JP2016512887A - 加速器駆動未臨界炉システム - Google Patents

Abstract

加速器駆動未臨界炉は：１）１つの構成において、著しくより効率的なトリウムサイクルシステム、２）よりエネルギー生産性の高い核廃棄物削減システム、３）他の親核分裂候補元素用の加速器駆動システムを提供する。４）加速器駆動未臨界炉は、核融合システムに適用されてもよく（提案されているシステムクラスおよびカテゴリにおける核分裂ユニットに取って代わる）、核融合システムのためのブレークイーブンポイントを低下させ、ひいては、別の方法で可能であるよりも早く実用的核融合を出現させうる仕方で適用される。５）加えて、重要な点として、光出力処理および分配も、この提案によって同様に可能になり、電気通信のためのベースパワーとしての光出力、工業的用途のためのプロセスエネルギー、ならびに民生用途および一般事業用途のための照明波長およびその他の波長の両方を提供する。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本発明は、２０１４年３月１３日に出願された米国特許出願第１４／２０８，７０７号、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第６１／８０２，３２２号、および２０１３年７月１５日に出願された米国特許出願第６１／８４６，０７６号からの利益を主張する。これらの出願の内容は全て、全ての目的のために、それらの全体がそれらへの参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

［技術分野］
本発明は、概して、電力およびエネルギーの発生、変換および分配に関し、より詳細には、以下のものに限定されるわけではないが、原子炉、核廃棄物削減、および原子核反応プロセスからの希少物質合成に関する。

背景技術のセクションにおいて説明される主題は、単に、背景技術のセクションにおけるその言及の結果として従来技術である、と見なされるべきではない。同様に、背景技術のセクションにおいて言及されている問題、または背景技術のセクションの主題に関連付けられる問題は、従来技術において以前より認識されていたと見なされるべきではない。背景技術のセクションにおける主題は、単に、異なるアプローチの典型を示すにすぎず、それらのアプローチ自体も発明であり得る。

核エネルギー生成および廃棄物削減の技術分野において、１９９２年および１９９３／１９９４年は、主要な、あまり知られないマイルストーンとなる２つの節目を刻んだ。

１９９２年末に、Ｃ．Ｄ．ボウマン（Ｂｏｗｍａｎ）らは非特許文献１を発表した。同文献では、軽水炉によって生成されたアクチニド廃棄物を焼却するために陽子加速器を用いる提案がなされ、正味の正のエネルギー出力を発生する可能性が予測された（特許文献１も参照）。

この後に、カルロ・ルビア（Ｃａｒｌｏ Ｒｕｂｂｉａ）による１９９４年（１９９３年ＷＩＰＯ）の出願、「粒子ビーム加速器によって駆動される核エネルギー生成用エネルギー増幅器（Ｅｎｅｒｇｙ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｂｅａｍ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）」（特許文献２）が続いた。これらの２つの特許、特許文献１および特許文献２は、全ての目的のために、それらの全体がそれらへの参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

ルビア特許の出願後、ボウマンらは、自分たちは２年前にルビアを先取りしており、新型原子炉：「加速器駆動未臨界炉システム」と名付けられてからのものを最初に提案したのは自分たちだと異議を申し立てた。

当事者による発明の功績の主張または所在には時として曖昧さがあるが、典型的に両者の功績はルビアのものとされている。

しかし、その論文または特許出願のどちらにも言及されていなかったことは、実は、その発明は、原油価格が歴史的安値となり、選択肢としての原子力発電所の建設がほとんどの国で大概反対されていた時代に、この潜在的に重要な発明を原子炉、代替エネルギー、ならびに高エネルギーおよび素粒子物理学のコミュニティ内に流通させるという明確な目的のために、１９９０年に特許出願を行わずに提案され、公表されていたという事実である。業界は、瀕死状態で全面撤退しており、原子力は、広く非難され、チェルノブイリは、５年あまり前の最近の記憶であった。加速器駆動未臨界炉システムの発明者は、業界にこの思想の種を蒔くことによって、業界はより十分な助けを受けるであろうと判断し、実際に、彼の発明の商業的展望は、未開示の非自明な態様および改善の潜在的活用へ向けて改善した。

発明者は、（科学者および発明者の間では少なからずあることだが）サイエンスフィクション作家、技術者、およびハイテクノロジーおよびメディアにおける幹部でもあったため、この発明を、技術界と主要なハリウッド映画会社の双方へ流通される予定のサイエンスフィクションプロジェクトにおいて提案することは容易な選択肢であった。最低でも、技術界は、その思想と動作構成要素に触れるであろうし、最良のシナリオでは、それは、少なくとも若干はその将来の受け入れのための道を開き得る仕方で一般社会に公開される可能性があろう。

本発明、およびこの技術の伝搬の秘話が本発明の背景に関連するのは、功績の所在を明らかにするという純粋な理由または主な理由のためだけでなく、ボウマンとルビアが提案したものの間の相違の理由およびそれはなぜかを説明すること、ならびに、技術界またはメディア界に開示されなかったものは何か、ならびに本開示の本質を成すものは何かについて説明することを助けるためである。これによって、１９８９年末および１９９０年に起源を発する発明の完全な本質が明らかになる。

「自然の力（ＴＨＥ ＦＯＲＣＥ ＯＦ ＮＡＴＵＲＥ）」、地球を舞台にしたＳＦアドベンチャー、として知られる脚本は、地球を異星人の生態の標準にテラフォーミングすることに躍起になっている異星人軍団の物語を語った。それは、とりわけ、いささか「見当違いをした」異星生物「生物テラフォーミングマシン」、一種の「レヴィアタン」型の恐ろしいバルログ生物が、惑星を変容させる規模の大破壊をもたらすことによって推進されたプロセスである。それは、ウラン、アクチニドおよび超ウランの鉱床を燃料として燃やすことによって、その変換プロセスに燃料を供給した。（脚本は広範囲にハリウッドの最高レベルで流通し、「異星人によるテラフォーミング」のアイデアは、別の映画シナリオ作家、デヴィッド・トゥーヒー（Ｄａｖｉｄ Ｔｗｏｈｙ）によって「借用され」、彼の１９９６年の映画、「アライバル（Ｔｈｅ Ａｒｒｉｖａｌ）」）のためにより直接的で単純化された形で使われたことは注目に値する。

