KR20130137641A

KR20130137641A - 수명 제한 구성요소를 발전 설비의 이용률과 분리한 관성 봉입 핵융합 발전 설비

Info

Publication number: KR20130137641A
Application number: KR1020137011307A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 아이. 모세; 앤서니 마이클 던; 제프리 에프. 라트코브스키; 토마스 엠. 안클람; 메리 엘. 스패스; 리차드 에이치. 사빅키; 로버트 제이. 데리; 로빈 알. 마일즈; 앤드류 제이. 베이래미안; 앨빈 씨. 얼랜슨; 케니스 알. 메인즈; 피터 에이. 아멘트
Original assignee: 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-12-17
Also published as: EP2614505B1; KR20130131330A; US20120114088A1; US20140286471A1; WO2012064746A1; CA2814004A1; JP2014500488A; CA2813965A1; JP5904207B2; JP2014500490A; EP2614505A4; RU2013118579A; EP2617038A1; EP2617038A4; KR20130140031A; WO2012064773A8; CA2815837A1; JP2014500487A; EP2614505A1; RU2013125570A

Abstract

핵융합 발전 설비의 구조가 개시된다. 상기 발전 설비는 핵융합 반응으로부터 중성자를 생성하는 핵융합 챔버와, 핵융합 반응을 개시하도록 상기 핵융합 챔버에 에너지를 공급하기 위해 진공 챔버 주변에 배열된 레이저를 포함하는 레이저 시스템을 포함한다. 상기 레이저와 상기 핵융합 챔버 사이의 빔 경로는 상기 핵융합 챔버로부터의 중성자가 사람이 레이저 시스템에 접근할 수 없는 수준으로 레이저 시스템에 도달하는 것을 방지하도록 되어 있다.

Description

수명 제한 구성요소를 발전 설비의 이용률과 분리한 관성 봉입 핵융합 발전 설비{INERTIAL CONFINEMENT FUSION POWER PLANT WHICH DECOUPLES LIFE-LIMITED COMPONENTS FROM PLANT AVAILABILITY}

미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 및 개발에 의해 창출된

발명에 대한 권리의 주장

미합중국 정부는, 미합중국 에너지부(United States Department of Energy) 및 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 구성요소를 발전 설비의 이용률과 분리한 관성 봉입 핵융합 발전 설비(INERTIAL CONFINEMENT FUSION POWER PLANT WHICH DECOUPLES LIFE-LIMITED COMPONENTS FROM PLANT AVAILABILITY)"라는 명칭으로 2010년 11월 8일자로 미합중국에 출원된 임시특허출원 제61/411,390호 및 2011년 2월 1일자로 출원된 미합중국 임시특허출원 61/425,198호와 관련되어 있으며, 이들 출원을 우선권 주장의 기초로 한다.

본 발명은 핵융합 반응을 이용하는 상업적 전기 에너지의 생산 또는 프로세스 가열에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수명 제한적인 구성요소를 발전 설비(파워 플랜트; power plant)의 이용률로부터 분리하는 관성 봉입 핵융합 발전 설비에 관한 것이다. 본 발명은 발전 설비에서 사용되는 특정 구성요소의 수명보다 실질적으로 긴 기간 동안 안정적으로 전기 에너지를 제공할 수 있도록 한다.

세계 최대이자 가장 활발하게 운용중인 레이저 시스템인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility; NIF)가 캘리포니아주 리버모어에 위치한 로렌스 리버모어 내쇼날 래보러토리(Lawrence Livermore National Laboratory: LLNL)에서 가동 중에 있다. NIF의 가동 목표 중 하나는 상기 연구소에서 최초로 핵융합 점화를 시연하는 것이다. 초기의 실험들은 점화된 자기 전파 핵융합 연소파(self propagating fusion burn wave)로부터 20MJ 정도의 출력을 생산하도록 진행되었다. 이 시설은 종국적으로 150-200MJ에 달하는 출력을 얻을 수 있을 정도의 능력을 갖는다. NIF는 연구 장비로서 설계되어, 여기서 연구를 위해 중수소-삼중수소(deuterium-tritium)를 담은 타겟에 샷(shot)들이 행해진다. NIF의 설명은 Moses 등의 Fusion Science and Technology, Volume 60, pp 11-16(2011)에서 찾을 수 있으며, 본 명세서에 참조로서 포함된다.

에너지, 특히 클린 에너지에 대한 수요는 급속도로 증가하고 있다. LLNL에서는 2030년까지는 미국에 핵융합 기반의 발전 설비를 도입하되 그 이전에 이를 상용화 이전의 발전 설비의 형태로 도입하는 것을 목표로 레이저 관성 봉입 핵융합 에너지(Laser Inertial-confinement Fusion Energy, 이하에서는 "LIFE"라고 한다)로 알려진 프로젝트가 진행되고 있다. LIFE 기술은 탄소를 배출하지 않는 에너지를 확장할 수 있는 길을 전 세계에 제시한다. 또한 이 기술은 핵 확산의 위험이 없는 안전하고 지속가능한 방식으로, 탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지를 제공할 것이다.

다수의 소비자에게 보급되고 있는 전기 에너지를 생산하는 여느 기술과 마찬가지로 LIFE에 있어서의 하나의 과제는 신뢰성에 있다. 소비자는 전기 에너지의 공급원에 있어서 특히 높은 신뢰성을 기대한다. 그 결과, 전력을 제공하는 시설은 소비자들이 요구하는 높은 신뢰성을 보장할 수 있도록 그 설비를 관리해야 한다. 따라서, 핵융합 에너지와 관련한 과제 중 하나는 유지보수 또는 교체가 필요한 구성요소가 발전 설비의 전력 공급 이용률을 저해하지 않고 관리 또는 교체될 수 있는 메커니즘을 제공하는 것이다.

본 발명의 핵융합 발전 설비에는 중수소 및 삼중수소 연료를 담은 캡슐이 초당 수회 주입되는 핵융합 챔버가 제공된다. 챔버의 중심에 개별 연료 캡슐(또는 "타겟")이 도달함에 따라, 여러 개의 레이저가 타겟으로 발사되고, 상기 연료를 가열 및 압축하여 핵융합 반응을 생성한다. 핵융합 반응으로부터 나온 열은 챔버를 순환하는 냉각제에 의해 포획된다. 이후, 이 열은 발전에 사용된다.

우리는 다양한 구성요소, 예를 들어, 레이저의 정비가 발전 설비를 멈추게 하지 않고도 행해질 수 있게 하는 핵융합 발전 설비의 구조를 개발해 왔다. 또한, 핵융합 챔버 자체의 정비가 필요하여 발전 설비를 정지하더라도, 본 발명의 구조는 새로운 챔버로 교환함으로써 가동이 상대적으로 빠르게 수행될 수 있게 한다.

우리가 제공하는 발전 설비의 구조는 높은 이용률을 보장하고, 소유자의 투자 자본을 보호한다. 수명이 제한된 구성요소를 발전 설비의 이용률로부터 분리하는 것은 다양한 기술을 사용하여 실현된다. 예를 들어, 본 발명은 미리 설정된 "박스(box)"에 핵융합 반응을 개시하는데 사용되는 레이저들을 제공하여, 발전 설비의 가동 중에도 이들이 역학적으로 탑재되고 핫스와프(hot swapped; 운영 중인 시스템에서 장치나 부품을 교환하는 것) 될 수 있도록 한다. 이에 따라, 레이저는 수년의 수명이 요구되는 발전 설비의 다른 부분보다 짧은 평균 고장 간격을 가짐에도 불구하고, 그 신뢰성이 용인될 수 있다. 이 해법은 또한, 짧은 평균 교체 시간을 제공하고, 첨단 레이저 박스의 공장 기반의 소외(offsite) 제조 및 유지보수를 가능하게 한다. 이중(dual) 중성자 핀홀 방식은 발전 설비가 가동 중이어도 사람이 레이저 베이(bay)에 접근할 수 있게 하고, 이로 인해 유지보수 체계를 단순화시킬 수 있다. 핵융합 챔버를 라인 교체가능 유닛으로서 취급함으로써, 새로운 기술이나 물질이 이용가능해 졌을 때, 이를 핵융합 챔버 내에서 사용할 수 있다. 이는 또한, 발전 설비 투자 자본을 더 넓게 보호하며, 챔버의 유지보수 중에도 에너지의 지속적인 생산을 위해 예비(spare) 챔버를 사용할 수 있다.

