 상기 실린더의 단부에 있는 레이저 진입 홀(hole)을 통해 들어가서 홀라움의 내부 표면을 가격한다. 홀라움은 이 에너지를 흡수하여 상기 캡슐로 엑스선(X-ray)으로서 재방사한다. 이 방식의 목적은 레이저 빔이 직접 연료 캡슐을 가격하는, 즉, 사이에 홀라움이 없는, 직접 구동 방식에서 가능한 것보다 더욱 대칭적으로 에너지가 재방사되도록 하는 것이다.

NIF에서 사용된 것과 같은, 일반적인 종래의 홀라움과 캡슐은 도 1에 도시된다.

관성 봉입 핵융합이 전세계에서 요구되는 전기 에너지의 신뢰성있는 클린 에너지원이 되기 위해서는, 메가와트 크기의 발전 설비가 1초당 10 내지 15 타겟 이상을 요구할 것으로 추정된다. 타겟들은 융합 엔진 챔버로 주입되고 복수의 레이저들에 의해 직사(直射)된다. NIF 시스템은 그 타겟 챔버 내의 홀라움의 내부 표면에 에너지를 집중시키기 위해 현재 192개의 레이저를 사용한다.

비용면에서 효율적인 핵융합 에너지의 개발을 위해, 관성 봉입 핵융합 타겟 설계자들은 성공적인 타겟 내파(implosion)를 위한 물리적 요건뿐 아니라 많은 공학적 요건들을 반드시 고려해야 한다. 이러한 고려 사항들은 낮은 타겟 비용, 높은 제조 쓰루풋, 핵융합 챔버로의 주입을 견디고 적절한 레이저-타겟 상호작용과 일치하는 조건 및 물리적 위치에 도달하는 타겟의 능력, 및 내파 후 잔해 제거의 용이성을 포함한다. 또한, 이러한 요건들은 핵융합 챔버 내로의 주입의 가속력을 다루는 능력, 고온의 핵융합 챔버를 통해 비행하는 동안 차가운 DT를 그 삼중점(triple point) 부근에서 유지시키는 능력, 융합 연료를 담은 캡슐의 매우 효율적이고 균일한 조사(照射)를 제공하는 능력을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 간접 구동 관성 봉입 핵융합 발전 설비를 위한 홀라움이 제공되고, 상기 홀라움은 중심 위치에서 핵융합 연료를 포함하는 캡슐을 둘러싼다. 상기 홀라움은 두 개의 단부 영역과 상기 두 개의 단부 영역 사이의 중간 영역을 포함하는 외부 표면을 갖는다. 상기 중간 영역은 중심축에 대해 제1 직경을 갖는 거의 대칭인 실린더 형상을 갖는 한편, 각각의 단부 영역은 상기 제1 직경으로부터 상기 홀라움의 끝에서의 더 작은 제2 직경까지 점점 가늘어진다. 상기 홀라움의 상기 단부 영역의 각각은 레이저 빔 진입 홀 및 상기 홀라움 내의 가스를 에워싸는 덮개를 갖는다. 상기 홀라움의 내부 공간은 가스로 채워지고 중심축에 대해서 계란 형태를 갖는 내부 벽에 의해 정의된다.

도 1은 NIF에 의해 사용되는 것과 같은 종래의 홀라움 및 캡슐을 도시한다.
도 2는 홀라움과 캡슐의 바람직한 실시예의 투시도이다.
도 3은 온도 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 4는 홀라움에서 시간에 대한 온도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 5는 타겟의 다른 실시예를 도시하는 투시도이다.
도 6은 다양한 물질과 관련된 비용을 도시하는 도면이다.
도 7은 타겟 주입 속도, 타겟 비용 및 상대적인 전력 비용 간의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 홀라움 및 캡슐의 제조를 위한 제조 프로세스를 도시하는 도면이다.

우리는 이러한 요건들을 만족시키기 위해, 본 명세서에서 자주 레이저 관성 봉입 핵융합 기반 에너지(Laser Inertial Fusion-based Energy; LIFE) 발전 설비로 호칭되는, 현재 개발 중인 레이저 기반 관성 봉입 핵융합 발전 설비를 위한 타겟을 설계해 왔다. 계획된 발전 설비는 점화를 위한 다수의 레이저 빔 드라이버를 사용한다. LIFE 타겟 설계와 관련된 시스템의 파라미터들은 아래 [표 1]에 열거된다.

파라미터	값
타겟당 비용	<30 센트
반복률	10-20 Hz
주입 가속도	~6000 m/s²
주입 유출 속도	~250 m/s
챔버 가스 온도	6000-8000K
챔버 가스 압력	~23 Torr
챔버 벽 온도	~900K
챔버 반경	~6 m
최대 DT 온도 변화	~100mK

[계획된 타겟 요건]

도 2는 표 1의 기준을 만족하는 본 발명의 타겟의 바람직한 실시예를 도시한다. 핵융합 연료를 담은 캡슐 40은 고밀도 탄소(carbon)로 만들어진 약 4mm 직경의 속이 빈 구형 캡슐 40이다. 바람직한 실시예에서, 상기 캡슐은 화학적 기상 증착법으로 증착된, 약 100㎛보다 작은 두께의 다이아몬드 애블레이터(ablator) 벽을 갖는다. 나노기공 폼(nanoporous foam), 예컨대, CH1.2는 상기 캡슐의 내부 벽을 라이닝(lining)한다. 내부의 중수소-삼중수소(deuterium-tritium; DT) 연료 층은 약 150㎛ 두께이다. 사용 시에 상기 캡슐과 홀라움은 20K보다 낮은 정도의 온도로 냉각된다.

홀라움 100은 일반적으로 납으로 만들어지고, 직경은 약 1cm, 길이는 약 2cm이며 단열벽 30을 갖는다. 홀라움 벽 내부의 고(high)-Z 물질로 된 대략 20㎛ 두께의 층 20, 예컨대, 도금된 납은 보다 효율적인 엑스선 생성을 제공한다. 상기 홀라움은 예상되는 대략 2.2 메가주울(megajoule; MJ) 레이저 에너지를 캡슐 40에 더욱 잘 연결하기 위한 럭비공 모양의 내부 80을 갖는다. 상기 내부 표면의 형상은 홀라움의 미리 정해진 치수, 예컨대, 최대 및 최소 내부 반경, 및 길이를 만족시키기 위해 수직으로 오프셋된 기점을 갖는 원호(circular acr)이다.