舞台はアマゾンの熱帯雨林であり、脚本（および念頭においたその計画）は、熱帯雨林の消失の有様を指摘し、放射性物質は、軽視すべきではないが、天然のものであることを示すことと、−世間が知るとおりの「核」の怪物と対比して、異星人の征服をくじくために用いられる「善の」人類の技術の一部となるであろう、新型エネルギー技術、加速器駆動未臨界システムを主人公の手に任せることの両方を意図していた。

本開示は、現在の事象情報によってその現在の出願日の日付で更新されているため、「現実世界」の目的のためのハリウッドの利用を描いた映画「アルゴ（Ａｒｇｏ）」との類似点が明らかになるであろう。

脚本の配付は１９９０年に始まり、カリフォルニア工科大学（Ｃａｌ−Ｔｅｃｈ）／ジェット推進研究所（ＪＰＬ）コミュニティ、カリフォルニア内の原子エネルギー／技術、ＩＣＢＭおよび材料コミュニティ、水素燃料および太陽炉新興成長／エネルギーコミュニティ、ならびにロスアラモスおよび具体的にはボウマンのチームへ送られるか、または渡された。脚本は、上述の技術界内の重要人物へコピーと共有の許可とともに早期に広く配付された後、具体的には本開示の著者によって、引用論文が発表されたことがわかってから、ロスアラモスにおけるボウマンのチームへ後から再び送られた。

本開示の著者は、論文が、エネルギー生成ではなくアクチニド燃焼に最適化されたシステムを提案したことに注目し、エネルギー余剰を生成しながらウラン炉廃棄物を燃焼させるためのウランサイクル炉に主たる強調を置くよりも、むしろ、エネルギー生成の強調、および質量欠損曲線上の自明な候補（最低でもトリウムがその自明な候補として抜きんでている）を検討するようにボウマンに勧めた。ただし、加速器駆動式の提案のその適用、廃棄物焼却は同様に自明なものであった。

それは、ワーナーブラザーズ（Ｗａｒｎｅｒ Ｂｒｏｔｈｅｒｓ）における当時の製作指揮者、リサ・ヘンソン（Ｌｉｓａ Ｈｅｎｓｏｎ）（ジム（Ｊｉｍ）の娘）を含む、多数の上級のハリウッド映画会社の幹部およびプロデューサー、ならびにアンブリン・プロダクションズ（Ａｍｂｌｉｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ）におけるスティーヴン・スピルバーグ（Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｓｐｉｅｌｂｅｒｇ）のプロデューサーにも広く配付された。本開示の著者は、まだ大学在学中の８０年代前半以降、その時までに、かなり上級の製作および技術幹部、ならびに技術会社の発明者および設立者になっていた。脚本は大変前向きに受け入れられたが、脚本によって指定され、要求されるコンピュータアニメーションおよびデジタルｆｘの量のために、当時（１９９０〜２年）において、予算は１億ドルを超えると推測され、たとえ、脚本（および本開示）の著者が業界におけるそうした事柄のエキスパートであっても、当時ではそれは大変高い額であった。

しかし、脚本の最も重要な目的は、当業者が、開示された形式のシステムを製作して用いる方法を知るように、基本概念および動作要素を公表することによって達成されていた。その目的は、その思想を世に出し、それが、まず第１に、核エネルギーに対する世間の見方を変える助けになるかもしれないと期待することであった。さらに、第２に、開示されなかったか、または開示された態様から自明でなかったシステムの態様を発明者（本開示の著者）が追求することができるようになる時がくるかもしれないと期待することであった。

最初の公開した開示において、公開されているものとされていないものにとっても重要な意味を持つのは、加速器駆動未臨界炉（発明者はこれを、誘導放出（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を意味する、「ＳＴＥＭ」核分裂炉と名付けた−言い換えれば、たとえ、粒子ビーム「ｓｔｅｍ（幹）」が折れても、原子炉は炉心溶融し得ないという比喩に従っている）の（本）発明者は、提案されたシステムを、主要な設計の点ではむしろ核融合炉に近いと明示的に特徴付けたことである。この説明および特徴付けは、動作時の原子炉の部分の説明によってさらに明記された。そして、これらの基本的特徴および構造は後に、２年後のルビア特許出願において直接反映され、１９９８年にその発行の前に補正された際に、特定の核融合設計およびプロセスとの明示的な比較を伴った。

１９９０年から一般に開示されたものの１つの利点は、開示された情報からその達成は自明でなかったが、本開示の著者は、将来に特許権を与えるべき重要な革新技術を保持しておくために、その利益を意図的に公表しなかった−それは、一方ではルビアにより、他方では後にボウマンにより網羅された基本思想の公開によって、根拠は十分に準備されたと見なしてのことであった−。その利点とは、全システム（開示されていない要素を含む）を、（トリウム塩炉においてはすでに十分に開発されている）トリウムサイクル削減装置およびウランサイクル削減装置などの、通常想定されるか、または自明であるもの以外の燃料サイクルにおける使用のために適用できることであった。

加えて、自明な燃料システム（トリウムおよびウラン）を実際に用いる、ルビア設計よりも効率的な原子炉の実現に寄与する、従来の原子炉との他の相違点も開示されなかった。

この歴史を遅れてようやく開陳することは、いくばくかのさらなる意義を同様に有する。なぜなら、加速器駆動未臨界炉システムと核廃棄物処理システムの、潜在的力を持った思想と機能構造を「明かす」意図は、十分な勢いと成功を全面的に確実にするために業界が十分にその方向に動いていることを確実にすることだったからである。核エネルギーに対する先入観は前提とするが、現在、エネルギーコストがはるかに高くなっている状況において、本開示の著者は、加速器駆動未臨界炉（ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ−ｄｒｉｖｅｎ， ｓｕｂ−ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｅａｃｔｏｒ、ＡＤ−ＳＣＲ）またはＳＴＥＭ原子炉システムをその本来の姿である新クラスのシステムとなす主要システムおよびプロセスの構成の発明者として、この思想の最終的な成功を確実にするために、公有に属するべきであり公有に属することを意図された特許が、それらの態様に関して保持されている様を見ることは望まないであろう。

他者が提案することがある詳細な革新技術は、確かに特許保護の対象となるべきである。例えば、ルビアによる、燃料サイクルの詳細における革新技術、および中性子ビーム束の監視および動的校正における最近提案された改善（参照により本明細書に明示的に組み込まれる、係属中の出願、特許文献３）は、おそらくそれに該当する。しかし、意図的に公表されず、開発分野全体の可能性を与えることを意図された提案は違う。

