공장이라고 할 수도 있지만, 이런 공장을 본 적은 없을 것입니다.
이곳의 ‘제조’ 공정은 BB 크기에 초점을 맞춘 레이저 에너지의 '샷'에 의존합니다.
그 결과: 태양의 중심보다 6배 더 뜨거운 핵 반응 . . . 언젠가 지구가 점점 줄어들고 있는 화석 연료에 더이상 의존하지 않도록 해 줄 수 있는 융합 반응에 대한 관심이 증가하고 있습니다.
캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 국립핵융합시설(NIF)의 과학자들은 레이저보다 더 많은 에너지를 방출하는 핵 융합 반응, 즉 '점화'로 정의된 반응을 만들어내기 위해 노력하고 있습니다. 이는 언젠가 깨끗한 핵융합 에너지인 '스타 파워'를 지구로 가져올 수 있는 프로세스의 첫 단계입니다.
각 전체 시스템 레이저 샷은 모든 방향으로부터 192개의 개별 레이저 빔을 10억분의 1초의 폭발 장치에 집중하여 트리튬과 중수소의 작은 표적을 가열하고 압축합니다. 최대 180만 줄(joule)의 자외선 에너지까지 낼 수 있는 이들 192개의 빔은 극도의 정밀도로 한 곳에 집중해야 합니다. 샌프란시스코의 피처 마운드에 서서 350마일 떨어진 로스앤젤레스의 다저스 스타디움으로 스트라이크를 던지는 정도의 정확성입니다.
각 테스트 샷을 발사하려면 많은 시설과 장비가 필요합니다. NIF 본관 건물은 10층 높이로 서 있으며 연중무휴 24시간 운영됩니다. 여기에는 지금까지 건설된 것 중 세계에서 가장 높은 에너지의 레이저와, 7,500개의 대형(미터 크기) 광학 장비 및 26,000개 이상의 소형 광학 장비를 결합한 최대 규모의 광학 장비를 갖추고 있습니다. 점화 샷은 방사선을 방출하므로 방사선 안전을 관리하는 것이 매우 중요합니다.
이 모든 것은 60,000개 이상의 제어 지점과 850대의 컴퓨터가 포함된, 과학 기계용으로 지금까지 설계된 것 중 가장 큰 규모의 자동 제어 시스템 중 하나를 이용하여 조정됩니다. 이 시스템의 성공은 NIF 데이터베이스에서 각각 개별적으로 추적되는 6,000대의 장비, 밸브, 그리고 압력, 온도 및 습도 센서와 트랜스미터에 달려 있습니다. 모든 것이 반드시 교정되어 있어야 합니다.
파워와 정밀성의 세계
NIF 교정 프로그램 관리자인 Travis Averill은 "여기서 우리가 하는 일에 상응하는 유일한 것은 우주선 발사를 위한 NASA 카운트다운 뿐"이라고 말했습니다. “모든 것을 정비 및 교정해두지 않으면 신뢰할 수 없고 반복해서 이용할 수 없습니다. 따라서 광학장치를 조립하는 가장 작은 인치-온스단위의 토크 드라이버부터 기록적인 중성자 수율을 계산하는 오실로스코프까지 교정이 필수적입니다. 여기 있는 2개 층의 HVAC 장비를 교정해두지 않으면 사양을 벗어난 온도 이탈을 겪게 됩니다. 레이저 빔이 가스를 통과하는 방식이 바뀌고, 맞히려고 하는 정확한 지점을 맞히지 못하게 될 것입니다.”
기술자들은 이렇게 크고 복잡한 시설을 어떻게 관리합니까? Averill은 "우리는 대부분의 시설 모니터링이 이루어지는 주 제어실에서 GUI(그래픽 사용자 인터페이스)를 사용합니다"라고 말했습니다. 이를 통해 거의 모든 것에 대한 실시간 역동적 지시치 판독과 제어가 가능합니다.
핵심은 네트워크로 연결된 수천 개의 구성 요소와 제어실로 신호를 전송하는 센서가 24V DC 제어 네트워크를 통해 GUI 화면으로 정확한 판독값을 전달하는 것입니다. 따라서 Averill은 원격 센서 및 트랜스미터의 출력이 아니라, 화면에 나타나는 판독값을 보고 “전체 루프”에 대한 교정을 수행합니다. “우리는 가능한 모든 오류를 제거하기 위해 매번 GUI 화면 판독값을 보고 교정합니다. 저는 전체 루프 교정에 대한 큰 신념을 갖고 있죠.”라고 그는 말합니다.