일반적으로 30nm 두께의 알루미늄과 같은 얇은 반사 금속층으로 코팅된 카본 또는 폴리이미드(polyimide)와 같은 저(low)-Z 멤브레인 물질인 적외선 반사 장치 50은 핵융합 챔버 내의 복사열로부터 상기 캡슐을 보호하는 것을 돕는다. 일반적으로 상기 홀라움과 동일한 물질로 제조되고 상기 폴리이미드 멤브레인 상에 놓이는 "P2" 실드(shield) 60 및 70은 캡슐 40 주위의 엑스선 욕(bath)의 대칭성과 강화를 제공한다. 상기 홀라움 100 내에서 상기 캡슐 40을 지지하기 위해 추가적인 저-Z 멤브레인이 사용된다. 상기 홀라움은 더 큰 대칭성 제어를 제공하는 정도로 홀라움 벽이 팽창하도록 헬륨 가스로 채워진다. 상기 가스는 상기 홀라움의 양 단부에 있는 레이저 진입 홀들 위의 윈도우 90에 의해 밀폐된다. 상기 홀라움 100의 외부 표면은 상기 핵융합 챔버로 타겟을 도입하는데 사용되는 타겟 인젝터(injector)에 의한 유도를 가능하게 하는 실린더형 면들을 갖는다.

열적 고려 사항

상기 핵융합 챔버의 첫 번째 벽을 원자핵 융합반응(thermonuclear) 폭발 중에 생성되는 많은 양의 즉각적인 엑스선 복사와 이온의 공격으로부터 보호하기 위해 상기 핵융합 챔버 내에서는 낮은 압력(약 23 Torr)의 크세논(xenon) 대기가 사용된다. 이는 상기 첫 번째 벽으로서 많은 종래의 물질이 사용될 수 있게 하지만, 약 8000°K의 온도로 유지되는 이 대기를 통해 타겟이 비행하는 중에 DT 층의 온도를 약 19°K로 유지함에 있어서의 어려움을 증가시킨다. 홀라움의 기본 물질 30은 캡슐 40을 챔버 중앙으로의 대략 24ms 동안의 비행 시간 동안 고온의 크세논 가스로부터 단열한다.

상기 레이저 진입 홀(LEH) 위의 대략 500nm 두께의 그라핀 또는 그라핀 복합물 윈도우 90은 약 8000°K의 크세논 대기에서 약 2200°K까지 빠르게 가열되지만, 그라핀의 온도 한계(약 3000°K) 아래로 유지된다. 상기 홀라움 내의 헬륨 충진(fill) 대기(약 1mg/cc)는 열 싱크로서 작용하는 홀라움으로 열을 이송한다. 이는 핵융합 챔버를 통과할 때 타겟에 대하여 계산된 온도 분포를 제공하는 도 3에 의해 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 900°K 챔버 벽으로부터의 적외선 복사는 상기 홀라움 내부의 IR 실드 60, 70으로부터 반사된다. 이러한 IR 실드는 약 30nm의 금속화 알루미늄으로 코팅된 약 400nm 두께의 얇은 폴리이미드 멤브레인을 포함한다. 적외선 실드는 캡슐 40 부근의 헬륨을 가열한다. DT 온도는 약 80mK로 상승할 것으로 기대되는데, 이는 우리의 목표인 최대 온도 변화 100mK보다 낮다. 도 4는 예상되는 연료 온도 상승을 상기 챔버 내에서의 비행 시간의 함수로서 도시하는 그래프이다.

구조적 고려 사항

상기 홀라움은 벽 두께 및 물질의 선택에 의해 ~600g 주입 가속력을 충분히 견딜 수 있도록 강하게 만들어진다. 상기 타겟의 더 약한 구성요소는 상기 캡슐 내의 DT 층과 110nm 이하 두께의 카본 기반 캡슐 지지 멤브레인이다. 수소 동위원소는 다른 물질에 대한 높은 친화도를 갖는다. 만약 상기 DT 층이 예상대로 애블레이터에 부착된다면, 상기 애블레이터는 상기 DT 층을 구조적으로 지지한다. 우리의 분석에 의하면, 중수소의 층과 연결된, 화학 기상 증착법으로 증착된 다이아몬드 애블레이터 층은 상기 캡슐의 원 형태를 벗어나는 1㎛ 미만의 변형을 일으킬 것이다. 이는 우리가 기대하는 허용 범위 내이다. NIF 타겟에 대해 측정되고 멤브레인 변위 방정식에 적용된 멤브레인 데이터를 사용한, 상기 캡슐 지지 멤브레인에 대한 지금까지의 분석에 의하면, 가속력이 맴브레인 변위에 영향을 미치는 지배적인 힘이 되도록 최소한의 초기 인장력이 미리 인가되고 상기 캡슐의 형태에 맞게 멤브레인이 몰딩되면 상기 멤브레인이 600g의 가속도까지 온전히 유지될 것이다.

멤브레인에 작용하는 힘과 멤브레인의 변위를 줄이는 또 다른 방법은 상기 캡슐 지지 멤브레인을 가속력의 방향으로 배향하는 것이다. 이는 도 5에서 실린더형 홀라움에 대하여 도시되지만, 상기 방법은 다른 형상의, 예컨대, 도 2에 도시된 것과 같은 홀라움에 대해서도 사용될 수 있다. 상기 멤브레인은 축 방향으로 배향된 홀라움 구조 구획선에 고정된다. 이 경우 허용가능한 가속도는 1000g를 초과할 것으로 예상된다. 우리는, 상기 얇은 멤브레인의 유한 요소 분석(finite element analysis)과 연결된, 극저온(cryogenic) 조건에서의 후보 물질들에 대한 물성의 측정에 의해 상기 지지 멤브레인이 주입 가속의 정력(static force) 및 동력(dynamic force)을 모두 견뎌낼 것임이 확인될 것으로 기대한다.