たとえば多くの他の分野、磁気光学、磁気光通信、無線電力分配システム、フラットスクリーンビデオディスプレイシステム、共晶（ｅｕｃｔｅｃｔｉｃ）材料製造システム、構造システム、およびデジタルメディア製作用ソフトウェアなど、他よりも本主題に密接に関連するいくつかの分野の発明者および技術コマーシャライザとしては、ＩＰ保護の重要性および価値は非常に高い。

しかし、ＡＤ−ＳＣＲ（別名、ＳＴＥＭ炉）の発明者が最も望まないことは、分野を切り開くことを意図した彼自身の発明が、その分野のより迅速な摂取および発展を潜在的に阻むことだけでなく、彼が開拓した分野へ彼自身が最終的に帰還することを潜在的に阻むことであった−今や、経済状況および世論とも十分に進展し、このクラスのエネルギーおよび核廃棄物削減技術を迅速、広範囲、かつ精力的に実用化するためにちょうどよいタイミングとなり、ついにその時が来たと思われる。

必要とされているものは、システムおよび方法であって、そのシステムおよび方法は、蒸気タービンを含み、熱変換法に頼る既存の加速器駆動原子炉設計からの熱損失を徹底的に削減または解消し、ひいては、トリウムサイクル加速器駆動未臨界炉の費用効率および安全性をさらに高め、それと同時に、他の原子炉システム、他の核物質デバイス廃棄物、および核兵器プログラムからの核廃棄物の削減／焼却のために最適化されたよりエネルギー生産性の高い原子炉設計をも可能にし、その一方では、加速器駆動未臨界モデルを、別の方法ではエネルギー生産性は十分に高くないが、より安価で世界中に広く分布している親核分裂性処理方式のための候補となり得る、他の供給原料および元素にまでさらに拡張し、そのシステムおよび方法を利用すれば、希少元素および貴重元素を最終核分裂生成物として合成するための供給源になり得、最終的に、核融合のための正味のブレークイーブン閾値を低下させる手段、および最終的に、広範な工業的用途および民生用途のための光エネルギー出力および分配源を提供する手段を提供するための、システムおよび方法である。

米国特許第５，１６０，６９６号 米国特許第５，７７４，５１４号 米国特許出願公開第２０１３／００２８３６４号

Ｃ．Ｄ．ボウマン（Ｃ．Ｄ．Ｂｏｗｍａｎ）ら著、「加速器駆動強力熱中性子源を用いた核エネルギー発生および廃棄物核変換（Ｎｕｃｌｅａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ−ｄｒｉｖｅｎ ｉｎｔｅｎｓｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）」（ニュークリア・インスツルメンツ・アンド・メソッズ・イン・フィジクス・リサーチ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）、１９９２年、Ａ３２０巻、３３６〜３６７ページ）

開示されるのは、システムおよび方法であって、そのシステムおよび方法は、蒸気タービンを含み、熱変換法に頼る既存の加速器駆動原子炉設計からの熱損失を徹底的に削減または解消し、ひいては、トリウムサイクル加速器駆動未臨界炉の費用効率および安全性をさらに高め、それと同時に、他の原子炉システム、他の核物質デバイス廃棄物、および核兵器プログラムからの核廃棄物の削減／焼却のために最適化されたよりエネルギー生産性の高い原子炉設計をも可能にし、その一方では、加速器駆動未臨界モデルを、別の方法ではエネルギー生産性は十分に高くないが、より安価で世界中に広く分布している親核分裂性処理方式のための候補となり得る、他の供給原料および元素にまでさらに拡張し、そのシステムおよび方法を利用すれば、希少元素および貴重元素を最終核分裂生成物として合成するための供給源になり得、最終的に核融合のための正味のブレークイーブン閾値を低下させる手段、および最終的に、広範な工業的用途および民生用途のための光エネルギー出力および分配源を提供する手段を提供するための、システムおよび方法である。

以下の発明の概要は、原子炉に関連する技術的特徴のいくつかの理解を助けるために提供されており、本発明の完全な説明を意図されてはいない。本発明の種々の態様の完全な理解は、明細書、請求項、図面、および要約書の全てを全体的に捉えることによって得ることができる。従来の原子炉および核兵器プログラムからの核廃棄物焼却の問題への適用を伴う、原子炉システムの新たなカテゴリの現行のルビアおよびボウマンらの実施形態は、本開示の著者によって最初に提案され、１９９０年から公表された新型システムの基本原理および構造動作要素の単なる開陳にすぎない。

従来の原子炉および核兵器プログラムからの核廃棄物焼却の問題への適用を伴う、原子炉システムの新たなカテゴリの現行のルビアおよびボウマンらの実施形態は、本開示の著者によって最初に提案され、１９９０年から公表された新型システムの基本原理および構造動作要素の単なる開陳にすぎない。

一方で、よく知られ研究されているトリウムサイクルへの適用、およびウランベースの燃料サイクル内の廃棄物焼却作業への適用は、自明であり、明記されていた。

ボウマンらおよびルビアの開示に伴う任意追加的な詳細はさておき、本開示は、１９９０年の基本開示から視線を移し、トリウムよりもはるかに安価で、さらに、豊富に存在する燃料（同程度のエネルギー収穫量があるとまでは必ずしもいかなくても、そのより安価な供給原料を考慮すれば、全体としては潜在的にはるかにより安価になる）を含む、他の燃料の使用へのＡＤ−ＳＣＲ（別名、ＳＴＥＭ）システムのより広範な適用可能性に注目する。

加えて、最初の概念には、熱エネルギー変換／回収への１次的な依存とは対照的に、より効率的で徹底的な、粒子ビーム／プラズマ／ソレノイドおよび粒子ビーム自由粒子レーザエネルギー変換に重点を置く、主要な未開示の態様があった。これらの態様は単独でも、いかなる燃料サイクルであろうとも、このようなシステムを、はるかにより効率的なトリウムサイクルシステム、およびよりエネルギー生産性の高いウラン／廃棄物削減装置システムへと大きく改善する。

本開示のシステムは、自明な既存の原子炉燃料サイクルではとても提供することができなかった他の利点を１９９０年時点でさえも提供した燃料物質システムを利用して、最初に開示された基本原理およびアプローチの方向へさらに遠く、さらに深く踏み込む。そして、それらの物質システムの利点は年を追って増すばかりである。