레이저를 위한 캐러셀(carousel) 구조는 "레이저 인 박스(laser in-a-box) 방법"에 의해서도 가능하다. 이러한 배열은 빔 스위치야드(switchyard)를 필요로 하지 않고, 동시에 광학 기구가 핵융합 환경 내에 요구되는 정도를 최소화한다. 핵융합 환경에서 필요한 하나의 최종 광학 기구는 교체될 수 있으며, 이에 따라 더 쉬운 유지보수가 가능하다.

또한 이 구조는 핵융합 챔버를 진공 챔버로부터 분리한다. 이로써 핵융합 챔버의 중성자 충격의 대부분을 수용하는 "제1 벽"의 가장 위험한 환경에서 진공 밀봉을 할 필요가 없어진다. 본 발명의 방법은 제1 벽을 위한 구획된 튜브 설계를 활용함으로써 효율적인 열적 커플링(thermal coupling), 낮은 기계적 스트레스 및 높은 강도대 중량비를 제공한다. 핵융합 챔버의 이러한 모듈식 접근 방법은 또한, 핵융합 챔버를 광학계로부터 분리시키며, 정확한 광학 경로를 재설정하는 것이 아닌 배관을 연결하거나 끊는 것만으로 블랭킷과 제1 벽 모듈을 신속하게 제거하거나 교체할 수 있다.

액체 리튬 냉각제를 사용하면, 발전 설비 내의 삼중수소의 재고를 감소시키고, 삼중수소 봉입 요건을 완화할 수 있으며, 또한 높은 열효율을 얻을 수 있다. 챔버 내에서 크세논이 충진된 핵융합 환경을 사용함으로써, 상기 제1 벽은 이온 잔해로부터 보호되고, 엑스선(x-ray) 가열도 감소된다. 이로써 상업적으로 이용가능한 철강을 사용할 수도 있으며, 필요에 따라 전체 모듈이 하나의 유닛으로서 교체될 수도 있다. 상기 구조는 또한, 단지 허용가능한 % 레벨의 세정 비율을 요구할 뿐, 챔버 전체가 각 타겟 후에 세정되어야 할 필요도 없다.

도 1은, 상용 핵융합 발전 설비의 구성요소들을 도시한 간략도이다.
도 2는, 상용 핵융합 발전 설비의 예시적인 설계의 투시도이다.
도 3은, 발전 설비 내에서 레이저들의 캐러셀 배열을 도시하는 투시도이다.
도 4는, 레이저와 핵융합 챔버를 도시하는 엔진 빌딩의 단면도이다.
도 5는, 모듈식 레이저의 설계 및 캐러셀 구조의 투시도이다.
도 6은, 레이저로부터의 빔 경로의 시작 부분을 도시하는 도면이다.
도 7은, 빔 경로의 나머지 부분을 도시하는 투시도이다.
도 8은, 레이저 구성요소들을 라인 교체가능 유닛으로 분할하는 것을 도시하는 도면이다.
도 9는, 진공 챔버로부터 핵융합 챔버를 분리한 것을 도시한다.
도 10은, 유지보수를 위한 핵융합 챔버의 교환을 도시하는 도면이다.
도 11은, 진공 챔버와 핵융합 챔버의 단면도이며, 상기 핵융합 챔버에 냉각제를 공급하기 위한 결합을 함께 도시한다.
도 12는, 핵융합 챔버의 모듈 특성을 나타낸 도면이다.
도 13은, 핵융합 챔버의 분할을 나타낸 도면이다.

관성 봉입 핵융합에 필요한 조건을 만드는 레이저의 성능은 2012년 또는 그 이후에 NIF에서 시연될 것으로 예상된다. LIFE 발전 설비의 물리학적 기반을 수립하기 위해 요구되는 바와 같이, "점화(ignition)" 프로세스를 입증하기 위해서는 핵융합 출력이 1MJ을 넘어야 한다. 초기 실험에서는 레이저 에너지에 대한 핵융합 에너지의 비율이 약 10이 되고, 따라서 핵융합 에너지 출력은 약 15MJ에 이를 것으로 예상된다. 점화 및 이득을 입증하기 위한 첫 번째 실험은 약 1.5MJ의 레이저 에너지를 갖는 중심 핫스팟 점화 구조의 351nm 레이저 광을 사용한다. 본 명세서에서 설명되는 시스템은 NIF의 연구로부터 구축되고, 상용 핵융합 발전 시스템을 위한 구조를 제공한다.

본 발명의 시스템은 핵융합 챔버 내에서 중수소-삼중수소(DT) 핵융합 반응으로부터 천사백만 전자볼트(eV)의 중성자를 생성하는 관성 봉입 핵융합을 제공한다. 이 핵융합 중성자들은 챔버의 "제1 벽" 뒤에서 순환하는 용융 리튬 냉각 블랭킷을 통과하고, 그 결과 얻어지는 열은 열을 전기로 변환하는 통상의 상용 장치를 구동하는데 사용된다. 냉각제는 일반적으로 500-600℃ 정도에서 작용한다. 이 프로세스 가열(process heat)은 운반 목적의 수소 생성, 해수의 탈염, 제조 공정으로의 전력 공급, 기름 추출 또는 다른 목적을 위해서도 사용될 수 있다.

바람직하게는, 중심 핫스팟 핵융합은 핵융합 반응을 제공하는 "간접(indirect)" 구동을 이용하여 개시된다. 간접 구동은 레이저의 에너지를 이용하여 DT 핵융합 연료의 캡슐이 들어 있는 홀라움(hohlraum)을 가열한다. 고에너지 레이저 빔의 포격으로 상기 홀라움의 내부 표면으로부터 엑스선이 방출된다. 이 엑스선은 연료를 압축 및 가열하여, 핵융합 점화 및 연소를 일으킨다. 직접 구동(홀라움이 없음) 또는 고속 점화(별도의 압축 및 점화 레이저)와 같은 다른 방법들도 핵융합 반응에 사용될 수 있다.

지난 십 년간 미국에서 상용 전기원으로서의 일반적인 발전 설비의 이용률은 대략 90% 정도이고, 불시의 정지는 대략 3%이다. 이는 핵융합과 같이 기술집약적인 해결책에 있어서 큰 장애가 된다. 특히, 기가 와트 급의 발전 설비에 있어서 정지에 대한 예측 가능성은 매우 중요하다. 이것은 물리적 성능에 있어서의 잠재적 비안정성이나 핵융합 기술에 있어서의 간헐적인 실패에 의해 작동이 위협받지 않아야 함을 의미한다. 이러한 관점에서, 관성 핵융합은 준 정상상태(quasi-steady-state) 반응기와 비교하여 이점과 과제를 모두 갖는다.