물질 고려 사항

내파와 그 후의 재활용 및/또는 처리에 이은 챔버로부터의 잔해의 제거는 타겟 물질 선택에 있어서 설계상의 제약을 가한다. 이는 특히 상기 타겟의 질량의 대부분을 구성하는 홀라움 물질에 대해서 그러하다. 상기와 같이, 상기 홀라움은 내부의 고-Z 층과 단열-구조적 지지 물질로 구성된다. 일부 구현예에서는, 만약 주입을 위해 유도 인젝터 또는 전자기 궤적 조향부(electromagnetic trajectory steering section)가 사용된다면 도전성의 외부 층도 포함할 것이다.

고체 침착물이 핵융합 챔버 벽에 쌓이지 않도록 상기 홀라움 물질은 9000K의 벽 온도보다 낮은 용융점을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 침착물은 상기 벽의 열적 또는 중성자적 특성을 변경시킬 수 있고, 또는, 상기 챔버를 통한 레이저 전파를 감소시킬 수 있는 상기 벽 부근의 고체 잔해의 구름을 생성하거나 상기 챔버 내로의 타겟 비행에 영향을 미칠 수도 있다. 높은 증기압의 물질들은 용이한 제거를 위해 상기 챔버 밖으로 연속적으로 펌핑된다.

잔여 증기를 통한 레이저 전파와 관련해서, 스톡스 천이된 라만 산란(Stokes-shifted Raman scattering)을 일으키는 레이저 주파수 부근의 흡수선들은 이 효과가 다음 타겟에 도달하는 레이저 광의 양에 현저히 영향을 미칠지를 결정하기 위해 분석된다. 납은 싸고, 낮은 레벨의 활성화 생성물(activation product)을 갖고, 스웨이징(swaging) 또는 플레이팅(plating)을 통해 쉽게 제조되기 때문에 매력적인 고(high)-Z 홀라움 물질이다. 납과 같이 낮은 방사 활성화 레벨을 갖는 저가의 물질은, 저레벨 폐기물로 버려지거나 또는 재활용 비용이 낮다면 재활용될 수 있다. 활성화로 인한 폐기물 처리 문제가 있을 수 있는 물질들은 피한다. 상기 홀라움의 고-Z 층을 위한 비용, 증기압 기반의 잔해 제거 및 폐기물 처리 선택 기준은 도 6에서 요약된다.

제조 고려 사항

제조 비용은 타겟 물질과 특정한 타겟의 기하학적 형상의 선택을 위한 고려 사항이다. 이상적으로, 선택된 물질은 바람직하게는 전체 타겟 비용의 작은 비율이다. 타겟 비용은 대부분은 기계적, 화학적 처리 작업으로부터 발생한다. 기계적 프로세스를 위한 다이캐스팅(die-casting) 또는 스탬핑과 같은 높은 쓰루풋을 갖는 종래의 기술에 의해, 그리고, 예컨대, 화학적 기상 증착 및 전기 도금과 같은 화학적 프로세스의 배치(batch) 크기를 증가시킴으로써 생산 비용이 더 낮아진다. 우리의 비용 예비 분석에 의하면, 타겟당 비용은 30센트보다 작아질 수 있다. 비용 예비 분석은 도 7에 도시되고, 도 7은 또한 타겟 비용, 반복률 및 상대적인 전력 비용 간의 관계를 도시한다.

우리는 납 홀라움을 위한 물질 비용과 CVD 다이아몬드 캡슐 애블레이터 비용은 상기 타겟 비용의 상대적으로 작은 부분(~17%)인 반면 장비 비용은 상기 전체 타겟 비용의 상대적으로 큰 비율(~42%)이라고 추정한다. 이는 큰 배치 크기(배치당 ~45,000)를 가정하는 경우에도 하루에 ~130만 캡슐을 생산하기 위해 매우 많은 수의 플라즈마 CVD 코팅 장비가 요구되는 결과이다.

주입-추적 고려 사항

상기 타겟의 또 다른 설계 고려 사항은, 설계된 결합 지점의 약 100㎛ 내에서 레이저 구동 빔과 연결되도록 상기 챔버 내에서의 타겟 궤적을 추적하는데 필요한 구성을 통합하는 것이다. 인젝터의 머즐(muzzle) 단부와 챔버 중심 사이의 거리는 상기 DT 층이 견뎌낼 수 있는 중성자의 최대 유동에 의해 설정된다. 상기 DT 층의 온도는 중성자들과의 상호작용에 의해 또는 상기 인젝터 시스템의 어떤 구성 부품에 의해 허용할 수 없을 정도로 상승할 수 있는데, 이로 인해 허용할 수 없는 중성자 손상을 겪을 수 있다. 상기 인젝터와 상기 챔버 사이에 위치되는 셔터형 중성자 실드 시스템은 타겟으로의 중성자 및 감마 복사를 감소시킨다. 구체적인 인젝터의 메커니즘과 타겟 추적 시스템에 관한 설명은 "핵융합 타겟 주입 및 추적"이라는 명칭의 미국특허출원(대리인 서류 번호: 91920-792732)을 참조하면 된다. 상기 출원의 내용은 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다.