燃料サイクル／物質システムによって、有する利点が実際に異なるため、これらの他の従来「不可能であった」燃料サイクル／物質システムに基づく設計の実装には、（すでに指摘済みのように）トレードオフが存在することが本開示から明らかになるであろう。この場合も先と同様に、それらは、基本的な燃料サイクルにおけるエネルギー生産性は同程度でなくてもよいが、燃料の豊富さと、より広範囲の燃料システム候補の採用とによってもたらされるその他の価値で、それを補う以上のことができる。

本発明の実施形態のうちのいくつかは、原子炉の設計全体を熱変換／蒸気タービン用に調整するのではなく、あり得るエネルギー利用経路を全て調べることによって、原子炉エネルギー生成の総合効率を改善することに重点を置いている。燃料のための封じ込めシステムは、全エネルギーを熱変換のために捕獲する意図を持たずに構築され、逆に、反応生成物のうちの１つ以上のためのエネルギー排出口が存在する。それらの反応生成物は、電磁放射線（例えば、光子）、荷電粒子放射線（例えば、陽子および電子）、ならびに中性粒子放射線（例えば、中性子）を含む。原子炉設計は、原子炉内に存在しているこれらの意図的に許された反応生成物のための多数の収集チャネル、例えば、光子のための光学的収集チャネル、電子のための静電的／磁気的収集チャネル、および中性子のための機械的収集チャネル、を含む。いくつかの実装形態では、プロセスを開始するために使用されうるものなどの、外部粒子源を削減／解消することによって効率の改善を助けるべく、中性子および／または陽子を燃料に戻すためのフィードバック収集チャネルが含まれている。全体的なエネルギー収集を種々の反応生成物に合わせて調整することによって、蒸気タービンの熱的非効率性に関係するのとは異なる、効率のための評価基準が示唆される。

この設計の実施形態は、トリウムに加えて、またはその代わりに、基本設計のコスト優位性をさらに改善する他の容易に入手可能でもっと安い物質などの、代替のエネルギー原料が用いられることを可能にする。その他の実施形態は、効率的な物質合成を可能にする。これは、追加の収集チャネルを用いた原子炉設計によって、物質合成に合わせて著しく調整されながらも、全体的な合成プロセスが正味の正のエネルギーを含むことが可能になるためである。この設計は、原子炉設計のいくつかの従来の評価基準を最適化しない場合があるが、正味の正の全体的エネルギープロファイルを生成しながら物質を合成することによって、物質生成の経済性は大きく変化する。

本明細書に記載されている実施形態はいずれも、単独で用いられるか、または任意の組み合わせで互いに併用されてもよい。本明細書内に包含される発明は、この概要または要約書内に一部のみ言及もしくは暗示されるか、または全く言及もしくは暗示されない実施形態をも含む場合がある。本発明の種々の実施形態は、場合により本明細書内の１つ以上の箇所において説明または暗示されている、従来技術に付随する種々の欠陥によって動機付けられていてもよいが、本発明の実施形態は必ずしもこれらの欠陥のすべてに対処するわけではない。換言すれば、本発明の異なる実施形態は、場合により明細書内で説明されている異なる欠陥に対処してもよい。いくつかの実施形態は、場合により明細書内で説明されているいくつかの欠陥またはただ１つの欠陥に部分的に対処するのみであってもよく、いくつかの実施形態は、これらの欠陥のいずれに対処しなくてもよい。

本発明のその他の特徴、利益、および利点は、明細書、図面、および請求項を含む、本開示を再検討することで明らかになるであろう。

添付の図面において、同様の参照番号は、個々の図全体を通じて、同一であるかまたは機能的に類似する要素を指す。図面は、明細書に組み込まれ、その一部をなす。図面は、本発明をさらに図解し、本発明の説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

加速器駆動未臨界炉を示す図である。

本発明の実施形態は、システムおよび方法であって、そのシステムおよび方法は、蒸気タービンを含み、熱変換法に頼る既存の加速器駆動原子炉設計からの熱損失を徹底的に削減または解消し、ひいては、トリウムサイクル加速器駆動未臨界炉の費用効率および安全性をさらに高め、それと同時に、他の原子炉システム、他の核物質デバイス廃棄物、および核兵器プログラムからの核廃棄物の削減／焼却のために最適化されたよりエネルギー生産性の高い原子炉設計をも可能にし、その一方では、加速器駆動未臨界モデルを、別の方法ではエネルギー生産性は十分に高くないが、より安価で世界中に広く分布している親核分裂性処理方式のための候補となり得る、他の供給原料および元素にまでさらに拡張し、そのシステムおよび方法を利用すれば、希少および貴重元素を最終核分裂生成物として合成するための供給源になり得、最終的に核融合のための正味のブレークイーブン閾値を低下させる手段、および最終的に、広範な工業的用途および民生用途のための光エネルギー出力および分配源を提供する手段を提供するための、システムおよび方法を提供する。以下の説明は、当業者が本発明を製作して利用することを可能にするために提示され、特許出願およびその要件との関連で提供される。

本明細書に記載されている好ましい実施形態ならびに一般的な原理および特徴への種々の変更が当業者には容易に理解されるであろう。それゆえ、本発明は、図示されている実施形態に限定されることを意図されておらず、本明細書に記載されている原理および特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられることを意図されている。

図１は、原子炉１００を示す。本図は、主要な代表的動作可能電力発生および回収システムおよびオプションの一実施形態を示す、原子炉の概念的／高レベル機能断面図である。提案され、図示されているエネルギー回収／再捕獲および変換システム、２次システム、構成要素のうちの１つ以上の、態様、オプション、その他の実施形態もしくは特定の最適化、または特定の空間構成の中で、以下は示されていない。

・原寸に比例して示されていないか、またはエネルギー回収／変換構造の要求相対位置もしくは必要相対位置に示されていない。

・本開示に説明されているとおりの、粒子および光子出口管路、ならびに案内用電磁石陽極／陰極、低摩擦セラミックス、およびその他の副次的構成要素および有効化構成要素のパターンおよび相対位置は、示されていない。

・追加の標準的電力プラント運転システムも省かれており、その他にも、燃料交換システム、非循環粒子もしくは「使用済み」粒子のための熱ダンプタンク（スターリングエンジン、および従来の蒸気発生器などのその他の２次エネルギー回収／発生システムを伴う）、最適化された希少元素生成プロセスを実施するための遠心元素および化学元素分離システムの詳細、または核廃棄物削減に最適化したバージョンの詳細、あるいは提案されているエネルギー回収および変換システムを用いた核融合炉システムの詳細は、この抽象的な概略図によって具体的には示されていない。