여기서는 레이저에 의해 구동된 핵융합 중성자원으로부터 기가 와트 급의 열에너지(GWth)를 생성하는 발전 설비의 구조를 설명한다. 우리의 목표는 2030년까지 에너지 정책에 변화를 줄 수 있는 상용 핵융합 발전을 가능한 한 빨리 제공하는 것이다. 본 명세서에서 설명하는 접근 방법은 기존의 제조 기술을 사용하는 드라이버 해법과 연결된, NIF에서 검증된 물리학을 사용하는 발전 설비 구조를 제공한다. 또한 발전 설비의 동작에 대한 본 발명의 접근 방법은 진보된 물질의 개발을 기다릴 필요가 없다. 발전 설비의 구조를 이루는 물질들에 대해 알려진 생산 방법을 사용함으로써 새로운 물질의 개발에 의존하지 않고 빠른 건설이 가능해진다.

본 발명의 구조에 의한 LIFE 발전 설비의 서브시스템의 분리성은 높은 유지보수성과 높은 시스템 이용률을 제공하고, 또한 지속되고 있는 물리학, 재료학 및 시스템에 관한 연구로부터 기대되는 진보에 따라 공정의 향상도 가능하게 한다. 본 발명의 구조에서는 가능성 있는 다양한 개발과 위험 감소 대책 간의 균형을 유지하는 의사 결정이 가능하다. 이로 인해, 경쟁력있는 전력 생산을 가능하게 하는 옵션들의 선택이 가능해진다. 본 발명의 구조는 전력의 비용, 자본 형성의 비율 및 비용, 간단한 허가, 신뢰성, 이용률, 유지보수와 검사, 예측가능한 정지, 정지 후 빠른 재가동, 자본 투자의 보호, 도시 환경의 안전 기준 준수, 공중에의 수용성 및 적시 제공에 관해 다루고 있다.

전체적인 발전 설비 구조, 서브시스템 구성, 및 특정 기술 옵션의 허용가능성에 있어서의 다양한 기준에 따라 기본적인 설계상의 선택이 이루어진다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 발전 설비가 운전 중일 때 유지보수가 가능한 레이저 서브시스템의 설계는 매우 중요하다. 이로 인해 서브시스템의 신뢰성이 상대적으로 낮더라도 전체적인 발전 설비의 이용률은 높게 유지될 수 있다.

관성 봉입 핵융합 엔진(inertial confinement fusion engine; IFE)의 반복 모드는, 핵융합 발전에 있어서 종종 발생하는 고장에 대해 시스템이 덜 영향을 받을 것을 보장한다. 즉, 잘못된 내파(implosion)는 발전 설비의 출력에만 영향을 미칠 뿐, 이로 인해 발전 설비가 정지되지는 않는다. 한편, IFE 엔진의 구성 부품 (드라이버, 인젝터 등)은 시스템 레벨에서 항상 구동 가능 상태에 있어야 하는데, 이는 실질적인 레벨로 생산이 보장될 것을 요구한다. 전술한 바와 같이, 이는 개별 레이저 빔 라인(또는 다른 구성요소)이 전체적인 발전 설비의 성능에 영향을 미치지 않고 유지보수 모드로 이동할 수 있는 고도의 병렬 및 모듈 구조를 채용함으로써 완화된다. 이와 유사하게, 핵융합에 관한 다른 방법과 마찬가지로, 높은 이용률을 위해서는 매우 위협적인 환경(제1 벽 및 블랭킷 모듈, 진공/가스 배리어, 최종 광학 기구 등)에서 수명이 긴 물질이 필요하다. LIFE 설계에서는, 이들 구성요소의 실질적인 보호 및 주기적인 교체가 가능한 동작 체계를 구축함으로써 이 요구 조건을 완화시켜 왔다. 본 발명의 구조는 사고의 영향을 최소화하고, 지역 환경에의 영향을 막기 위해 도시 및 산업과 같은 고 부하 중심부에 인접한 위치와 밀접한 관련이 있다. 특히, 이는 삼중수소 재고 및 예상되는 폐기물 배출량을 최소화하는 것을 의미한다.

도 1은 본 명세서에서 기술하는 핵융합 발전 설비의 전체적인 기능과 구성요소를 간단한 개략도로서 도시하고 있다. 다이오드 펌핑식 레이저(diode pumped laser)(10)는 핵융합 챔버(20) 내에서 핵융합 반응을 개시하는데 사용된다. 광학 경로는 상기 핵융합 챔버(20)의 중심에 위치하는 핀홀(12, 하나의 핀홀만이 도시됨)을 통해 초점을 맞추는 3 오메가 레이저(10)를 사용한다. 제작된 홀라움과 DT 캡슐 타겟(60)이 초당 수회, 예를 들어, 10-20Hz의 속도로 상기 핵융합 챔버(20)에 주입된다(18). 핵융합 반응의 결과 생성된 중성자는 상기 챔버(20)의 "전면 벽"의 뒤에서 유동하는 리튬 냉각제를 가열한다. 냉각제(40)가 순환할 때, 냉각제에서 삼중수소가 제거되어, 삼중수소 제거로부터 타겟 제조 단계로 실선으로 표시된 것과 같이, 더 많은 타겟(50)을 제조하는데 사용된다. 가열된 냉각제는 또한 열 교환기(70)를 통과한다. 냉각제로부터의 열은, 예를 들어 초임계 증기 란킨 사이클(Rankine cycle)을 이용하는 공지의 발전 장치(80)를 구동하여 전력(90)을 생성하는데 사용된다.

도 2는 레이저 관성 봉입 에너지에 의해 생성된 핵융합을 사용하는 발전 설비의 전체적인 구조를 도시한다. 이 도면에서는 외부 직경이 약 100미터이고 높이가 58미터인 LIFE 엔진 빌딩(100)을 도시한다. 삼중수소 플랜트(110)는 빌딩(100) 내의 핵융합 챔버를 순환하는 리튬 냉각제로부터 삼중수소를 추출한다. 또한, 상기 핵융합 챔버가 유지보수를 위해 제거될 수 있고 교체 챔버가 제공되는 챔버 유지보수 시설(120)과, 핵융합 반응에 의해 생성되고 종국적으로 전기 에너지를 생산하는데 사용하는 열을 냉각제로부터 추출하는 터빈 빌딩(130)도 도시되어 있다. 상기 플랜트는 삼중수소의 자급이 가능한데, 다시 말해, 정상 상태로 작동되는 동안 핵융합 엔진에 연료를 제공하기 위해 충분한 양의 삼중수소가 생성된다.(연료의 중수소 부분은, 예를 들어, 해수로부터 쉽게 얻을 수 있다.) 핵융합 타겟을 생성하는 타겟 공장은 도시되어 있지는 않지만, 근방에 위치될 수 있다.