상기 인젝터 머즐과 챔버 중심 사이의 거리가 짧을수록, 타겟은 핵융합 챔버의 중심에 더 정확히 위치될 수 있다. 주입 정확도는 상기 인젝터의 치수 정확도와 진동 완화에 달려있다. 우리의 목적은 챔버 중심에서 타겟 궤적에 수직으로 ±500㎛ 측방향 범위 내에 타겟을 위치시키는 것이고, 이는 상기 핵융합 챔버의 중심으로부터 20m 떨어진 위치의 최종 광학 장치를 위한 레이저 포인팅 시스템의 예상 운동 범위와 같다. 상기 추적 시스템은 상기 타겟이 상기 챔버를 횡단할 때 그 위치 및 속도를 측정한다. 상기 시스템은 상기 타겟의 외부 형상에 의해 작동이 촉발되는 한 세트의 교차하는 레이저 빔들로 구성된다. 상기 타겟은 상기 챔버의 중심에 대하여 약 ±50㎛ 내에서 추적될 수 있을 것으로 예상된다. 상기 타겟이 상기 챔버 중심의 약 25㎲ 내에 있을 때(250m/s 타겟 속도에 대해 ~6mm), 상기 레이저와 같은 광학 장치를 사용하는 인게이지먼트(engagement) 센서는 상기 레이저의 포인팅 방향에 대한 상기 타겟의 위치를 ±10㎛의 예상 정확도 내에서 측정하고, ±100㎛ 내에서 상기 타겟에 충돌하기 위해 상기 레이저 포인팅 방향을 교정한다. 상기 추적 시스템에 의해 결정된 상기 타겟의 속도 또는 예상 위치의 변화는 상기 인게이지먼트 센서에 의하여 교정된다. 인게이지먼트 시스템은 정의된 패턴, 예컨대, 링 패턴 또는 다른 기준으로 레이저 광을 반사하는 상기 타겟의 전면 및 후면에 의존한다. 이는 상기 인게이지먼트 센서가 상기 타겟의 위치를 정확히 예측할 수 있게 한다.

타겟의 물리학

상기 타겟의 물리학적 설계는 참조에 의해 본 명세서에 편입되는, 첨부된 "부록 A"에서 상세히 논의되고, 상기 부록 A는 아멘트(Amendt), 던(Dunne), 호(Ho) 및 린들(Lindl)에 의한 "수명 청정 핵융합 타겟 설계: 현상 및 전망(Life Pure Fusion Target Designs: Status And Prospects)"이라는 문헌이다.

도 8은 상기한 캡슐 및 홀라움의 제조를 위한 제조 프로세스를 도시하는 개요도이다. 상기 캡슐의 제조는 상기 DT 연료의 봉쇄를 위한 다이아몬드 애블레이터 셸(shell)의 제조로 시작된다. 이 프로세스는 구형 셸 상에서 화학 기상 증착법에 의해 수행된다. CH1.2 카본 기반 폴리머 물질로 구성되는 나노폼(nanofoam)의 도입을 가능하게 하기 위해 상기 캡슐 내에 충진 홀이 형성된다. 다음으로 상기 DT 연료가 상기 캡슐 내로 도입되고 상기 폼으로 흡수된다. 상기한 종류의 프로세스는 약 300K에서 실행되고, 그 결과 상기 폼과 DT 충진이 상기 프로세스의 후반부에 약 15-20K까지 냉각될 때 셀프레벨링(self-leveling)하게 된다. 다시 말해, 상기 캡슐 벽의 내부 둘레에 균일한 두께의 층을 형성하게 된다. 상기 DT-기상(vapor phase) 충진 프로세스가 완료되면 상기 캡슐 벽에 있는 상기 홀을, 예컨대, 폴리머 및 고밀도 카본에 의해 막는다. 상기 폼 층의 형성은 상기 셸로 폼의 앨리쿼트(aliquot)를 도입하는 단계, 중합(polymerization) 프로세스 중에 스핀 코팅 또는 유전 이동(dielectrophoresis) 또는 다른 방법을 통해 상기 캡슐의 내측 표면 상에 졸겔 층을 형성하는 단계, 용제 매트릭스를 추출하는 단계로 구성된다.

도 8의 하부에는 홀라움 제조 프로세스가 도시된다. 사출 성형 및 도금 작업을 사용하여 벌크 홀라움 부품들이 준비된다.(상기 프로세스는 도 2에 도시된 것과 다른 실린더형 홀라움에 대하여 개념적으로 도시되어 있지만, 도 2의 홀라움은 동일한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있음에 유의한다.) 상기 홀라움은 납 또는 다른 고-Z 물질을 사용하여 주조(dis cast), 주물(molding) 또는 스웨이징에 의해 형성될 수 있다. 상기 프로세스의 두 번째 단계에서, 적외선 실드 및 레이저 진입 홀 윈도우가 상기 캡슐을 지지하기 위해 미리 성형된 오목부를 갖는 지지 멤브레인과 함께 상기 홀라움 구성요소에 부착된다.

다음으로 상기 프로세스의 세 번째 제조 단계에 도시된 바와 같이, 상기 홀라움 부품들이 조립된다. 다음으로 상기 캡슐이 제공되고 상기 미리 성형된 캡슐 지지 멤브레인 내에 위치된다. 다음으로, 상기 프로세스의 마지막 단계에 도시된 바와 같이, 상기와 동일한 순서로 동일한 프로세스 단계들을 사용하여 제조된 상기 홀라움의 나머지 반이 제공되고, 이 두 개의 반쪽이 서로 결합된다.

핵융합 발전 설비에서 사용되는 간접 구동 타겟의 바람직한 실시예가 위에서 설명되었다. 청구범위에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 상기 타겟의 설계에는 수많은 변형이 있을 수 있음을 인식하는 것은 매우 중요하다. 예를 들어, 상기 레이저 진입 홀을 덮는 윈도우, 홀라움 자체의 물질, 형상 및 그 구성요소들은 다른 물질로 대체될 수 있다.

부록 A

수명 청정 핵융합 타겟 설계: 현상 및 전망

피터 아멘트, 엠 던, 디.디 호 및 제이.디. 린들(Lindl)

로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리, 리버모어 캘리포니아 94551 미국

초록

2030년대 중반의 데모 1GWe 레이저 관성 핵융합 에너지(LIFE.2) 발전 설비에서 예상되는 높은 이득의 핵융합 타겟 성능에 관한 해석 및 방사-유체 역학 시뮬레이션이 소개된다. 0.351㎛ 파장에서 요구되는 레이저 에너지 드라이버는 2.41MJ이고, 15Hz의 반복률에서 64보다 큰 핵융합 타겟 이득은 경제적, 상업적으로 매력적인 설계 목표이다. 스케일링 법칙(scaling law) 해석은 홀라움 구동 중심 핫스팟(hot spot) 점화를 위한 설계 파라미터 공간을 벤치마킹하기 위해 개발된다. 모델링 가정을 테스트하고 내쇼날 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서의 주요한 물리적 불확실성의 근일 내의 실험적 해결을 위한 기초를 제공하기 위해 한 세트의 통합된 홀라움 시뮬레이션이 제시된다.