・磁気閉じ込め手段（任意追加）は炉壁の「背後」にはなく、反応容器全体が荷電粒子の補助偏向のためにある。粒子流の統御および成形のために調整可能である。

原子炉１００は、始動時破砕ターゲット（稼働時ターゲットと同じであってもよい）のための始動加速器／陽子源１０２、稼動中の補助陽子源（任意設計：１次）を含む。始動器加速器／陽子源１０２によって破砕ターゲット１０４が駆動される。反応燃料容器１０６は、選択的に露出させた燃料体からの放射線を収容／成形する。

陽子ビーム再捕獲１０８は、ビーム分割および電磁気閉じ込めを含む。加速器駆動未臨界炉（ＡＤＳ原子炉）の１次加速器源（再循環ループ）。（任意設計：２次）。稼働中の中性子生成のための破砕ターゲット１１０。遠隔慣性エネルギー回収１１２は、誘導発電機を介した共振変換を含む。「反転加速器」陽子ビーム／流誘導発電機１１４。

光エネルギー出力１１６は、有用周波数のために調整される。「自由陽子レーザ」（Ｆｒｅｅ Ｐｒｏｔｏｎ Ｌａｓｅｒ、ＦＰＬ）「ウィグラ」１１８は、コヒーレントレーザビームを発生する。近接慣性／共振エネルギー回収１２０：マイクロ発電機アレイに連結されたマイクロアクチュエータ上に装着される原子炉容器壁構成要素（例えば、張力膜、浮動パネルなど）から直接の共振変換。

容器構造連結慣性／共振エネルギー回収１２２：マイクロ発電機アレイに連結されたマイクロアクチュエータ上に装着される、全体構造または主要構成要素構造としての原子炉容器壁から直接の共振変換。「自由電子レーザ」（Ｆｒｅｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌａｓｅｒ、ＦＥＬ）「ウィグラ」１２４。有用周波数のために調整される、光エネルギー出力１２６。「反転加速器」電子ビーム／流誘導発電機１２８。１つ以上の任意追加の可変粒子または光子流操向／偏向器構造１３０。

原子炉からの光子出力１３２：Ａ．光周波数分離手段（例えば、高光出力負荷フォトニックバンドギャップフィルタ、プリズムなど。Ｂ．工業プロセス、光起電力変換、または光出力分配用の典型的にはより少数の有用光周波数への変換のための、光周波数整理統合段階。

調整可能高速熱再循環システム１３４、原子炉／燃料体内へ進路変更。調整された慣性抽出の慣性／共振エネルギー再捕獲。燃料体内へ戻る粒子偏向面（例えば、高速／熱中性子）１３６。粒子出力を再捕獲構造およびチャネルへ最適に案内するように成形され、そのための物質で構成される、反応容器壁構造１３８。

Ｉ．エネルギー変換および処理、一般的な場合：

熱交換ベースの構成要素（およびそれに関連付けられる典型的な損失の多さ）からより大きく脱却し、さらに、「自発」／臨界境界核分裂領域およびシステム設計パラダイムでの動作からより大きく距離を取り、離れることから、実質的利益が得られる。

原子力発電所設計における蒸気タービン中心のシステムを用いた熱ベースのエネルギー変換に関連付けられるパワー損失への対処は、大きな潜在的利益のある領域である。

当技術分野に周知であるとおり、および長年にわたる経験的事例に適用されたランキンサイクルを参照することによって算出され得るとおり、高温ガス冷却炉は、最新の化石燃焼発電所と同程度の効率性を有し得るが、（原子炉設計において最もよく用いられている）ＰＷＲであろうと、またはＢＷＲであろうと、それらが有する総合効率は約３０〜４０パーセントである。つまり、生成された熱の６０〜７０パーセントは廃棄され、復水器の冷却水内に消散する。この論題へのパブリックコメントにおいて、インペリアルカレッジ（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ）、ロンドン（Ｌｏｎｄｏｎ）における電力工学教授のティム・グリーン（Ｔｉｍ Ｇｒｅｅｎ）は、炭素燃料原料燃焼熱変換発電機を含めて、用いられる技術にかかわらず、熱変換（「発電」）プロセスに関連付けられる発電中の損失は、平均で４５〜５５パーセントになると概算した。復水器、冷却塔を用いる蒸気タービン中心のシステムは、トリウム塩原子炉等の、他の新たに提案されている設計形式を含めて、現在実践されているとおりの「原子力」の正味の効率を著しく低下させる。

対照的に、本開示では、他のシステムからの放射性廃棄物の処分および核物質処理用途、ならびに他の燃料サイクルオプション（以下に詳述）に最適化された、トリウムサイクルシステム、ウランサイクルシステムにおいて用いることができる、代替的なエネルギー変換システムが提案される。

ここでは、核燃料組成物と減速媒質（軽水、重水、黒鉛、溶融塩類、または（ルビアによって提案されているように）、溶融鉛、ビスマス、もしくは鉛／ビスマス混合物）との間の熱交換がどちらも減速および熱交換し、加熱された媒質が（大なり小なり複数の中間熱変換システムステップを通じて）加圧蒸気室（またはその他の熱交換手段）を加熱し、タービン発電機を駆動する原子力システムに取って代わる、新しくより効率的な提案がなされる。

原子炉設計に用いられ、当技術分野に周知である、核燃焼連鎖の範囲（すなわち、外部ビームからの熱中性子および／または高速中性子捕獲に対する増殖／燃焼対、親燃料先行核が核分裂性同位体／物質に変換される際の誘導放出の詳細）、およびサイクルの選択肢は、新しいエネルギー変換システムを用いた最適化のための設計検討次第でほとんどは本提案のシステム形式に利用可能になるため、従来のアプローチとの相違に焦点を当てるために、ここでは繰り返さないことにする。

本提案の新システムでは、任意の種類の「ブランケット」もしくは容器または減速材／冷却最適化構造、液体もしくは固体（またはさらには気体熱交換に最適化）とともに用いられる熱捕獲または減速は極めて少ない−原理上、これはほぼ最小限度まで、またはゼロに極めて近くなるまで減らすことができる。したがって、反応プロセスからの中性子およびその他の粒子の熱的局所抽出ならびに波動エネルギーは、最小限に抑えられる。ただし、それは、いくつかの設計変形のために、中性子入力の反応速度および収支ならびに誘導放出速度の局所制御／その場制御の一部として維持されてもよい。

