과학자들은 핵융합 역사를 다시 쓸 수 있는 1938년 실험을 재현했습니다.

아서 루리그가 1938년에 실시한 실험은 간과되었지만, 최초의 DT 융합 관측으로 기록될 가능성이 높습니다. 현대 과학자들은 이를 재현하여 핵융합 연구와 에너지 미래를 형성하는 데 있어 DT 융합이 어떤 역할을 하는지 밝혀냈습니다. 출처: Shutterstock

로스앨러모스 연구진은 중요하지만 거의 잊힌 물리학 실험, 즉 최초의 중수소-삼중수소(DT) 융합 관측을 재현했습니다. Physical Review C 에서 설명한 바와 같이 , 이전에는 주목받지 못했던 이 실험을 재작업함으로써 미시간 대학교 물리학자 아서 룰리그의 공로가 확인되었습니다. 1938년 룰리그가 수행한 중수소-삼중수소 융합 실험과 관측은 오늘날까지 국가 안보 활동과 원자력 연구에 영향을 미치는 물리학 과정의 씨앗을 심은 것으로 보입니다.

로스앨러모스의 과학, 계산 및 이론 연구실 부소장인 마크 채드윅은 "우리가 밝혀낸 바와 같이, 루리그의 공헌은 중수소와 삼중수소가 충분히 가까이 접근했을 때 DT 핵융합이 매우 높은 확률로 발생한다는 가설을 세운 것입니다."라고 말했습니다. "그의 실험을 재현함으로써 우리는 그의 연구를 해석하고 그의 역할, 그리고 본질적으로 옳다고 판명된 그의 결론을 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다. 핵연료 물리학의 발전 과정은 아서 루리그의 기발한 통찰력이 가져온 심오한 결과를 뒷받침해 왔습니다."

DT 핵융합 반응은 국가 핵 억지력의 일부이든 민간 에너지용 핵융합 개발을 위한 지속적인 노력이든 핵융합 기술을 실현하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 중수소-삼중수소 반응은 국립 점화 시설(National Ignition Facility)의 핵융합 활용 연구의 핵심입니다. 로스앨러모스 물리학자들은 루리그(Ruhlig)의 이론을 바탕으로 이 아이디어의 기원을 밝히고, 루리그의 제안의 중요성과 정확성을 확인하는 실험을 수행했습니다.

DT 융합의 기원을 추적하다

2023년, 채드윅은 이론물리학자 마크 패리스를 비롯한 동료들과 함께 핵융합 개발 초기 역사에 대한 개괄적인 연구를 진행하고 있었습니다. 그 역사에서 비교적 잘 알려진 부분 중 하나는, 미래의 맨해튼 프로젝트 책임자인 J. 로버트 오펜하이머가 1942년 7월 버클리 물리학 학회에서 물리학자 에밀 코노핀스키가 수많은 가능한 핵융합 반응 중에서도 DT 핵융합이 핵분열 반응 무기의 구성 요소로서 특히 유리할 것이라고 제안한 것입니다.

하지만 채드윅과 로스앨러모스 동료들은 궁금해했습니다. 코노핀스키는 어떻게 직류 핵융합에 대한 이런 통찰력을 얻었을까요? 맨해튼 프로젝트가 본격적으로 시작된 지 불과 몇 달밖에 되지 않은 프로그램 초기에 여러 가지 선택지 중 가장 실현 가능한 핵융합 공정을 선택한 것은 분명 우연한 결정이었습니다.

어느 날 밤 국가안보연구센터(National Security Research Center) 기록 보관소를 검색하던 채드윅은 코노핀스키가 중수소-삼중수소 반응에 대한 의사 결정 과정을 설명하는 1986년 오디오 녹음을 발견했습니다. (팀은 코노핀스키 녹음을 유튜브에 공개했습니다.) 과거에서 흘러나오는 듯한 그의 목소리는 훨씬 더 먼 과거를 회상하며, 코노핀스키는 중수소-삼중수소 연구를 시작하게 된 동기를 "전쟁 전" 연구에 대한 지식에서 찾았다고 여러 번 말했습니다.