키워드: 관성 핵융합 에너지, 홀라움, 내쇼날 이그니션 퍼실리티, 중심 핫스팟 점화, 간접 구동, 원자핵 융합반응 이득

I. 도입부

내쇼날 이그니션 퍼실리티(NIF)는 중심 핫스팟(central hot spot; CHS) 점화 모드 및 원자핵 융합반응 연소 전파에 기초하여 2012년까지 점화를 시연하기 위해 준비하고 있다[1]. 즉각적인 전망은 21세기 중반까지 화석 연료 기술을 실질적으로 대체하기 위한 탄소를 배출하지 않는, 사실상 무한정의 에너지원으로서의 발전된 관성 핵융합의 긴요함과 시기적절함을 강조한다. 이를 위해, NIF에서의 성공을 발판으로 프로토타입 "LIFE.1" 엔지니어링 테스트 시설을 2025년까지 공급하고, 이어서 2035년까지 1GWe에서 동작하는 상업적으로 실현가능한 "LIFE.2" 데모 발전 설비를 제공하기 위한 집중적인 노력이 계속되고 있다. LIFE.2를 위한 현재의 설계 목표는 15Hz의 반복률로 동작하는 0.351㎛ 파장에서 (하이-Z 방사선 인클로저 또는 "홀라움"으로 진입하는) ~2.41MJ의 레이저 에너지를 수용하고 147MJ의 핵융합 타겟 출력을 제공하는 것이다.

이러한 설계 목표를 달성하기 위해 먼저 파라미터 공간의 편리한 탐구와 타겟 최적화를 가능하게 하는 "0-d" 해석 이득 모델이 요구된다. 이 단계에 이어서, 레이저 빔 이송, 엑스선 방사 이송, 원자 물리학, 및 원자핵 융합반응 연소를 통합하는 2차원 및 3차원 방사-유체 역학 시뮬레이션이 행해진다[2]. 이러한 시뮬레이션들은 유체 역학적 불안정성의 성장, 타겟 성능 마진, 상기 홀라움 내의 플라즈마 변동에 의해 유도되는 레이저 후방 산란(backscatter), 및 점화 캡슐로부터 나오는 위험 스펙트럼, 예컨대, 챔버 생존률을 계산하기 위한 입력을 위한 엑스선 및 이온의 스펙트럼, 플루엔스 및 이방성에 대한 민감성을 평가하는 기초를 형성한다. 상기 시뮬레이션은, 실험적 테스트를 위해 구축된 기준을 만족시키는 컨셉 개발에 있어서 잘 정의된 마일스톤을 특정하는 "포인트 설계" 방법론의 가이드라인을 따른다.

이 논문의 섹션 II에서는, 이득 대 레이저 에너지 파라미터 공간을 조사하기 위한 0-d 해석 이득 모델이 제시된다. 섹션 III에서는 통합된 홀라움 시뮬레이션의 현상(現狀)과 ~64의 LIFE.2 문턱값 타겟 이득을 만족시키기 위해 레이저-홀라움 연결 효율에 있어서 요구되는 개선을 살펴본다. 섹션 IV에서는 만족스러운 성능 마진을 위한 LIFE.2 설계 목표를 훨씬 능가하는 진보된 홀라움 설계를 고려한다. 섹션 V에서는 내용을 요약한다.

II. 해석 스케일링 법칙

여기서, 우리는 CHS LIFE.2 타겟 후보들을 위한 타겟 설계 가이던스를 제공하기 위해 몇 가지 해석적 스케일링 관계를 개발한다. 3ω 300eV 내쇼날 이그니션 캠페인(NIC) CH 애블레이터 포인트 설계를 위한 표준 레이저 에너지는 1.2MJ이고, 약 19ns의 기간 동안 전달된다. 캡슐은 186kJ을 흡수하고 15.9MJ의 출력을 생산한다.

로서 정의되는 홀라움 케이스-캡슐 반경의 비(CCR)는 2.76이고(여기서, A_w는 홀라움 벽의 면적이고, A_cap는 캡슐 면적임), 레이저 진입 홀(LEH) 비율은 57%(반경으로)이며, 캡슐 반경은 1108㎛이다. 에너지 보존 법칙에 의하면, 다음과 같다.

(1)

여기서, η은 홀라움 변환 효율(레이저 에너지로부터 엑스선으로), P_L은 (피크) 레이저 파워, T_R은 홀라움 (피크) 복사 온도, α_W는 홀라움 벽 엑스선 알베도(albedo), A_LEH는 두 개의 LEH 중 하나의 면적이고, α_cap는 캡슐 엑스선 알베도이다. 마르샤크 파(Marshak wave) 해석으로부터의 유사해(similarity solution)를 사용하면, 1-<α_W>=0.52T_R ^-0.7τ^-0. ³⁸를 얻을 수 있는데, 여기서 τ는 레이저 드라이버 펄스의 (플랫 톱(flattop) 등가) 피크 파워 부분의 지속 기간이고, 각진 괄호는 τ 동안의 시간 평균을 나타낸다[1]. 등식 (1)을 다음과 같이 쓸 수도 있다.

(2)

여기서, f_LEH는 LEH 비율(반경으로), R_H는 (실린더형) 홀라움 반경,2z_H는 홀라움 길이이며, R_cap는 초기 캡슐 반경이다. 피크 내파 속도를 도입하면 추가적인 전개가 가능하다: υ_imp[㎛/ns]=5.085γβ^3/5T_R ⁰ ^.9[heV][2]. β는 페르미 압력에 대한 주어진 밀도에서의 압력의 비율, γ=R_cap/Δ는 셸의 비행중 애스펙트 비(약 30)이며, 상기 복사 온도는 100eV의 단위로 쓰여 진다. 여기서,

, (3a)

(3b)

이고, E_cap=4πR_cap ²σ_BT_R ⁴τ는 흡수된 캡슐 에너지이다. 등식 (3a), (3b)를 등식 (2)에서 사용하고 E_laser≒P_Lτ라고 정의하면,

(4)

를 얻을 수 있다. E_laser의 크기는 E_cap과 거의 선형적인 관계를 갖지만, T_R에 대한 의존성은 매우 약하다. 방사-유체 역학 시뮬레이션에 기초하면 캡슐 흡수 에너지는 원자핵 융합반응 출력 Y와 다음의 관계를 갖는다[2].