その代わりとして、効率的な直接エネルギー経路制御、収集、および電磁場間変換プロセスが実装される：

１．核燃料燃焼ユニット（単数または複数）は、一部または全体が粒子および光子収集室内に提供され、好ましくは、粒子および光子「じょうご」の効率的な設計を可能にするために、このような収集室の縁部の近傍に提供される。

２．投入された中性子（混合および運動調整を提供するための、熱中性子および高速中性子チャネル）は、ユニットの外部から燃料燃焼ユニットへ経路制御される。

３．収集室は、好ましくは部分真空であり、低圧希ガス、またはより高圧の希ガスあるいはガス混合物を有する部分真空であってもよく、燃焼ユニットおよび付帯設備にわたってガス流ダイナミクスを作り出し、燃料および燃焼ユニットの熱収支を調整するためのポンピング機構を提供されてもよい。

４．ユニットに関連付けられたそれらの機械的付帯設備および動作ユニット、ならびに中性子投入チャネルデバイスおよび付帯設備のために磁気および熱遮蔽が提供され、チャンバのその端部には、粒子をその方向の運動からさらに偏向させるために大きな強制磁場が配置される。

５．まさに脱出する荷電粒子に、その目的のためにその端部において発生され、強制された磁場によって進路変更を受けるのに十分な自由を与えるほどに、ユニットは、チャンバ壁から十分に離れている。

６．全ての表面は、「全方向性」バンドギャップ構造を用いて、効率的なミラー（これらの表面は、全てチャンバ内に面し、任意選択的に収集室の後方／外部から冷却される）を実装するために、セラミックスおよび（好ましくは周期的構造を持つ物質）等の、熱反射性物質および光反射性物質でコーティングされるか、またはそれらと一体的に製作される。（高強度光子を反射し、（好ましくは複数の）太陽炉式収集パイプへ案内するための動作要件に適用される「完全誘電体ミラー」フォトニック結晶モデリングソフトウェアのためのオムニガイド・コーポレーション（Ｏｍｎｉｇｕｉｄｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の技術を参照されたい。）

７．表面は、脱出した中性子を偏向させ、収集するようにさらに幾何学的に構築される。荷電していないため、中性子は、低摩擦衝突によって案内される（この場合も先と同様に、断熱性も有する極低摩擦係数セラミックスを配置する）。

８．このような構造は、予想されるように、凸形状を有する傾向を持つことになるが、大きな表面を光学的効率のよい表面に成形するのを助けるために、複雑曲面のトポロジを実装するべく張力複合材が裏当て基板として用いられてもよい。複合材は、それ自体、断熱性エーロゲル（バードエア／キャボット・テクノロジーズ（Ｂｉｒｄａｉｒ／Ｃａｂｏｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）Ｔｅｎｓｏｔｈｅｒｍ製品を参照）を含んでもよく、熱反射性物質および／または絶縁性物質（封入セラミック粉末／ナノ粉末）および光学バンドギャップを有する物質もしくはバルク反射性物質の適用構成要素でコーティングおよび／または表面仕上げされてもよい。

９．熱耐久性を高めた張力膜構造においては、複雑で滑らかな磁場成形の実装、および背後からの１次電磁石アレイの支持を助けるために、高導電性グラフェンまたはナノチューブ複合材が繊維複合材導電回路内で用いられてもよい。磁場封じ込めおよび陽極／陰極粒子引き付けシステムに対するパワーレベルの高速な平衡化を提供するために、急速放電グラフェンスーパーキャパシタが同様に実装されてもよい。

１０．この構造システムでは、収集室は、複数の滑らかに成形された３Ｄ「ヒトデ」として形成することができ、システム内の多数の場所にある粒子排出「じょうご」の複数の対が、他の方法の場合には、磁場および電場封じ込めおよび経路制御を実行する１つまたは２つのはるかにより大きな「じょうご」から得るであろう負荷を低減し、他の方法の場合には、合成パネル構造システムを用いて達成が非常に困難な幾何学的構成を可能にする。より小さなじょうごが複数あるということは、燃焼ユニット（単数または複数）から排出されたばかりの粒子の進路変更が、排出チャネルに隣接する陰極板および陽極板のセットへ流れ、最小限に抑えられ、電磁場間パワー変換プロセス上のパワー損失が低減されることを意味する。

１１．光学的収集チャネルは、粒子排出チャネルと同様に、複数存在し、高光束太陽炉収集システムの市販の方法の任意のものを用いて、反応プロセスからの出力を効率的に集め、経路制御し、収集することができる。

１２．１層あたりの張力壁の外装荷重（垂直力）支持は、デンバー国際空港の張力膜屋根の屋根荷重支持要求のための許容値を超える。共振システムにおける荷重支持力は、張力壁のＮ個の層の各層ごとに増大する。

１３．内部から、およびより重要な点として、張力表面の背後から発生された磁場の効果的浸透を実現するために、透磁性物質が用いられてもよい。

１４．保護された張力膜複合材の背後で、能動電磁石および受動磁性物質のアレイが、荷電粒子流を案内するための磁気「瓶／じょうご」形状を実現する。

１５．および／または、張力膜の代わりに剛性構造が配置されてもよい。

１６．全体のスキームを繰り返すと：３部分から成る荷電粒子および電磁波／光子経路制御および収集システムが用いられ、その上さらに、中性子が効率的な慣性ビームに再形成するための機械的経路制御および収集システムが用いられる。これらシステムは、帯電した「陽極」および「陰極」相似体（収集室内で空間的に分離した分極受信機）および電磁場構造化「じょうご」を用いて、燃料複合材塊からの脱出粒子のストリームを収集し、集中させ、その後、（反応から出力された電磁波／光子の場合には）アップコンバートまたはダウンコンバートするか、または分類し、引き付け、同様の原理（ただし、粒子加速器のスキームと「逆」と見なされてもよい）で、前記ストリームを粒子誘導モータ発電機内に挿入するか、あるいは任意選択的に、自由電子レーザシステムにおいて利用されているとおりのものであるが、あらゆる種類の粒子ビームを扱うように設計された、粒子「ウィグラ」内に挿入され、その一方で、慣性中性子ビームは、熱反射性および低摩擦パイプラインによって進路変更され、元の原子炉ユニット自体の内部へ戻るか、または単独で、もしくは気体プラズマと併せて、直接機械的回収システム内で仕事をするかのいずれかを行う。

