다이아몬드, 7,300 켈빈에서 녹다: LLNL 연구, 20년 난제 해결… 핵융합 에너지 3배 증폭 가능성 열어

미국 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 연구진이 극한 압력에서 다이아몬드가 녹는 현상을 처음으로 실험적 정밀도로 측정하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 20년 동안 이론가와 실험가를 갈라놓았던 논쟁에 종지부를 찍었다. 2026년 8월 13일 *네이처 피직스(Nature Physics)*에 발표된 이 연구는 마리우스 미요(Marius Millot) 박사가 이끄는 팀이 수행했으며, 레이저 구동 충격파를 사용해 지구 핵부 압력의 3배에 달하는 압력과 태양 표면보다 뜨거운 온도를 구현했다. 이 결과는 미국 국립점화시설(NIF)의 관성 핵융합 연구와 해왕성, 천왕성 같은 얼음 행성 내부에서 가설로 제시된 '다이아몬드 비' 현상을 이해하는 데 직접적인 시사점을 제공한다.

4가지 핵심 발견

1. ~7,300K의 새로운 녹는점 측정, 20년 난제 해소

연구팀은 로체스터 대학교의 오메가(OMEGA) 레이저 시설을 이용해 작은 다이아몬드 샘플에 600GPa에서 1.8TPa 사이의 압력으로 레이저 충격파를 가하고, 10억분의 1초 만에 X선 회절 데이터를 포착했다. 측정된 녹는점은 약 7,300K로, 2009년 존 에거트(Jon Eggert) 연구진의 측정치보다 1,000K 이상 낮은 값이며, 이제 20년 동안 실험과 일치하지 않았던 양자역학 시뮬레이션과 놀라울 정도로 일치한다.

2. 단일 충격파 아래 다이아몬드, 중간 상(BC8) 건너뛰고 직접 용융

X선 데이터는 다이아몬드 결정 구조가 예측된 BC8 상(고압 탄소 구조)으로 변환되지 않은 채 녹는 순간까지 그대로 유지된다는 것을 보여주었다. 다이아몬드 격자는 탄소 원자가 갑자기 무질서한 액체 상태로 붕괴할 때까지 온전하게 남아 있었다. 연구팀은 이를 '운동적 포획(Kinetic trapping)' 현상으로 설명한다. 단일 급속 충격파에서는 강한 탄소 결합이 끊어져 BC8 구조로 재배열될 시간이 충분하지 않아, 시스템이 고체 다이아몬드 구조에서 직접 용융된다는 것이다.

3. 느린 초기 충격파, NIF 핵융합 에너지 이득 최대 3배 증가

NIF의 관성 핵융합(ICF) 실험에서는 다이아몬드 캡슐이 중수소-삼중수소 연료를 담는 용기로 사용된다. 이번 연구에서 개선된 탄소 모델은 다이아몬드를 완전히 녹일 수 있는 약간 더 느린 초기 충격파를 사용하면 핵융합 연료의 압축성이 높아져 동일한 레이저 출력으로 더 높은 에너지 수율을 얻을 수 있음을 보여준다. 시뮬레이션 결과, 다른 열화 메커니즘만 통제된다면 핵융합 에너지 이득을 최대 3배까지 높일 수 있는 것으로 나타났다.

4. 다이아몬드, 자신의 용융액 위에 뜬다 (물 위의 얼음처럼)

고압에서 고체 다이아몬드는 용융되어 생성된 금속 액체 탄소보다 밀도가 낮다. 즉, 고체 다이아몬드가 액체 탄소 위에 뜨는 현상이 발생하는데, 이는 물 위에 얼음 조각이 뜨는 것과 유사하다. 이는 또한 용융 범위의 일부 구간에서 압력이 증가할수록 녹는점이 낮아지는 '음의 클라페롱 기울기(Negative Clapeyron slope)'를 만들어낸다.

핵융합 에너지 연구에 미치는 영향

이번 연구는 ICF 설계 모델을 직접적으로 개선한다. NIF의 현재 내파(implosion) 시뮬레이션은 이제 실험적으로 검증된 탄소 상태 방정식을 통합할 수 있게 되어, 캡슐 성능의 주요 불확실성 요인이 제거되었다. 예측된 에너지 이득 증가(최대 3배)는 NIF에서 더 높은 수율의 핵융합 영역에 도달하기 위한 의미 있는 잠재적 향상이지만, 연구진은 다른 캡슐 열화 메커니즘을 통제하는 것이 필수적이라고 강조한다. 다이아몬드 캡슐은 이미 NIF 기록의 중심에 있다. 2025년 4월 7일, 고품질 다이아몬드 캡슐 덕분에 NIF는 8.6메가줄(MJ)의 핵융합 에너지 수율이라는 이정표를 세운 바 있다. 다이아몬드의 상(Phase) 거동에 대한 더 나은 이해는 차세대 표적 설계에 직접적인 정보를 제공한다.

행성 과학에 미치는 영향

이 실험에서 도달한 압력 및 온도 조건은 해왕성, 천왕성과 같은 얼음 행성 내부(압력 최대 약 1.8TPa, 이 행성들 깊은 곳의 조건과 유사)의 조건과 직접적으로 관련된다. 다이아몬드가 금속 액체 탄소와 공존하고 그 위에 뜰 수 있다는 발견은 오랫동안 가설로 제시된 '다이아몬드 비(diamond rain)' 현상, 즉 얼음 행성 내부의 액체 탄소 층에서 다이아몬드가 침전되는 과정을 모델링하는 데 도움을 준다. 또한 급속 압축 하에서 다이아몬드가 준안정 상태로 유지된다는 관찰은 행성 형성 및 역동적인 사건 중 탄소가 어떻게 행동하는지에 대한 정보를 제공한다.