안전 및 허가의 관점에서, 우리는 공정 중에 있는 삼중수소의 재고를 최소화할 뿐 아니라, 삼중수소를 공급량이 상용 플랜트의 출시의 속도에 지장을 주지 않을 것을 보장한다. 삼중수소 처리 플랜트의 규모, 비용 및 설계 철학은 타겟의 물질 함량 및 핵융합 챔버의 세정률과 밀접하게 연관되어 있다. 본 발명의 구조는 공정 중인 삼중수소 재고량을 핵융합 플랜트 내에서 킬로그램 이하의 레벨로 줄이고, 타겟 생산 공장에서도 비슷한 레벨로 줄인다. IFE 캡슐 내의 고비율 연소(LIFE 시설에서는 30%보다 높음)는 삼중수소의 생성 요건을 완화시키는 한편, 한 번의 샷에 밀리그램 정도의 연료만을 사용하는 것과 순수한 리튬 냉각제의 선택은 시설에 들어오는 물질의 양을 실질적으로 감소시킨다. 본 발명에서는 단지 수십 그램의 구조적 및 냉각제 재고량을, 그리고 수백 그램의 재고가 선택된다. 따라서 냉각제 화재를 상당히 줄일 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 플랜트(100)의 중심 부분을 확대한 도면이다. 본 발명의 구조는 다이오드 펌핑식 고체 상태 레이저 기술을 사용한다. 레이저는 모듈 방식을 사용하여 높은 구성요소 이용률 및 유지보수성을 제공하는 한편, 진보된 물질을 개발할 필요성을 줄인다. 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저(10)의 뱅크(200)가 상기 핵융합 챔버 위에 캐러셀 구조로 배열된다. 유사하게 배열된 레이저의 다른 캐러셀은 상기 핵융합 챔버의 아래에 위치한다. 레이저(10)로부터의 빔이 빔 경로(210)를 따라 상기 챔버의 상부 및 하부 근방에 위치한 개구를 통해 상기 핵융합 챔버로 진입한다.(기하학적 형태 및 빔 경로는 이하에서 상세히 설명된다.) 빔은 상기 챔버의 상부에 있는 덮개가 있는 개구를 통과하여 타겟 인젝터에 의해 주입된 핵융합 타겟 상에 초점을 맞춘다. 상기 타겟이 상기 챔버의 중심에 도달하면, 레이저가 발사되고, 상기 타겟 내에서 핵융합이 일어난다. 타겟의 잔해는 챔버의 바닥으로 떨어진다.

각 타겟의 캡슐 내에서 일어난 핵융합 반응은 중성자를 생성하고, 생성된 중성자는 상기 핵융합 챔버를 둘러싼 냉각제로 침투하여 상기 냉각제를 가열한다. 이 가열된 냉각제는 증기 터빈 발전기(80)(도 1) 또는 공지된 설계의 다른 장치를 사용하여 전기를 생산하는데 이용된다. 후술하는 바와 같이, 상기 레이저로부터 상기 챔버에 이르는 빔 경로는 레이저 베이와 광학 경로 구성요소로부터 상기 핵융합 챔버를 차폐할 수 있도록 한다. 따라서, 이들 구성요소는 필요에 따라 발전 설비를 정지시키지 않고도 유지보수가 가능하다.

본 명세서에 기재된 방법의 장점은 핵융합 타겟의 성능과 레이저 드라이버를 분리함으로써, 발전 설비의 나머지 부분에 적절한 인터페이스 특성, 즉, 유사한 방사 구조, 빔 라인 요건, 타겟 주입과 생존 제한 요소, 상기 제1 벽에 대한 허용가능한 위협, 가스 조절 시스템과의 호환성, 삼중수소 플랜트와 폐기물 처리 시스템을 유지하는 한, 미래의 타겟 설계가 통합될 수 있다는 것이다. 이와 유사하게, 레이저 기술이 발전됨에 따라, 이러한 진보도 발전 설비로 통합될 수 있다.

도 4는 핵융합 챔버(20)와 레이저 뱅크(200) 및 각 뱅크(200) 내에 있는 개별 레이저(10)의 배열을 도시하는 단면도이다. 이 도면은 상기 핵융합 챔버의 위와 아래에 위치한 레이저들의 배열을 도시한다. 또한 빔 경로를 따라 서로 다른 위치에 있는 3개의 초점을 도시한다. 바람직한 구현예에 있어서, 이들 위치 중 2개에 중성자 핀홀이 제공된다. 이들 핀홀을 비선형 배열로 제공함으로써 상기 핵융합 챔버로부터의 중성자 - 중성자의 궤적은 직선임 - 는 챔버의 실드(shield)에 의해 차단되어 상기 레이저 베이로는 진입하지 못한다. 이로 인해, 핵융합 엔진이 가동되고 전력이 생산되고 있는 동안에도 레이저의 관리가 가능해진다. 상기 최종 광학 기구는 상기 챔버의 중심으로부터 약 17m 떨어진 곳에 위치한다. 이는 중성자에 의한 광학 기구의 손상을 줄이고, 엑스선과 이온 잔해에 의한 손상을 완화하며, 단순한 프레넬(Fresnel) 광학 기구를 사용할 수 있게 하고, 온라인 유지보수가 가능한 위치에 상기 광학 기구를 위치시킨다.

또한, 도 4에는 상기 챔버의 중심으로 타겟을 주입하는 주입 시스템(225)이 개념적으로 도시되어 있으며, 주입 시스템은 셔터(도시되지 않음)에 의해 중성자의 흐름으로부터 보호되어 있다. 탱크(235)는 챔버(20)로부터 재활용 및 재사용을 위해 타겟으로부터 남은 용융 물질과 함께 기타 폐기물을 포획한다. 타겟 주입과 추적 시스템은 동일 출원인에게 양도된 "핵융합 타겟 주입 및 추적(Fusion Target Injection and Tracking)"이라는 명칭의 미합중국 특허출원(대리인 정리 번호 91920-792732(IL-12354))에 자세히 설명되어 있다. 타겟 자체에 대해서는 동일 출원인에게 양도된 "핵융합 에너지를 위한 간접 구동 타겟(Indirect Drive Targets For Fusion Power)"라는 명칭의 미합중국 특허출원(대리인 정리 번호 91920-823094(IL-12358A))에 자세히 설명되어 있다. 이들 각 특허 출원은 참조에 의해 편입된다.

도 5는 레이저 캐러셀과 핵융합 챔버로의 빔 경로를 도시하는 핵융합 플랜트 빌딩의 단면 투시도이다. 다른 모든 구성요소는 도면에서 제외되어 있다. 레이저들은 상기 핵융합 챔버의 위와 아래 양쪽에 캐러셀 방식으로 배열되어 있음에 유의한다. 상기 레이저로부터의 빔은 구조물의 중심을 향해 겨냥되고, 적절한 광학 기구를 사용하여 상기 핵융합 챔버의 중심에 있는 타겟에 포커싱된다. 경로에 대한 자세한 내용은 후술한다.

도 5의 우측에는 레이저(10) 중 하나가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 레이저는 통상의 세미 트레일러 트럭의 뒤쪽에 수용될 수 있을 정도의 크기의 "박스"에 수납될 수 있을 정도로 소형으로 설계된다.(반대로 NIF 레이저는 각각 현장에서 조립되며 100미터 정도의 길이를 요한다.) 각각의 레이저 설계에 대한 자세한 설명은 본 출원인에게 양도된 "효율적인 소형 레이저 구조를 위한 방법 및 시스템(Method and System for Compact Efficient Laser Architecture)"이라는 명칭의 미합중국 특허출원(대리인 정리 번호 91920-823910(IL-12351))에서 확인할 수 있으며, 그 내용은 참조에 의하여 본 명세서에 편입된다. 본 발명의 구조에서는 384개의 빔 라인들이 각 그룹 별로 8개의 빔 라인의 뱅크로 나뉘어져 있다.

상기 LIFE 플랜트에서 레이저는 전체적인 발전 설비의 수명보다 짧은 수명을 가질 것으로 예측된다. 발전 설비의 이용률로부터 수명 제한적인 구성요소를 분리함으로써, 보다 신뢰할 수 있고, 더 오래 지속되는 전력의 생산이 가능하게 된다. 레이저를 라인 교환 가능한 유닛으로 하면, 레이저의 유지보수를 위해 발전 설비를 정지해야 할 필요성을 줄이거나 없앨 수 있다. 레이저를 "박스 내 수납"하는 형태로 제공함으로써 작동 중에도 핫스와프가 가능하다. 따라서, 예를 들어, 핵융합 챔버보다 짧은 평균 고장 수명(mean time to failure)을 갖는 레이저에 대해 대응할 수 있다. 이 외에도, 레이저의 각 뱅크(200)가 여분의 레이저(10)를 보유하고 있으므로, 뱅크의 하나의 레이저 또는 하나의 레이저의 레이저 구성요소가 고장인 경우에도 발전 설비를 정지시키지 않을 수 있다. 플랜트의 작동에 관한 상세한 통계적 모델링은 주요 구성요소의 측정 수명과 유지보수 시기의 합리적 계산에 근거하여, 도시된 상기 빔의 구성을 뒷받침한다. 레이저 내의 구성요소에 냉각제를 공급하는데 이용되는 냉각제 루프는 도시되어 있지 않다.