１７．エネルギー粒子が電磁案内経路の強制磁場に対して仕事をする作用は、エネルギーを変換し、粒子の初期熱エネルギーを抽出し、光子の熱エネルギーへの変換を回避する。

１８．中性子は、機械的に経路制御され、それらのエネルギーレベルが異なる状態で、燃焼システム内へ戻される。

１９．粒子流の一部分は、（ソレノイド誘導系列を介した電気出力への抽出／変換および／または粒子「ウィグラ」によるレーザ出力への抽出／変換の前の）任意の都合のよい段階において、元の加速器パイプライン内へ進路変更され、核燃焼ユニット内へ挿入されてもよく、電磁場間誘導電気出力発生プロセスおよび／またはレーザ発生プロセスからそれらの高エネルギー割当量を抽出した後、高速中性子および熱中性子の組み合わせ。

２０．太陽炉、高強度電磁波／光子収集ユニットは、出力された波動エネルギーを波動エネルギー／光子処理段階内へ排出する：

ａ．この段階は、耐久性を高めた複数のプリズム、および当技術分野に周知のスペクトル分離のその他の方法を用いた、周波数の分離−分類−からなってもよく、任意のバルク／高強度分類のための高耐熱負荷性光学構成要素を利用する。

ｂ．任意選択的に、複数のバルク光チャネルレベルへの光パワー負荷のさらなる分割があり、近距離または遠距離伝送用光ファイバ内への実用的結合および伝送が可能になる強度レベルに達するまで分割を続ける。

ｃ．次に、発生された波動放射を近ＩＲおよびＩＲ等の都合のよい周波数に整理統合するために、最適パワーレベルにおいて、この時点で、任意選択の周波数／波長の変調／シフト（アップコンバージョンまたはダウンコンバージョン）が効果的に用いられてもよい。波動放射は、電気通信ネットワーク内へポンピングされてもよく、それにより、電気通信のための所要電力を低減する。

ｄ．分類されているか、それとも分類されていないかにかかわらず、非コヒーレント光ではなくコヒーレント光が必要であるか、または好ましいであろう。遅相子／干渉計技法（マッハツェンダーなど）の使用を含む、分類および受動／能動コヒーレンスアラインメントが遂行されてもよい。

ｅ．任意選択的に、電気通信または生の「プロセスエネルギー」分配のためのコヒーレント光を供給するために、「生の」収集された波動放射が、分類されているか分類されていないかによらず、「ポンプ」放射としてレーザデバイス（大規模デバイスまたはアレイ内の複数の小型デバイス）内へ投入されてもよい。予想される変換損失のために、これは同程度に好ましくはない。

ｆ．任意選択的に、未処理の出力放射が（分類されているか分類されていないかによらず）同様に光起電力変換システムへ案内されてもよい。このオプションは、どんなものが利用可能な光起電力式光電子変換の最善のアレイであっても、その使用を可能にするという理由では好ましいかもしれないが、予想されるより低い変換効率のために、それほど好ましくない。

ｇ．核燃焼プロセスから出力された波動放射の収集、処理および分配のために望ましいので、放射線は、分類され、局所分配または長距離分配のために複数のより低容量のファイバチャネルへと（１チャネル当たりのパワーに関して）逓減される。

ｈ．次に、光エネルギーは、コヒーレンス変換段階を通過しているか、それともしていないかにかかわらず、「連続的に」伝送されてもよいか、またはパワー出力を量子化部分に分けるための光電／光スイッチング技術が用いられる場合には、光エネルギーは、パルスにされてもよい。

ｉ．次に、これは、可能にし、本開示の著者によって別個に開示されている、関連する全光出力分配システムの１つの「脚」内に流れ込む。

２１．誘導ベースの発電システム内で、電子および陽子は、別個の処理ライン内へ分類され、そこで、粒子流は、直列のインダクタリング内に電流を誘導する。線形および非線形システム（幾何学的構成）の両方を含む、当技術分野に周知の、電力発生および加速器設計の多くの設計オプションが実装されうる。

２２．熱出力変換は、最適燃焼ユニット設計の一部として用いられてもよい任意の減速物質「ジャケット」の一部として組み込まれるが、燃焼ユニットの露出した放熱フィンの上を流れる高温希ガス交換の処理によって実現されるか、または液体または溶融物冷却が用いられる場合には、その目的のために用いられる限定された回路を通って実現されてもよい。透明な高耐熱負荷性エーロゲル（固体または粒子状）が、機械的堅牢性、圧縮強さ、軽量性、断熱性、および光透過性（これらはエーロゲルおよびエーロゲル複合材の種類の選定に基づいて変化し得る）に与えられるソリューションの一部として、燃焼ユニットおよび機械的付帯設備の構造／熱的要素として用いられてもよい。

２３．しかし、燃料マトリックスの表面の大部分とまではいかなくても、その相当部分は、粒子および光子が燃料体から自由に脱出することになるように成形され、露出されることになる。そのため、燃焼体は、有利に減速物質である、機械的付帯設備の接触点に露出され、低圧希ガス混合物の流動に露出され、必要に応じて、機械的付帯設備の接触点の減速材「パッド」内に吸収されない粒子および光子の統計的に算出された主要脱出経路についての最も容易な経路を提供するために、強制磁場によって遮蔽される。

２４．磁気遮蔽、および電場の戦略的位置を所与として、燃料体の成形も同様に、統計的に算出される平均（ａｖｅｒａｇｅ）粒子脱出経路および平均（ｍｅａｎ）粒子脱出経路に寄与し得る。

２５．通例、システムは、分類され、経路制御されて収集室（単数または複数）の外へ出てきた未処理の「高速」中性子の一定部分が、進路変更され、燃焼ユニットへ「再循環されて」戻ってくる際の、「点火プラグ」としての破砕源によって開始される。中性子流におけるいくらかの不足は、経路制御されて破砕ユニット内へ戻った陽子によって補われる。変換プロセスにおいてその高エネルギーが抽出された熱中性子の一部分も同様に、任意の燃料システムへの調整可能な投入バランスを提供するために、独立したチャネル（単数または複数）としてユニットへ供給される。

２６．核エネルギー燃料サイクルまたはプロセスが上述の基本形式とは異なる、提案されているシステムの他のバージョンでは、必要に応じて、他の供給源から他の粒子および入力が内部へ再循環または循環されてもよい。ただし、全て、直接電磁場間粒子および光子収集、ならびに加速器循環−再循環システムの一部として再循環または循環される。