삼중수소는 1934년 실험물리학자 어니스트 러더퍼드 연구팀에 의해 발견되었습니다. 러더퍼드는 닐스 보어와 함께 원자 모형을 발전시키고, 제임스 채드윅의 중성자 발견 연구를 감독하며 초기 물리학의 거장으로 자리매김했습니다. 파리스는 1934년부터 출판된 물리학 문헌들을 샅샅이 뒤지다가 마침내 1938년 뤼리그가 Physical Review 에 감마선 실험에 대해 쓴 단독 저서, 편집자에게 보낸 편지를 발견했습니다.

루리그는 중수소-중수소 상호작용을 연구하고 있었습니다. 중수소에 중수소 빔을 발사하여 감마선 효과를 연구하는 것이었습니다. (중수소는 중수소 원자의 핵, 즉 중성자 하나와 양성자 하나입니다.) 편지 마지막 단락의 거의 여담처럼 루리그는 극도로 높은 에너지를 가진 양성자를 관찰한 경험을 설명하며, 이러한 양성자는 2차 반응, 즉 삼중수소-중수소 융합 중성자가 안개 상자 안에 놓인 얇은 셀로판 호일 밖으로 양성자를 산란시키는 과정에 의해 생성되었다고 추론했습니다. 그는 자신이 목격한 것을 분석하면서 한스 베테와의 개인적인 대화를 인용했습니다. 그는 DT 반응은 "매우 가능성이 높은 반응임에 틀림없다"라고 결론지으며, 저에너지 양성자에 대한 고에너지 양성자 1,000분의 1의 확률이라는 정량적 추정치를 제시했습니다.

그리고 문제는 거기서 끝났습니다. 루리그의 논문은 자주 인용되지 않았고, 그 몇 안 되는 인용도 대부분 감마선 문제와 관련이 있었습니다. 하지만 코노핀스키는 그 연구를 기억했던 것 같습니다.

파리스와 채드윅은 조각들을 맞춰 나갔습니다. 공교롭게도 루리그와 코노핀스키는 둘 다 미시간 대학교 학생이었고, 1930년대에 박사 과정 과정에서 같은 길을 걸었습니다. 루리그의 논문 지도 교수였던 리처드 크레인은 베테의 동료였고, 코노핀스키는 베테가 감독하는 연구 펠로우십에 참여했습니다. 또한 두 사람은 전자 스핀의 공동 발견자인 미시간 대학교 물리학자 조지 울렌벡의 멘토이기도 했습니다. 루리그의 논문이 자주 인용되지는 않았지만, 그렇다고 해서 알려지지 않았다는 뜻은 아닙니다. 그 저널은 많은 물리학자들이 꾸준히 읽었을 것입니다.

"코노핀스키가 DT 융합 가능성에 대한 루흘리히의 제안을 해석하고 받아들였다는 증거는 정황 증거이지만, 그럼에도 불구하고 강력합니다."라고 파리스는 말했다. "우리는 루흘리히가 실제로 무엇을 관찰했는지, 그의 결론이 우리가 계산적 접근과 현대 단면에 대한 이해를 통해 도출할 수 있는 결과와 일치하는지 질문해야 합니다. 궁극적으로 남은 질문에 답하는 방법은 실험을 재현하는 것입니다."

채드윅은 루리그 논문과 DT 융합 개발에서 1938년 실험의 역할에 대한 이론을 연구실 책임자인 톰 메이슨에게 언급했고, 메이슨은 연구팀이 결론을 검증하기 위해 단순한 시뮬레이션이 아닌 실험을 수행할 것을 주장했습니다.

실험 복제

연구팀은 노스캐롤라이나주 트라이앵글 대학교 핵연구소(Triangle Universities Nuclear Laboratory)에 있는 듀크 대학교(Duke University)의 실험 물리학자들과 협력하여 루리그의 연구를 현대적이고 엄격하게 재현하여 원래 실험을 재현했습니다. 이 재현에는 이론 및 계산 분석이 수반될 예정입니다.