다이오드는 레이저를 위한 펌프 증폭기로서 사용된다. 헬륨 냉각을 이용함으로써 증폭기가 높은 반복률로 동작할 수 있다. 빔 라인과 그 구성요소에 관한 자세한 내용은 본 출원인의 "횡단 펌핑된 레이저 증폭기 구조(Transverse Pumped Laser Amplifier Architecture)"라는 명칭의 미합중국 특허출원 제12/940,869호 및 "가스 커플 전극을 갖는 포켈스 셀 기반의 광학 스위치(Pockels Cell-Based Optical Switch with a Gas-Coupled Electrode)"라는 명칭의 미합중국 특허출원 제12/913,651호에 개시되어 있다. 이들 특허 출원의 각각은 참조로서 본 명세서에 편입된다.

레이저 시스템에 있어서의 이러한 모듈식 접근 방법은 효율적이고 비용 효과적인 공급 체인을 형성할 수 있다. 레이저는 통상의 트럭으로 발전 설비까지 수송될 수 있고, 상기 발전 설비에서 떨어져 있는 통상의 제조 시설에서 제조될 수 있다. 상기 레이저는 운동학적 배치 및 발전 설비의 나머지 부분에 대한 최소한의 인터페이스를 사용하는 낮은 간접비의 설치 프로세스를 제안한다. 상기 레이저의 고체형(solid state) 구성요소와 관련된 대중 시장은 추가적인 연구 또는 기술 개발없이도 상업적으로 실행가능한 출시에 해당하는 다이오드 가격점(2 내지 4￠/W)을 형성하는 매우 경쟁력있는 공급 체인을 제공한다. 이로써 고체 상태 레이저가 플랜트 건설을 위한 수용 가능한 범위에 들어오게 된다. 주변의 고장난 빔을 보충하기 위해 출력을 높일 수 있는 적절히 많은 수의 빔 라인을 사용함으로써, 플랜트의 운전이 지속적으로 유지될 수 있도록 한다.

개별 레이저의 평균 고장 수명은 적어도 200시간으로 예상된다. 8시간의 운전 시프트 내에 빔 박스를 교환할 수 있는 능력과 결합되면, 높은 플랜트 이용률을 얻을 수 있다. 본 발명의 접근 방식은 플랜트 운용의 허용가능한 레벨을 유지하기 위해 운전자의 매우 높은 신뢰성(수 주가 아니라 수년)에 의존했던 기존의 IFE 플랜트 설계와 비교해 볼 때 극적인 변화이다.

도 6 및 7은 레이저로부터 타겟 챔버에 이르는 빔 경로를 도시한다. 도 5의 상부 우측 코너에 도시된 바와 같이, 상술한 레이저 시스템(10)으로부터 빔이 나온다. 상기 레이저로부터의 빔은 제1 포커싱 렌즈를 통과하여 콜리메이팅(collimating) 렌즈로 향한다. 상기 레이저 빔은 이 두 렌즈 사이에서 비교적 작은 직경의 초점을 형성하며, 이 위치에 한 세트의 중성자 핀홀이 제공된다. 이 도면에는 도시되지 않았지만 상기 핀홀이 위치하는 영역 내에 수직 벽이 위치한다 (도 14 참조). 상기 빔은 이 핀홀과 콜리메이팅 렌즈를 통과한 후, 수직 방향으로 파라볼라 미러에 의해 포커싱된다. 이 방법에서는 상기 빔을 위해 제2 세트의 중성자 핀홀이 제공될 수 있다. 제1 세트의 핀홀은 제2 세트의 중성자 핀홀과 직교하도록 배향되어, 상기 타겟 챔버로부터 중성자가 탈출하여 상기 레이저를 향해 되돌아가는 것을 방지한다. 이는 광학적 구성요소와 상기 레이저를 중성자 손상으로부터 보호하며, 이로 인해 사람이 중성자 환경에 들어가지 않고도 이들을 관리할 수 있게 된다.

상기 제2 세트의 핀홀을 통과한 후, 상기 레이저는 상기 타겟 챔버의 방향으로 프레넬 렌즈에 의해 포커싱된다. 이 방법은 프레넬 렌즈만이 핵융합 환경에 놓이고 이 렌즈를 챔버의 중심에서 훨씬 뒤쪽에 배치할 수 있는 이점이 있다. 이들 렌즈는 레이저 광학 기구에 비해 비교적 저렴하므로 필요에 따라 교체될 수 있다.

도 6은 개별 레이저들(10)의 하나의 뱅크(200)에 대한 빔 경로를 확대한 도면이다. 박스 내의 각 레이저의 출력은 415mm²의 단면을 갖는 1오메가(ω) 빔이다. "트롬본(trombone)" 시스템(235)은 레이저 출력과 3ω 주파수 컨버터(240) 사이에서 동일한 경로 길이를 제공한다. 3ω 주파수 컨버터(240) 뒤의 다른 트롬본 시스템(245)은 캐러셀 내의 위치에 상관없이 각 레이저의 경로에 있어서 대응하는 경로 길이를 조절함으로써, 모든 빔이 동시에 타겟에 도달하도록 하는데 사용된다. 3개의 오메가 릴레이 망원경이 중성자 핀홀에 대해 빔을 포커싱하는데 사용된다 (도 8 참조). 1ω의 개구는 25cm²이고, 3ω의 개구는 42cm²이다.

도 7은 레이저로부터 타겟에 이르는 빔 경로를 도시하는 다른 도면이다. 이 도면은 빔 경로 내에 3ω 미러, 릴레이 망원경, 및 다른 광학적 구성요소를 도시한다. 핵융합 챔버 상에는 2개의 레이저 뱅크(200)가 도시되어 있다. 프레넬 렌즈는 최종 광학 기구로서 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 뱅크는 약 47도의 외측 원뿔과 약 27도의 내측 원뿔을 갖는 빔을 제공한다. 이들 빔은 홀라움의 양쪽 끝에 있는 레이저 진입 홀에서 상기 홀라움으로 진입한다.

도 8은 상기 레이저 시스템이 어떻게 개별적인 라인 교체가능 유닛들로 구획되는지를 도시하는 도면이다. 상기 시스템의 전체는 상기 레이저 인 박스(10)에 수납된다. 이 외에도, 2개의 미러(250)와 주파수 컨버터(260)로 구성되는 빔 라인의 2개의 다른 부분이 별도의 패키지로 제공된다. 도 8의 나머지 부분은 전술한 바와 같이 중성자 핀홀과 그 근방의 광학적 구성요소의 배열을 도시한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 플랜트 설계는 한 쌍의 오프셋 중성자 핀홀을 가진 이중벽 중성자 실드를 포함한다. 이 구성으로 인해 레이저 홀 내에서의 잔여 복사가 사람의 활동이 자유로운 레벨(~0.04rem/년)까지 줄어들고, 광학적 경로가 내부를 향하게 된다. 2개의 비선형으로 배열된 중성자 핀홀(262 및 265)을 사용하면 레이저, 실질적으로는 모든 광학적 구성요소를 핵융합 환경으로부터 분리할 수 있다. 이로써, 발전 설비가 가동 중이라도 핵융합 반응에 의해 생성된 중성자로부터의 보호를 필요로 하지 않고 유지보수 작업자가 레이저 베이에 들어갈 수 있다.