예를 들어, 온도 센서를 교정하기 위해 Averill은 내부 Fluke 5608 리퍼런스 표준이 장착된 Fluke 9142-P Field Metrology Well을 Fluke 754 Documenting Process Calibrator-HART와 함께 연결합니다. 그는 계측 웰을 설정하여 화씨 60도, 70도 또는 80도(섭씨 15.6도, 21.1도 또는 26.7도)의 특정 테스트 온도를 생성한 이후에 온도 엘리먼트 또는 센서를 삽입합니다. 온도가 안정화되면 무선으로 제어실에 연락을 보내 GUI 판독값을 확인합니다. 목표는 드라이 웰 설정에서 제어실 판독값이 0.10°F 이하로 변하는 수준입니다. 56.10도의 판독값은 표준을 충족하지만, 56.11도는 허용 오차를 벗어납니다.
Averill은 “기존 데이터가 사양을 충족하면 이를 조정하지 않습니다.”라고 말했습니다. “만일 허용 오차를 벗어나게 되면, 첫 번째 할 일은 바로 루프 점검이에요. 754 HART 커뮤니케이터에 연결한 후 트랜스미터에 지시하면 실제로 전류에 연결되죠. 직렬로 연결하여 4~20mA를 모니터링합니다. 트랜스미터에 4mA라고 생각되는 것을 출력하도록 지시하고 그 결과를 측정해보겠습니다. 동시에 저는 GUI가 56.00도를 읽을 것으로 예상하고 있어요.”라고 Averill은 말했습니다.
“mA 측정은 일반적으로 754에 연결되는데, 그 이유는 이 장비가 여러 기능을 수행하기 때문입니다. 그게 중요한 부분이에요. 저는 이 장비를 HART 커뮤니케이터와 통신할 때 사용할 수 있고, mA를 측정할 때도 사용할 수 있는데, 이 경우에는 판독값이 56도가 되어야 합니다. 4mA 출력을 가져와서 754 교정기를 통해 루프시켜서 실제로 그에 대한 측정을 해보겠습니다. 그래서 저는 표시된 프로세스-가변 아날로그 출력을 가지고 있는데, 이 출력은 그것이 내보내고 있다고 생각하는 출력으로, 저는 실제 측정된 mA 출력을 얻게 됩니다. 이 테스트를 수행함으로써, 저는 트랜스미터의 출력(output) 기능을 실제로 교정하면서 사양 범위 내에 드는지 확인할 수 있습니다. 이는 일석이조라 할 수 있어요. 연결 작업이 적어서 시간이 적게 소요됩니다.”
만일, 트랜스미터의 출력에 편차가 있을 경우, Averill은 그 출력(사용 중인 HART 트랜스미터는 프로그래밍 가능)을 조정하여 GUI의 판독값이 센서가 감지하는 온도와 일치하게 만듭니다. 압력 교정 프로세스도 이와 유사합니다. Averill은 다시 Fluke 754 또는 744 문서화 프로세스 교정기와 Fluke 719 휴대용 전기 압력 교정기, 그리고 테스트 압력을 생성하는 휴대용 핸드 펌프를 이용합니다.
무엇인가 더 위대한 것
Averill은 미국 해병으로서 5년 동안 FA-18 호넷 제트 전투기의 항공전자 장비를 교정하면서 교정 기술을 배웠습니다. 그 후 다른 교정 협력 업체에서 2년 동안 근무했으며, 주로 생물의학 및 제약 분야에서 근무했습니다.
“지금 제가 하고 있는 일은 USMC가 저에게 준 것보다 더 큰 일을 해야 할 필요성을 채워주고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “10년, 20년 또는 30년 후, 화석 연료가 고갈되고 세계가 현재보다 훨씬 많은 양의 에너지를 필요로 할 때는 융합 에너지가 우리에게 파워를 공급해줄 것입니다.”
Averill이 참여하기 전에는 현지의 독립 실험실에서 많은 NIF 교정을 수행했습니다. 현재는 사내에서 더 많은 작업을 수행하며, 이를 통해 NIF를 일정을 유지하고 매일, 때로는 더 자주 샷을 발사할 수 있습니다. “가장 어려운 일 중 하나는 여전히 작동하고 있는 상태에서 레이저 샷에 영향을 미치지 않으면서 교정 작업을 수행하는 것이에요”라고 Averill은 말했습니다. "여기서 비용을 지불하는 것은 샷을 발사하고 융합 에너지의 목표를 향해 나아가는 것입니다."