연구팀은 실험실의 탠덤 가속기를 최저 작동 출력으로 사용하여 3.5mm 중수소 빔을 생성했습니다. 이 빔은 가속기 진공과 표적 사이에 얇은 코발트 합금 포일을 두어 루리히의 500keV 빔을 최대한 효과적으로 복제했습니다. 1938년과 마찬가지로, 빔은 중수소화된 인산 표적을 향해 조사되었고, 액체 섬광 중성자 검출기가 관심 있는 중성자를 추적하여 2차 반응을 측정했습니다.

"국립 점화 시설(National Ignition Facility)의 관성 가두기 핵융합 실험과 같은 핵융합 실험과는 달리, 저희는 저에너지 핵물리학 시설에서 최초로 삼중수소를 생성하는 초기 중수소-중수소 상호작용 이후의 2차 반응으로 DT 핵융합 실험을 수행할 수 있었습니다."라고 듀크 대학교 트라이앵글 대학교 핵연구소의 물리학자인 베르너 토르노는 말했습니다. "이 연구는 물리학 역사에 대한 몇 가지 흥미로운 의문에 대한 해답을 제시할 뿐만 아니라, 훨씬 더 어려운 환경에서 DT 핵융합을 연구할 수 있는 우리의 역량을 확장하는 데에도 중요한 역할을 합니다."

Ruhlig의 필수 관찰 확인

현대 실험은 결과를 분석하면서 2차 DT 반응을 관찰했지만, 이는 루리그가 핵융합의 산물인 과잉 중성자 생성 비율을 과대평가했음을 시사합니다. 연구진은 훨씬 더 낮은 비율을 검출했습니다. 루리그가 1938년에 해당 실험을 설명하는 편지에는 그가 어떻게 이러한 결론을 도출했는지에 대한 자세한 내용만 제공되어 있기 때문에, 궁극적으로 현대의 결과와 비교하여 미시간 물리학자의 정확성을 단정적으로 평가하기는 어렵습니다. 연구진이 현대적 방법을 사용하여 계산한 값은 재현된 실험에서 얻은 측정값과 일치했습니다.

중요한 점은 루리그가 사용한 실험 기법에서 얻은 측정값을 로스앨러모스와 트라이앵글 대학 핵연구소 연구진이 다시 테스트한 결과가 NIF와 같은 활성 핵융합 노력에 적용될 수 있다는 것입니다.

채드윅은 "루리그의 핵융합 속도가 우리의 현대적 이해와 일치하지 않음에도 불구하고, 우리가 재현한 결과, 그가 DT 핵융합이 '매우 가능성이 높다'고 말했을 때 적어도 질적으로는 옳았다는 데 의심의 여지가 없습니다."라고 말했습니다. "루리그의 DT 핵융합에 대한 우연한 관찰과 그에 따른 맨해튼 프로젝트 단면 측정은 에너지 프로젝트에 초점을 맞춘 토카막과 NIF와 같은 관성밀폐 핵융합 실험에서 DT 핵융합이 평화적으로 적용되는 데 기여했습니다. 아서 루리그를 지속적이고 중요한 연구에 중요한 기여자로 다시 한번 역사의 뒤안길로 끌어올린 것을 우리 모두 자랑스럽게 생각합니다."

특히 이 팀은 Physical Review 에 연구 결과를 게재했는데 , 이 저널은 루리그가 1938년에 처음으로 DT 융합을 관찰한 내용을 게재한 곳이기도 합니다.