도 9는 진공 챔버(270)로부터의 핵융합 챔버(20)의 분리를 도시한다. 이로 인해, 핵융합 챔버가 진공 시스템 및 광학계로부터 분리될 수 있다. 이는, 예를 들어, 섹션들이 서로 만나는 연결부를 완전히 밀폐해야 하는 부담 없이 핵융합 챔버를 제조할 수 있게 한다. 빔 포트(21)의 상부 어레이와 빔 포트(22)의 하부 어레이는 레이저 빔이 핵융합 챔버의 벽을 통과하여 인젝터(18)에 의해 주입된 타겟을 가격할 수 있게 한다.

도 9에 도시된 구조는 핵융합 챔버를 진공 챔버로부터 분리한다. 이로 인해 가장 위험한 환경, 즉, 제1 벽 및 냉각 블랭킷 내에 진공 밀폐를 제공할 필요가 없어진다. 또한, 이로 인해 제1 벽에 튜브형 디자인을 사용할 수 있으므로, 높은 강도대 중량비, 효율적인 열적 커플링(thermal coupling), 및 낮은 기계적 응력을 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 구조는 핵융합 챔버를 레이저 광학계로부터 분리한다. 이로 인해, 고정밀도로 광학 경로를 재설정할 필요 없이, 배관을 연결하거나 끊기만 하면 되므로, 비교적 빠르게 상기 제1 벽과 블랭킷 모듈을 제거할 수 있다. 액체 리튬 냉각제를 사용함으로써 플랜트에 필요한 삼중수소의 재고량이 실질적으로 줄어들고, 또한 삼중수소의 봉입 요건이 완화된다. 동시에 이는 매우 높은 열효율을 제공한다.

여기서 상기 제1 벽과 블랭킷 환경은 열에너지를 전기로 전환하고 삼중수소를 생성함에 있어서 기계적 일체성, 낮은 레벨의 활동성 및 높은 레벨의 성능을 유지하는 한편, 하전 입자, 엑스선 및 중성자의 높은 선속에 대응하도록 설계된다. 비록 상용화를 위한 설정에 있어서 이러한 서브 시스템들 중 일부는 새로운 물질을 여전히 필요로 하지만, 본 발명의 구조는 새로운 물질이 개발되기를 기다려야 하는 대신, 물질 개발 프로그램과 병행하여 상용전(pre-commercial) 플랜트의 건설을 가능하게 한다. 이는 실질적으로 위험을 줄여주는 가스 보호벽 설계와 결합된 "라인 교체가능 유닛(line replaceable unit; LRU)"을 채용함으로써 실현된다. 반경이 5m 정도이고 복수의 세그먼트로 나누어진 상기 타겟 챔버의 모듈성과 규모는 냉각 블랭킷 전체를 비교적 용이하게 교체할 수 있게 한다.

크세논과 같은 고-Z(high-Z) 가스가 충분한 농도(4 내지 6㎍/cc)로 주입되어 10 내지 20㎝ 가스 반경 내에서 폭발하는 타겟으로부터 방출되는 이온을 포획한다. 이는 기존의 IFE 설계에 있어서 주요 제한 요인이었던 반경 5m 챔버에서의 이온 충격 문제를 효과적으로 제거한다. 유사하게, 상기 가스는 엑스선 펄스로부터의 열 공격을 입수가능한 철강 재료를 사용하는 경우와 같은 수준(각 샷에서 챔버를 600 ℃ 주변으로부터 최고 670℃까지 가열)으로 줄인다. 중성자가 유발하는 손상은, 후술하는 바와 같이, 챔버 모듈을 작동 수명이 제한된 라인 교체가능 유닛으로 취급함으로써 적절하게 낮은 레벨로 유지된다. 변형된 HT-9, Eurofer-97 또는 F82H와 같은 철강을 사용하는 데모 플랜트의 경우 적어도 1년의 전출력 운전년(full-power year)을 갖는 것으로 계산된다(10 원자당 변위(displacements-per-atom; dpa)가 지속될 수 있다고 가정). 상용 플랜트(20-25dpa/년으로 가동됨)에서는 ODS 페라이트계 철강의 경우, 4년의 전출력 운전 수명이 예상된다. 챔버의 세정에 대해서는 본 출원인에게 양도된 "핵융합 원자로 챔버로부터 잔해를 제거하는 방법 및 시스템(Method and System to Remove Debris from a Fusion Reactor Chamber)"이라는 명칭으로 2011년 9월 13일에 출원된 미합중국 특허출원 제61/534,315호에 더욱 상세히 설명되어 있으며, 본 명세서에 참조에 의해 편입된다.

완전한 핵융합 챔버 자체도 라인 교체가능 유닛으로 취급된다. 이는 이전의 챔버가 유지보수되거나 업그레이드되는 동안 새로운 챔버로의 교환이 가능하게 한다. 따라서, 새로운 기술 혹은 물질이 이용가능해지면, 이를 채용할 수 있다. 또한, 핵융합 챔버 설계 또는 물질에 있어서의 원하는 변화 또는 성능 개선으로부터 플랜트 설비 투자 자본을 더 넓게 보호할 수 있다.

도 10은 핵융합 챔버(20)의 관리가 필요할 때, 이를 교환하는 메커니즘을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도어(275)는 진공 챔버(270)로의 진입을 제공한다. 핵융합 챔버(20)의 관리 또는 교체가 필요할 때, 진공은 해제될 수 있고, 상기 챔버는 멀리 떨어진 유지보수 시설(120)로 옮겨진다. 이후, 예비 챔버가 진공 챔버(270) 내로 삽입될 수 있고, 핵융합 동작이 재개된다. 이와 같은 방법으로, 챔버의 관리는 최소한의 기간 이상으로 전력의 공급을 방해하지 않는다.

도 11은 내부에 핵융합 챔버(20)를 포함하는 진공 챔버(270)를 더욱 상세하게 도시한 도면이다. 상기 진공 챔버의 상부 주변에는 빔 포트(21)가 배열되고, 진공 챔버의 하부 주변에는 빔 포트(22)가 배열된다. 후술하는 바와 같이, 대응하는 빔 포트가 상기 핵융합 챔버(20)에 제공된다.

또한, 도 11에는 상기 진공 챔버의 바깥쪽에서 안쪽으로 냉각제의 유체 커플링이 이루어지도록 하는 분리 피팅(24)이 도시되어 있다. 상기 핵융합 챔버(20)와 공급 라인(도시되어 있지 않음) 사이의 대응되는 분리 피팅(24)은 진공 용기(270)와 핵융합 챔버(20) 사이의 냉각제 유동을 커플링한다. 분리 피팅(24)은 도 11의 우측 상부 도면에서는 개방 위치에 있고, 하부 도면에서는 폐쇄(연결) 위치에 있다. 챔버 내의 냉각제 파이프로부터 광학계를 디커플링함으로써, 최종 광학 조립체뿐만 아니라 상기 진공 챔버에 연결된 임의의 배열 및 추적 하드웨어의 진동을 실질적으로 감소시킬 것이다.

도 12는 상기 핵융합 챔버(20)의 구성요소를 보다 상세하게 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 챔버(20)는 8개의 세그먼트(300)로 구성되어 있지만, 구체적 제조 프로세스에 따라 더 많은 수의 세그먼트로 이루어질 수도 있다. 도시된 바와 같이, 상기 세그먼트들은 서로 연결되어 상기 챔버를 형성한다. 상기 핵융합 챔버의 각각의 세그먼트는 지지 구조물을 제외하고는 물리적으로 서로 연결되어 있지 않다. 따라서, 개별 세그먼트는 필요에 따라 교체가 가능하다. 이 외에도, 핵융합 챔버가 진공 용기(270)로 운반되고 냉각 라인이 연결되면, 레이저로부터의 빔 라인은 연결될 필요가 없다. 상기 챔버의 세그먼트들은 각각의 세그먼트를 원하는 방향으로 유지하는 받침대(25)에 의해 지지되어 있다.