(5)

남은 셸 질량의 대부분이 연료에 있다고 가정하면, 피크 내파 속도의 순간에 연료 질량 m_f은 E_cap/υ_imp ²의 크기를 갖는다. 따라서, 유지된 성능 마진

의 제약 하에서는[3], 고정된 E_cap에서 내파 속도가 낮을수록 원자핵 융합반응 출력이 커질 수 있다. 마진이 고정될 때 이용가능한 연료의 질량은 더 쉽게 측량된다:

. 따라서, E_cap과의 연소 비율에 있어서의 경미한 증가를 무시하면 등식 (5)는 다음과 같이 된다.

(6)

주어진 E_cap 크기에서 마진이 M인 연소를 위해 요구되는 최소 복사 온도는

(7)

이고, 여기서, 지수부의 5.31이라는 인자는 내파 에너지(υ_imp ^-5.9)를 갖는 문턱 점화 (흡수된 캡슐) 에너지에 관한 헤르만(Herrmann) 등의 크기 측정에 의한 것이다. 등식 (2)에서 E_cap와 T_R를 제거하기 위해 등식 (6), (7)을 사용하면, 우리가 추가적으로 연구하고 있는 Y의 함수로서의 E_laser를 얻는다. 저에너지 종점은 위에서 그 특성이 요약된 NIC CH 포인트 설계로 정규화(normalize)된다. 1-d 홀라움 시뮬레이션 연구에 기초하여 더 낮은 구동 온도에서의 홀라움 효율의 향상이 수터(Suter) 등[5]에 의해 예측되어 왔고, 다음과 같이 편리하게 파라미터로 나타낼 수 있다.

(8)

도 1은 두 개의 시나리오에서 Y 및 E_laser에 대해 예상되는 타겟 이득 G=Y/E_laser를 도시한다: (1) 고정된 마진에서 연료-질량 스케일링[등식(6)]이 추가되면, 더 낮은 T_R에서 홀라움 효율이 더 높아짐[등식 (8)](상측 곡선); 및 (2) 연료-질량 스케일링이 추가되지만, 명목(nominal) 홀라움 효율을 사용(하측 곡선). 상기 두 곡선 사이의 면적은 전체 홀라움 효율에 있어서의 불확실성을 반영하고, 상기 하측 곡선은 보수적인 경계를 나타낸다.

III. NIC형(NIC-like) 홀라움 시뮬레이션

도 1은 레이저-홀라움 연결 효율에 대한 가정 하에 주어진 레이저 에너지에 대한 접근가능한 타겟 이득에 관한 첫 번째 추정을 제공한다. 다음 단계는 레이저 에너지 전파 및 흡수의 물리적 프로세스, 레이저 에너지의 엑스선으로의 변환, 방사선 이송, 원자 물리학, 열 이송 및 원자핵 융합반응 연소를 통합하는 통합된 홀라움 시뮬레이션을 수행하는 것이다.

도 1: 몇 개의 레이저 에너지 값에 대한 이득(Gain) 대 출력(Yield) 스케일링(점선). 최상측(하측) 청색 곡선은 향상된 홀라움 효율 예측을 포함한다(포함하지 않는다)(수터(Suter) 등[5]). 적색의 채워진 원은 NIC형 빔 형상에 의한 E_cap=3.47MJ 통합(실린더형) 홀라움 대칭성 조정을 나타내고; 녹색의 채워진 원은 LIFE.2 설계 포인트 E=2.41MJ, Y=147MJ이고; 녹색의 빈 원은 대칭된 2-d 통합 홀라움에 대한 계산이다.

통합된, 2-d 홀라움 시뮬레이션에 의해 도입된 주요한 요소는 준(quasi) 대칭 캡슐 내파 요건이다. 이를 위해, 홀라움 길이는 홀라움 타겟 중심 부근에서 시적분(time-integrated) 엑스선 유동 대칭성을 제공하도록 조정되고, 내측(홀라움 대칭축에 대해 23, 30°) 및 외측(44, 50°) 레이저 원뿔 사이의 상대적인 레이저 파워 또한 충분한 시간 종속 구동 대칭성을 제공하기 위해 일시적으로 조정된다[6]. 도 1은 NIC형 레이저에서의 홀라움 조정 및 거의 대칭적인 캡슐 내파를 일으키는 이전의 1세대 LIFE 조정을 기초로 추정된 타겟 형상의 결과를 도시한다. 상기 시뮬레이션에 사용된 캡슐은 ~770KJ 엑스선을 흡수하는 고밀도 탄소 애블레이터이고, ~250eV 피크 홀라움 온도에서 구동되고, NIC CH 캡슐 조정과 유사한 성능 마진을 갖도록 설계되며, 거의 30%의 연료 연소비를 갖는다. 상기 HDC 애블레이터는 타겟 주입 응력과 이어지는 혹독한 타겟 챔버 환경으로부터의 위협을 이겨내는 높은 물질 강도의 이점을 추가한다. 상기 NIC 포인트 설계를 위해 채택된 57%의 LEH 비율 대신 상기 LEH 비율은 50%(반경으로)이다(도 2 참조). 상기한 필요 레이저 에너지와 결과적인 타겟 이득은 LIFE 핵융합 엔진으로서 아주 미미한 매력을 갖고, 최근의 작업은 보다 경제적으로 실현가능한 LIFE.2 포인트 설계에 집중하고 있다[7]. 도 1은 이러한 설계 포인트가 홀라움 연결에 대한 상측(고효율) 곡선 상에 있지만 이전의 NIC형 조정보다 그리 크지 않은 ~11%의 연결 효율의 향상만을 요구한다는 것을 보여준다. 도 1은 성능에 있어서 LIFE.2 설계 목표에 가까운 (엑스선 유동에 있어서) 수치상 대칭된 홀라움의 상태를 도시한다. 이러한 시뮬레이션은 캡슐에 대한 연결 효율을 최대화하기 위해 Au/U로 만들어진 NIC형 홀라움을 사용한다. LIFE.2 홀라움은 가격 경쟁력을 위해 납(Pb)과 같은 훨씬 더 풍부한 물질을 요구할 것이다. 순수한 납을 기초로 NIC형 홀라움과 LIFE.2 홀라움의 효율을 직접으로 비교하는 시뮬레이션은 캡슐로 엑스선 에너지를 연결함에 있어서 거의 15%의 결손을 나타내고, 따라서 15%의 레이저 에너지를 더 요구한다. 하기와 같이 효율을 향상시키기 위해 홀라움의 형상을 변화시킴에 따라서, 홀라움 벽 합금의 비용 효율적인 사용으로 이 결손을 벌충하는 방법이 적극적으로 고려되고 있다.