아서 J. 루리그: 물리학의 삶

아서(아트) 루리그는 중수소-삼중수소 융합을 최초로 관찰한 공로로 널리 인정받지는 못했지만, 오랫동안 필수 물리학에 중요한 공헌을 했습니다. 1912년 6월 13일 미시간에서 태어난 그는 인디애나주 포트웨인에서 고등학교를 졸업하고 미시간 대학교에 진학했습니다. H. 리처드 크레인의 지도를 받으며 루리그는 1938년 1월 "납을 통한 고속 전자와 양전자의 통과"라는 논문으로 물리학 박사 학위를 받았습니다. 루리그는 같은 해 8월 Physical Review 에 "중수소-중수소 반응에서 감마선 탐색"이라는 제목의 논문을 발표하고, 이 논문에서 삼중수소 융합을 관찰했습니다.

루리그는 정부 및 민간 산업계에서 여러 분야에 걸쳐 연구를 수행하며 경력을 쌓았습니다. 그는 1940년 해군 연구소(Naval Research Laboratory)에 전기 엔지니어로 입사하여 15년 이상 연구소에서 근무했습니다. 1946년에는 해군 연구소 산하의 로켓 존데 연구 분과에서 대기 연구 장비를 사용하는 로켓 기술을 개발했습니다. 이후 방사선 분과, 그리고 전자관 연구 분과를 이끌었습니다. 이 시기 그의 연구 업적 대부분은 기밀로 분류되었고 지금도 여전히 기밀로 남아 있지만, 그는 때때로 공개 문헌에 논문을 발표하기도 했습니다.

루리그는 우연히도 1951년 태평양에서 로스앨러모스의 온실 작전을 지원했던 해군 연구소 팀의 일원이었습니다. 루리그는 증폭기와 전송선로를 담당하는 진단 그룹을 이끌었습니다. 1938년 직류 핵융합을 최초로 관찰한 그는, 일련의 열핵융합 실험에 사용된 점화된 연소 핵융합 플라즈마를 최초로 관찰한 사람 중 한 명이었습니다. 루리그는 관찰된 중성자 스펙트럼으로부터 연소 플라즈마의 온도를 추론하는 공식을 개발했는데, 이 공식은 수십 년 동안 널리 사용되었습니다.

1956년 루리그는 엔지니어링 및 연구 회사인 에어로뉴트로닉(Aeronutronic, 이후 포드에 인수되어 필코(Philco)와 합병)에 입사하여 레이더 및 전자 연구소를 운영했습니다. 1960년 루리그는 캘리포니아주 뉴포트 비치에 있는 포드 자동차의 에어로뉴트로닉 사업부에서 물리학 및 컴퓨팅 부문 관리자로 임명되었고, 1961년에는 수석 연구원으로 승진했습니다. 포드는 1960년대 포드 자동차 재직 당시 루리그가 보여준 "다방면의 역량"을 높이 평가했는데, 그중에는 미 공군을 위한 레이저 시스템 제안서 개발에서 중요한 역할을 한 것도 포함됩니다. 그는 독일어, 프랑스어, 러시아어를 유창하게 구사했으며, "회사에 대한 충성심과 (…) 개인적, 직업적 성실성이 최고 수준"인 "뛰어난 과학자"로 칭송받았습니다.

가정적인 사람이었던 루리그는 1934년 아내 에밀리와 결혼하여 2001년 에밀리가 세상을 떠나기 전까지 거의 67년간 결혼 생활을 이어갔습니다. 아서 루리그는 2003년 캘리포니아주 산타아나에서 사망했습니다. 이 실험을 재현한 로스앨러모스-듀크 대학교 연구팀은 노스캐롤라이나에 살고 있는 루리그의 딸 비비안 램과 인연을 맺었습니다. 램은 손녀와 공유할 가족사를 찾던 중, 연구팀이 루리그에 대한 정보를 온라인에서 요청하는 것을 보고 연구팀에 연락하여 기꺼이 자신의 시간과 추억을 공유했습니다. 또한 1938년 연구 이후 어느 시점에 찍은 것으로 보이는 근면한 아버지의 사진도 함께 보냈습니다. 비비안의 말에 따르면, 이 사진은 "완벽한 과학자"였으며, "평생 물리학 문제에 대한 호기심"과 "꼼꼼한 과학 실험에 대한 존중"을 동시에 지닌 인물이었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250709085502.htm