종래에는, 밀폐된 제1 벽은 진공 장벽을 형성하는데 사용되어 왔으며, 포트를 통해 구동 방사선이 진입하였다. 이는 설계 유연성에 심각한 제약을 가한다. 도시된 설계에서, 세그먼트들의 에지는 경사져 있어서 상기 세그먼트들 간의 연결부에서 중성자가 탈출하는 것을 방지한다. 모듈식 디자인은 일련의 튜브를 상기 제1 벽으로 사용하고, 두꺼운 블랭킷에 의해 지지된다. 이 "챔버"는 한 세트의 독립된 모듈들로 분할되고, 상기 모듈들은 별개로 또는 하나의 완전한 유닛으로서 유지보수 베이(maintenance bay)로 보내질 수 있다.

전체 유닛은 무게가 대략 1000메트릭 톤(metric ton)이며, 적당한 캐스크에 담겨 철로를 통해 핫 셀(hot cell) 폐로(decommissioning)/유지보수 베이로 운반될 수 있다. 교체 챔버는 작동에 대비하여 사전 조립된 상태로 보관된다. 진공 파이프 부품을 분리하고 재연결할 필요성을 없애고, 챔버를 광학 기반 설비로부터 분리함으로써, 상대적으로 빠른 교환이 가능하다. 챔버 제거 및 삽입의 전체 프로세스에 한 달이 소요된다면, 수명이 적어도 4년인 벽을 갖는 상용 시스템이 플랜트 이용률에 미치는 영향은 단지 2%이다. 이러한 수준의 주기적인 유지보수는 다른 플랜트 운용에도 거의 대부분 필요하다.

도 13은 핵융합 챔버(20)의 하나의 구현예를 도시한 도면이다. 그 구조에 관한 상세한 내용은 동일 출원인에게 양도된 "관성 봉입 핵융합 챔버(Inertial Confinement Fusion Chamber)"라는 명칭의 미합중국 특허출원(대리인 정리 번호 91920-820938, IL-12358B, IL-12492)에 개시되어 있고, 본 명세서에 참고에 의해 편입된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제1 벽은 냉각제가 유동하는 수평의 튜브 세트(310)에 의해 제공된다. 상기 냉각제는 튜브(310)를 통해 흐른 뒤, 상기 제1 벽의 뒤에 위치한 블랭킷 구조(320)를 통과한다.

도 13에는 레이저 빔이 진입할 수 있게 하는 챔버의 세그먼트 내의 개구(330)가 도시되어 있다. 상기 구조는 최소한의 벽 두께로 정수두(Hydrostatic Pressure)와 중성자 가열을 견딜 수 있다. 상기 튜브는 높은 강도대 중량비를 갖고, 예를 들면 ODS 철강으로 제조될 수 있다. 상기 튜브를 사용함으로써 고도의 모듈식 설계가 가능하고, 이는 형태가 간단하므로 제조 비용이 절감된다.

또한, 도 13은 상기 세그먼트들 중 하나의 단면도를 포함한다(상기 튜브 기반의 제1 벽은 이 도면의 아래쪽에 도시되어 있다). 도시된 구조물에는 2개의 냉각제 통로가 제공되어 있다. 하나의 냉각제, 바람직하게는 액체 리튬이, 상기 제1 벽 튜브에 제공되고, 다른 냉각제, 바람직하게는 용융염이 블랭킷에 제공된다. 상기 제1 벽 냉각제는 상기 튜브를 통해 순환하는데, 그 중 하나가 도면에서 역전된 U자형으로 도시되어 있다. 이 냉각제는 튜브의 한쪽, 예를 들어, 좌측의 플리넘(plenum)에서 진입하고, 튜브를 통해 우측의 플리넘으로 흐른다. 블랭킷 냉각제는 상기 튜브의 뒤쪽에서 넓은 영역을 통해 순환한다.

상기 챔버의 각 세그먼트에 있어서, 상기 블랭킷 냉각제는 블랭킷 벌크 영역의 가장자리 주위에 환상의 좁은 영역(블랭킷 벌크 영역을 둘러싸는 조밀한 간격의 라인들 사이)으로 도입된다. 이 냉각제는 유동하여 사다리꼴 챔버의 외벽을 냉각한다. 이 냉각제는 상기 세그먼트의 바닥을 향해 아래쪽으로 흐른 뒤, "블랭킷 벌크(blanket bulk)"로 불리는 넓은 사다리꼴 영역을 통과하여 위쪽으로 돌아온다. 이 유동 패턴은 가장 빠르게 움직이는 가장 차가운 냉각제를 상기 세그먼트의 벽에 가장 가깝게 위치시킨다. 바람직한 구현예에 있어서, 상기 제1 벽 튜브와 블랭킷 격납 용기의 외부 표면 사이에는 약 1㎝의 간격이 있다. 벌크 유동을 포함하는 사다리꼴 영역을 둘러싼 2개의 1㎝ 두께의 벽들 사이에는 약 5cm의 간격이 있는 것이 바람직하다.

NIF에서 점화가 이루어지면, "다음 단계"는 상용전 LIFE 플랜트에서 400MW 정도의 핵융합 에너지를 생산하는 것이다. 제조 및 건설에 필요한 시간과 더불어 기술 개발 프로그램 요건에 관한 예상으로부터, 이 플랜트는 2020년대 중반까지 완성 및 가동될 수 있을 것으로 보인다. 그리하면 2030년대에 시작될 상용 플랜트 레벨에서의 핵융합 기반의 전기 에너지의 후속 출시에 필요한 모든 필요한 기술 및 물질에 대한 검증이 이루어질 것이다.

특히, 허가를 받을 수 있다면, 초기 시설의 성능 특성 및 시스템 설계는 후속하는 기가 와트 전력 레벨의 순수 핵융합 시스템, 그리고 이득이 5 내지 10인 핵분열/핵연료(fissile/fertile) 블랭킷의 구현을 합법화하는 단계다. 후자는 NIC 레벨의 이득과 보수적인 시스템 설계를 바탕으로 가까운 미래에 기가와트급 순 출력을 제공할 것이며, 이는 초기의 상용전 플랜트의 직접적인 업그레이드로서 확인될 수 있다.

상용 공급을 위한 시간은 빠듯하다. 2030년 출시 이후 금세기 말까지 이산화탄소 등가 탄소 배출을 90 내지 140 기가톤 줄이게 될 것이다(미국의 석탄 발전소가 폐기되고, 발전량이 2배가 되는 시기가 5 내지 10년이라고 가정함). 출시가 10년만 미루어져도 30-35%의 탄소 배출 억제 효과가 없어지고, 이는 50-100달러/메가톤으로 계산하면 현재 순가치로 700-2600억 달러에 이른다. IFE가 해결책으로서 의미를 갖기 위해서는 집중된 공급 프로그램이 필수적이다. 물질의 이용가능성 및 삼중수소 생산성을 계산해보면, 시장 침투의 속도 및 규모는 2050년까지 새롭게 건설될 플랜트의 25%를 충족시킬 수 있고, 그 이후에는 더 커질 것이다. 이 방법의 자본 투자 및 운전 비용에 대한 추정은, 새로운 핵 발전소와 기존의 탄소 화석 연료 발전소에 있어서 제안된 해결책과 비교해 경쟁력을 갖는다.