도 2: 3.45MJ의 3ω 레이저 에너지를 요구하고 이득이 ~67인 NIC형 홀라움 대칭성 조정의 개략도; LEH 비율은 50%.

IV. 발전된 홀라움 컨셉

CHS 점화에 있어서, NIC형 홀라움 형상은 LIFE.2를 위한 경제적으로 수용가능한 후보로서 계속 추구하기에는 한계가 있다고 여겨지고 있다. 타겟 설계의 발전과 NIF에서의 앞으로의 실험 결과는 이러한 상태를 우호적으로 바꿀 수 있겠지만, 그 사이에 많은 방법들에 의하여 홀라움 연결 효율을 현저히 증가시키려는 노력을 집중하는 것은 매우 신중한 방안이다.

납 홀라움에 의한 예상 구동 결손을 극복하고 플라즈마로 개시된 후방 산란, 타겟 제조 및 레이저 결합 오차, 및 유체 역학적(인터페이스) 불안정성으로부터의 예상 출력 저하에 충분한 성능 마진을 제공하기 위해, NIC형 홀라움 구조에 대한 기하학적 형상의 개선을 추구하고 있다. 홀라움 설계에 있어서의 개선의 몇 가지 타입은 다음과 같다: (1) 감소된 벽 에너지 손실을 위한 럭비공 모양의 홀라움, (2) (손실이 발생하는) LEH의 캡슐 시야를 차단하기 위한 홀라움 대칭축 상의 고-Z, 축방향 실드, 및 (3) 더 높은 E_cap를 위한 감소된 CCR. 럭비공 모양의 홀라움을 사용하면 50% LEH의 경우 홀라움 벽 면적이 거의 30% 감소하고, 이로써 잠재적으로 필요한 레이저 에너지의 15-20%를 절약하게 된다. 럭비공 컨셉은 지금까지 확실한 실험적 증거를 가지고 있고, 최근에는 진공 홀라움의 경우 캡슐 상의 유동이 ~20% 향상됨이 증명되었다[9]. 축방향 실드는 방사-유체 역학 시뮬레이션에 의하면 캡슐 상의 유동을 10-15% 증가시킨다. 진공 홀라움 내에서의 대칭성 및 구동에 대한 축방향 디스크의 효과는 노바 레이저에서의 실험에 의해 확인되었다[10]. 유동 대칭성 제어가 나쁜 영향을 받지 않는다면, 홀라움 반경에 비해 5% 더 큰 캡슐은 E_cap을 ~15% 증가시킨다. 이러한 세 가지 향상이 함께하면 이상적으로는 총 40-55%가 되고, 납 홀라움의 사용에 의한 결손을 쉽게 극복하고, LIFE.2에 필요한 성능 마진을 제공한다. 그러나, 단기간에 걸친 NIF에서의 이러한 설계 요소들에 대한 테스트는 개별적으로 그리고 집합적으로 LIFE.2에 대한 이들의 통합된 사용의 물리적 한계가 정의되도록 돕는다. 당면한 설계 목표는 20-30%의 이득 저하에 대비하여 80을 초과하는 필요 시뮬레이션 이득을 계획하는 것이다. 궁극적으로, 다음 몇 년 동안의 NIF에서의 LIFE 관련 홀라움 테스트는 LIFE.2를 위한 허용가능한 성능 마진을 개선할 것이고 주입 응력 및 레이저 결합 오차에 대한 타겟 제조 및 강도의 요건을 엄격히 제한할 것이다.

도 2: NIF형 LIFE 포인트 설계의 럭비공 모양 홀라움 버전(도 1과 비교). 필요한 레이저 에너지는 <3.2MJ이고 타겟 이득은 ~77.

V. 요약

가까운 장래의 점화 실험을 위한 NIF의 이용가능성은 LIFE.2와 같은 관성-핵융합-에너지 상업화 전략의 진지한 추구를 위한 매우 중요하고 시의적절한 근거를 제공한다. 아직 남아있는 많은 물리적 과제와 질문들은, 중간 및 과도기적 테스트 시설에 대한 요구를 미연에 방지하는 NIF에서의 직접적인 테스트에 의해 해소될 수 있다. 특히, LIFE.2 발전 설비를 위해 제안된 핵융합 엔진은 여러 면에서 성능 마진 및 타겟 제조 허용 범위를 특정하기 위해 NIF에서 점검을 받을 수 있다.

비용면에서 효율적인 LIFE.2 전력 설비 설계의 근저에 깔린 핵융합 엔진 드라이버를 위한 일반적인 가이드라인이 소개되었다. 2.41MJ의 입력 레이저 에너지 드라이버에서(홀라움으로 전달됨) ~64의 최소 타겟 이득은 작동 추정이다. 럭비공 모양, 축방향 디스크 및 감소된 CCR을 사용하는 향상된 홀라움 컨셉은 이 목표를 훨씬 초과할 수 있고, 성능을 낮추는 타겟 결함, 레이저 후방 산란 및 레이저들에 의한 비이상적인 타겟 결합에 대해 현저한 마진을 허락한다. 이동하는 핵융합 타겟에 의해 발생하는 챔버 공격에 대한 견고성과 고이득(정적) 타겟 성능 요건의 균형을 최적으로 맞추기 위한 많은 연구들이 계획되어 있다.

VI. 사사

이 연구는 계약 DE-AC52-07NA27344 하에서 미합중국 에너지부의 후원을 받아 로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리에 의해 이루어졌다.