Averill은 그의 해병대 시절부터 Fluke 장비(사이드바 참조)에 의존해 왔으며 다른 교정 전문가를 위한 몇 가지 아이디어를 가지고 있습니다.
온도 센서를 교정하려면, "현장용 계측 웰을 한 두개 구입하세요."라고 그는 말했습니다. 이들 장비는 실험실 및 현장 응용 분야에서 모든 방식으로 액체 배스(bath)를 낡은 것으로 만들어버립니다. 처음 몇 번만 사용해보면 시간을 절약할 수 있습니다. 보장합니다.” 제어와 그 정확도 측면에서의 눈에 띄는 개선은 Fluke 9142-P 현장 계측 웰을 이용하여 가능했습니다.
Fluke 9142-P는 트랜스미터 루프 교정, 비교 교정 또는 열전대 센서의 간단한 점검을 수행하도록 설계된 산업용 온도 루프 교정기입니다. 무게가 8.2kg(18lbs) 미만이므로, 온도 설정이 필요한 현장에 빠르게 이동할 수 있으면서, 안정적이고 균일하며 정확합니다.
“우리는 온도 지점을 설정해두고 자리를 비울 수 있으며, 그 상태에서 GUI 화면에 기록하게 할 수 있습니다. 45분 후 다시 돌아와서 필요한 경우 조정을 하면 되는데, 우리가 소비한 유일한 실제 작업 시간은 트랜스미터를 연결하고 분리하는 시간뿐이었습니다. 한 번에 2개를 아주 쉽게 사용할 수 있어서 저는 2개를 구매했어요. 오늘 현장에 있었다면, 프로세스를 간소화하기 위해 세 대의 장비를 갖고 효율적으로 사용하고 싶을 수도 있었을 것 같아요.”
팀 교육
NIF에서의 교정에는 기존 시설에서 작업하는 기술자와 레이저 빔 경로 유틸리티 시스템에 집중해서 일하는 다른 기술자, 합해서 총 40명의 두 정비 기술자 팀이 참여합니다.
“그들은 대게 상호 협력을 통해 일하고 있으며, 모두가 정비 및 교정 작업에 대한 지식과 경험을 공유할 수 있는 기회를 갖게 돼요.”라고 Averill은 말했습니다. “그렇게 함으로써 지금까지 제가 본 것 중 가장 높은 수준의 기술적 우수성을 확보할 수 있었습니다.”
Averill은 올바른 교정 장비를 사용하는 것 외에도, 성공의 열쇠는 팀원들이 특정 테스트가 필요한 이유와 그 방법을 이해하도록 하는 것이라고 말했습니다. 그는 이들을 돕기 위해 50개 이상의 교정 절차를 작성했습니다.
그는 “기술자들이 방향을 잃게 되는 것은, 이해하지 못하는 절차를 맹목적으로 따르고 있는 경우입니다.”라고 말했습니다. “제가 말씀드릴 수 있는 주요 요령 중 하나는 마치 기술자들 옆에 서서, 뭔가 제대로 되지 않을 때 그들에게 문자 그대로 무엇을 해야 할지, 무엇을 찾아야 할지 말해주는 것처럼, 기술자의 눈과 귀로 절차서를 작성해야 한다는 것입니다.”
문제가 발견되면 정비 팀은 미리 작성된 고장 모드 및 영향 분석(FMEA) 문서를 참조할 수 있으므로 모든 문제를 실시간으로 파악해야 할 필요가 없습니다. 많은 장비의 예비 부품이 구비되어 있으므로 작업을 신속하게 복원할 수 있습니다.
낭비할 시간이 없게 되는 것입니다. 핵융합을 달성하기 위한 목표는 2012년 말로 되어 있습니다. 따라서 Averill과 다른 NIF 직원들(그들 중 다수는 과거 미해군 원자력 엔지니어였음)은 낭비할 시간이 없다는 것을 알고 있습니다.
Averill은 “이 일을 시작한 지 50년이 지났고, 이제 1년도 채 안 남았어요. 여기는 정말 재미있는 곳이에요.”라고 말했습니다.