LIFE 방법은 NIF에서 밝혀진 점화 증거에 근거하고 있으며, 라인 교체가능 유닛 접근 방법을 이용하여 높은 설비 이용률을 보장하고, 이용가능한 기술 및 물질로부터의 진화를 가능하게 한다. 점화 방식을 위해 입증된 물리적 기반을 활용하는 것은 허용가능할 정도로 위험성이 낮은 해결책의 필수 요소이다. 본 명세서에서는 통합된 설계가 제시되었고, 이에 따르면 2020년대 중반까지는 발전 설비의 운전이 가능할 것이다. 본 명세서에 개시된 상용전 발전 설비를 통해 후속하는 상용 시설들을 위한 서브시스템 및 구성요소들을 확인하고 입증할 수 있을 것이다.

본 명세서에서는 레이저 관성 봉입 핵융합 원리를 이용한 핵융합 발전 설비의 구조에 대해서 설명하였다. 비록 본 발명을 바람직한 실시예에 관하여 자세히 설명하였지만, 상기한 구체적인 시스템들은 본 명세서에 설명된 기술들의 다양한 변형을 사용하여 구현될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다.

Claims

핵융합 발전 설비에 있어서,
핵융합 반응으로부터 중성자를 생성하는 핵융합 챔버;
상기 핵융합 챔버 주위에 배열되어 상기 핵융합 반응을 개시하도록 상기 핵융합 챔버에 에너지를 제공하는 복수의 레이저를 포함하는 레이저 시스템; 및
상기 레이저와 상기 핵융합 챔버 사이에 위치하는 복수의 빔 경로를 포함하고,
상기 복수의 빔 경로는, 상기 핵융합 챔버로부터의 상기 중성자가 사람이 상기 레이저 시스템에 접근할 수 없는 수준으로 상기 레이저 시스템에 도달하는 것을 방지하는,
핵융합 발전 설비.
제1항에 있어서,
상기 복수의 빔 경로의 각각은 제1 중성자 핀홀을 통과하는 제1 부분과, 제 2 중성자 핀홀을 통과하는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 핀홀과 상기 제2 핀홀은 비선형적으로 배열되는
핵융합 발전 설비.
제1항에 있어서,
상기 레이저 시스템은 상기 핵융합 챔버 위에 위치하는 제1 부분과, 상기 핵융합 챔버 아래에 위치하는 제2 부분으로 나뉘고, 상기 제1 부분으로부터의 빔은 상기 핵융합 챔버의 상부에 있는 개구를 통해 상기 핵융합 챔버에 진입하고, 상기 제2 부분으로부터의 빔은 상기 핵융합 챔버의 하부에 있는 개구를 통해 상기 핵융합 챔버에 진입하는
핵융합 발전 설비.
제3항에 있어서,
상기 핵융합 챔버는 복수의 세그먼트를 포함하고, 각각의 세그먼트는 상기 빔 경로가 통과하는 2개 이상의 개구를 포함하는
핵융합 발전 설비.
제1항에 있어서,
상기 핵융합 챔버를 둘러싸는 진공 챔버를 더 포함하고,
상기 빔 경로를 변경하지 않고 상기 핵융합 챔버가 상기 진공 챔버로부터 제거되고 교체될 수 있는
핵융합 발전 설비.
제5항에 있어서,
상기 진공 챔버는 밀폐된 개구를 포함하고,
상기 빔 경로는 상기 개구에 의해 상기 진공 챔버를 통과하고 상기 핵융합 챔버에 진입할 수 있는
핵융합 발전 설비.
제5항에 있어서,
상기 진공 챔버는 상기 핵융합 챔버를 상기 진공 챔버에 넣을 수 있도록 개폐 가능한 도어를 포함하는
핵융합 발전 설비.
제1항에 있어서,
냉각제가 순환하는 냉각제 블랭킷을 더 포함하고,
상기 냉각제 블랭킷은 상기 핵융합 챔버를 둘러싸고, 상기 핵융합 챔버로부터 열을 제거하는
핵융합 발전 설비.
제1항에 있어서,
상기 핵융합 챔버는 복수의 세그먼트를 포함하고,
상기 복수의 세그먼트의 각각은,
냉각제가 유동하는 한 세트의 튜브를 포함하는 제1 벽;
상기 제1 벽의 뒤에 위치한, 냉각제가 유동하는 냉각제 블랭킷;
상기 세그먼트에 상기 냉각제의 공급원을 연결하는 제 1 커넥터; 및
상기 세그먼트 내에서 순환한 냉각제를 위한 상기 세그먼트 밖으로의 유동 경로를 제공하는 제2 커넥터를 포함하는
핵융합 발전 설비.
제9항에 있어서,
상기 핵융합 챔버는 거의 구형이고, 상기 복수의 세그먼트의 각각은 상기 거의 구형의 수직 축을 통한 세로 방향의 슬라이스를 포함하는
핵융합 발전 설비.
제9항에 있어서,
각각의 세그먼트는,
상기 챔버로 주입되는 핵융합 타겟이 통과하는 개구의 제1 부분; 및
상기 타겟으로부터의 폐기물을 수집할 수 있는 개구의 제2 부분을 더 포함하는
핵융합 발전 설비.
핵융합 발전 설비에 있어서,
핵융합 반응으로부터 중성자를 생성하고, 실질적으로 동일한 복수의 모듈을 포함하는 핵융합 챔버;
상기 핵융합 챔버를 수용하고, 상기 핵융합 챔버를 감압 환경에 고립시키는 진공 챔버;
상기 핵융합 챔버 주위에 배열되어 상기 핵융합 챔버에 에너지를 제공하는 복수의 레이저 - 상기 복수의 레이저는, 상기 핵융합 반응을 개시하는데 필요한 것보다 많은 레이저를 포함함 - ; 및
상기 레이저와 상기 핵융합 챔버 사이에 위치하는 복수의 빔 경로를 포함하고,
상기 복수의 빔 경로는, 상기 핵융합 챔버로부터의 상기 중성자가 사람이 레이저 시스템에 접근할 수 없는 수준으로 상기 레이저 시스템에 도달하는 것을 방지하는,
핵융합 발전 설비.
제12항에 있어서,
상기 핵융합 챔버의 모듈들은 물리적으로 서로 연결되어 있지 않고, 각각은 소정의 위치에 지지 부재를 포함하며, 상기 모듈들을 모두 교환하지 않고 개별적으로 교체될 수 있는
핵융합 발전 설비.
제12항에 있어서,
상기 복수의 레이저의 각각은 다른 레이저를 교체할 필요 없이 개별적인 교체가 가능하도록 상기 핵융합 발전 설비 내에 탑재되어 있는
핵융합 발전 설비.
제14항에 있어서,
상기 각각의 레이저는 상기 핵융합 발전 설비가 가동 중일 때 교체될 수 있는
핵융합 발전 설비.
제12항에 있어서,
상기 복수의 레이저는 적어도 제1 벽과 제2 벽에 의해 상기 진공 챔버로부터 분리되고, 상기 제1 벽과 상기 제2 벽의 각각은 상기 빔 경로가 통과하는 핀홀을 포함하며, 상기 제1 벽의 상기 핀홀은 상기 제2 벽의 핀홀과 비선형적으로 배열되는
핵융합 발전 설비.
제12항에 있어서,
유지보수 베이;
상기 유지보수 베이 내에 마련된 예비 핵융합 챔버; 및
상기 진공 챔버 내의 도어를 더 포함하고,
상기 진공 챔버 내에 위치한 상기 핵융합 챔버는 상기 도어를 통해 상기 진공 챔버로부터 제거될 수 있고, 상기 유지보수 베이의 상기 예비 핵융합 챔버로 교체될 수 있는
핵융합 발전 설비.