VII. 참고문헌

[1] J.D. LINDL et al., Phys. Plasmas 11 (2), 339 (2004).

[2] J.D. LINDL, Inertial Confinement Fusion (Springer-Verlag, NY, 1998).

[3] D.S. CLARK, S.W. HAAN and J.D. SALMONSON, Phys. Plasmas 15, 056305 (2008).

[4] M.C. HERRMANN, M. TABAK and J.D. LINDL, Nucl. Fusion 41 99 (2001).

[5] L.J. SUTER, S. HAAN and M. HERRMANN, Bull. Am. Phys. Soc. 50(8), 187 (2005).

[6] LIFE.1과 LIFE.2는 NIF 내측 및 외측 원뿔의 각각을 포함하는 각도의 평균에 기초한 측면 각도를 갖는 두 개의 원뿔의 단순화된 원뿔 형상을 이용할 것이다: 타겟 챔버 수직축에 대하여 26.9° 및 47.25°.

[7] M. DUNNE et al., "Timely delivery of Laser Inertial Fusion Energy (LIFE)," these Proceedings; T. Anklam, A. Simon, W. Meier, and S. Powers, "The Case for Early Commercialization of Fusion Energy," these Proceedings.

[8] R. MILES et al., "Challenges Surrounding the Injection and Arrival of Targets at LIFE Target Chamber Center," these Proceedings.

[9] F. PHILIPPE et al., Phys. Rev. Lett. 104, 035004 (2010); H.F. Robey et al., Phys. Plasmas 17, 056313 (2010).

[10] P. AMENDT, T.J. MURPHY and S.P. HATCHETT, Phys. Plasmas 3, 4166 (1996); P. AMENDT, S.G. GLENDINNING, B. HAMMEL, O.L. LANDEN and L.J. SUTER, Phys. Rev. Lett. 77, 3815 (1996); D.A. CALLAHAN, P. AMENDT, E.L. DEWALD, et al., Phys. Plasmas 13, 056307 (2006)

Claims

간접 구동 관성 봉입 핵융합 발전 설비를 위한 홀라움에 있어서,
상기 발전 설비 내에서, 상기 홀라움은 중심 위치에서 핵융합 연료를 포함하는 캡슐을 둘러싸고,
상기 홀라움은,
두 개의 단부 영역과 상기 두 개의 단부 영역 사이의 중간 영역을 포함하는 외부 표면 - 상기 중간 영역은 중심축에 대해 제1 직경을 갖는 거의 대칭인 실린더 형상을 갖고, 상기 단부 영역의 각각은 상기 제1 직경으로부터 상기 홀라움의 끝에서의 더 작은 제2 직경까지 점점 가늘어짐 -;
상기 홀라움의 상기 단부 영역의 각각에 위치한 레이저 빔 진입 홀;
상기 홀라움 내의 가스를 에워싸기 위한, 상기 홀라움의 상기 단부 영역의 각각에 위치한 덮개; 및
중심축에 대해서 계란 형태를 갖는 내부 벽에 의해 정의되는 속이 빈 내부 공간
을 포함하는 홀라움.
제1항에 있어서,
상기 단부 영역의 각각은, 상기 중간 영역과 상기 레이저 진입 홀 사이에서 연장되는 끝이 잘린 원뿔 모양의 돌출부를 포함하는,
홀라움.
제2항에 있어서,
상기 레이저 진입 홀의 각각의 위에 있는 상기 덮개는 실질적으로 투명한,
홀라움.
제2항에 있어서,
상기 속이 빈 내부 공간은 상기 홀라움의 각 단부에 있는 상기 덮개 사이에 갇힌 불활성 가스를 포함하는,
홀라움.
제4항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨을 포함하는,
홀라움.
제1항에 있어서,
상기 내부 벽에 위치한 라이닝 물질을 더 포함하는,
홀라움.
제6항에 있어서,
상기 라이닝 물질은 상기 내부 벽보다 밀도가 더 높은 물질을 포함하는,
홀라움.
제6항에 있어서,
두 개의 적외선 반사 장치를 더 포함하고,
상기 두 개의 적외선 반사 장치 중 하나는 상기 홀라움의 한쪽 단부에 있는 상기 덮개와 상기 홀라움의 중심축의 중점 사이에 위치하고,
다른 하나는 상기 홀라움의 다른 단부에 있는 상기 덮개와 상기 홀라움의 중심축의 상기 중점 사이에 위치하는,
홀라움.
제8항에 있어서,
상기 두 개의 적외선 반사 장치의 각각에 위치된 실드를 더 포함하는,
홀라움.
제6항에 있어서,
상기 실드의 각각은 상기 라이닝 물질과 같은 물질을 포함하는,
홀라움.
제9항에 있어서,
상기 실드의 각각은 상기 홀라움의 중심축에 정렬된 중심을 갖는 반사 디스크를 포함하는,
홀라움.
제1항에 있어서,
상기 중심축 상의 중심 지점 근처에서 상기 중심축을 따라 상기 캡슐을 지지하기 위해 상기 중심축에 수직으로 배치된 멤브레인을 더 포함하는,
홀라움.
제12항에 있어서,
상기 멤브레인은 탄소 기반 물질을 포함하는,
홀라움.
제13항에 있어서,
상기 탄소 기반 물질은 폴리이미드, 그라핀, 그파린 강화 폴리머, 다이아몬드형 탄소 또는 다이아몬드 중 하나 이상을 포함하는,
홀라움.
제1항에 있어서,
상기 중심축을 따라 상기 캡슐을 지지하기 위해 상기 중심축을 따라 배치된 멤브레인을 더 포함하는,
홀라움.
제6항에 있어서,
상기 라이닝 물질은 납과 같은 고-Z 물질을 포함하는,
홀라움.
제1항에 있어서,
상기 단부 영역의 각각에 있는 상기 덮개는 탄소 기반 물질을 포함하는,
홀라움.
제17항에 있어서,
상기 탄소 기반 물질은 폴리이미드, 그라핀, 그파린 강화 폴리머, 다이아몬드형 탄소 또는 다이아몬드 중 하나 이상을 포함하는,
홀라움.