２７．任意選択的に、保守のために、もしくは「ＳＴＥＭ」が折れた燃焼ユニットの活線保守を可能にするために、または電力網の状況における負荷バランシングの一部として、システムが一時的にオフラインになり得る場合には、シンクロトロンストレージリングを用いて、通常の粒子流の一部または全ての進路を変更し、原子炉によって発生され、収集プロセスによって収集された粒子ストリームのパワーを「蓄積」してもよい。

２８．ＳＴＥＭビームのために必要なくてもよい中性子流のエネルギーをより効率的に捕獲するために、「反転加速器式」誘導発電機システムの代替として、一種の機械的＋「気体プラズマモータ」の形態の半機械的システムが用いられてもよい。

ａ．このシステムでは、反応系によって供給される粒子チャネル内で陽子（およびその他の＋電荷粒子）「プラズマ」体が発生されるか、または代替的に排出チャネルのうちの複数が組み合わせられてもよく、同種の粒子もしくはより複雑な種類の粒子のいずれかは、プラズマピンチ構造内で合体され、この目的のために用いられる独立した封じ込めチャンバ内に実装される。

ｂ．しかし、一般的に、正粒子プラズマ塊、および中性子の慣性エネルギーは、その潜在エネルギーが「プラズマモータプロセス」において消費されるとそのエネルギーおよび粒子容積が更新されるが、（収集室によって供給されるチャネルからの流れによって）駆動され、（従来の発電機システムを駆動する）往復磁気ピストンチャンバ、またはスターリングエンジン式発電機のためのスターリングエンジン式変位面を押し下げる。全ての表面は、透磁性、断熱性、低摩擦セラミックによってコーティングされる。

ｃ．荷電プラズマ塊に加えられるのは、不要であるか、または原子炉へ循環されて戻る中性子ビーム流の慣性エネルギーである。

ｄ．この「ピストン」チャンバの内部に−壁から、および可動ピストンの対向面から−、（電磁石／永久磁石などによって）発生された電磁場が配置される。

ｅ．プラズマ塊＋中性子流は、原子炉供給源から更新され、かくしてそのエネルギーをこの電磁的／機械的変換プロセスにおいて費やす。塊のエネルギーレベルが低下し、それが冷えると、チャンバは排気され、その後、必要に応じて、粒子は粒子循環システム内へ再循環される。

ｆ．プラズマおよび中性子が冷却してチャンバを排気した後、排出チャネルが熱中性子および正粒子を再循環のために分離する。

ｇ．この「中性子ビームプラズマ発電機」全体のうちの「プラズマモータ」部分は、明らかなことであるが、異なる供給源から、目下の全体的なシステム提案の他の要素について示されている仕方とは異なる仕方で、すなわち、原子炉システムの仕方とは異なる仕方でプラズマ体を供給および発生するシステムのために、小型およびコンパクトな形態、ならびにより大きな形態の、より幅広い適用を有する。

ｈ．利用可能な過剰中性子が十分に存在するものの、二重中性子ビーム／プラズマ系の要求が発電設備全体にとって最適でないシステムのための代替的な設計構成オプションとして、低摩擦ピストンシステム内に広がった、高出力であるものの拡散性である中性子ビームのみを用いる（すなわちプラズマ成分を省く）バージョンも提案される。

ｉ．熱効率のよい機械的経路制御システム内で進路変更されなければならない中性子に関して伴う損失がより少なくてすむ別の代替的設計は、最初の燃焼ユニットからの中性子流が進路変更を最小限にとどめられ、実質的に真っ直ぐな経路内に存在し続け、複数の他の原子炉／収集室内に各々逐次投入され、正味の過剰中性子は末端において、直接スターリングエンジンシステム内で用いられるシステムである。

ｊ．代替的に、収集室において、一定割合の機械的表面が、中性子を機械的に反射して供給源へ戻すために２つの目的を兼ねて成形される。

ｋ．代替的に、および好ましくは、収集室表面は、（張力膜システムを介するか、または他の機械的慣性受容面によるかのどちらかによって）実質的に可撓性を有し、高速中性子の流量に合うように共振的に調整される。高速中性子は、壁に反射し、跳ね返ることができ、壁は、機械的に共振する態様で衝突を吸収する。このような共振エネルギーは、電磁誘導発電機デバイスの部分として動作可能に接続される、封じ込めチャンバの反対側の機械的振動部分の機械的伝達を通じて抽出される。機械的振動部分は、多くの構成が当技術分野に知られているものであるか、または将来開発されるものであってもよい。多数の小型誘導発電機またはマイクロ誘導発電機内の磁場の中をアーマチュア／アクチュエータが動き、それにより、電流が誘導される。電流は、集合発電およびシステムの正味の効率的エネルギー変換に加えられる。

ｌ．そして最後に、他のオプションのうちの１つ以上の代わりに、もしくはそれと併用して、および中性子出力のエネルギーレベルに基づいて選択されうるように、（先に開示された、中性子のみのシステムまたは気体プラズマ／中性子併用システムのいずれかにおける、好ましいスターリング式システムとは対照的に）中性子が中間体もしくは中間構造、または大量の気体または液体を加熱し、次に、それがタービンを駆動する、液体／溶融物または気体の、より従来型の熱変換システムが配置されてもよい。

ｍ．（以上で開示された）直接誘導ストリームシステムに比べると効率を失いはするが、それは、ダイナモ型の構成要素を回転させるためだけでなく、機械的仕事が行われることを必要とする大概の機械的動力供給システムに適している。

２９．当技術分野に周知のもの、および出現しつつあるか、もしくは現在（ようやく）再び活気ある分野となったものの将来にもたらされる可能性があるものであるが、ここでは具体的に扱われていない、原子炉設計のあらゆる態様または構成要素は、それらがないからと言って、提示されているスキームだけで十分であると示唆するように意図されているわけではない。むしろ、当業者は、原子炉および発電所設計の細部およびシステム、およびそれに関連する細部およびシステムにおける数多くの変形体の他の典型的構成要素のための相対的意義を理解するであろうと期待される。このような構成要素および事項が、本提案によって包含されるシステムの特質および利点の本質を変えることはない。

３０．このシステムの重要な点は、このシステムは、間接的な「分解された」原子炉段階のプロセスであり、反応生成物が好ましくは燃料塊および燃焼システムからできるだけ効率的かつ迅速に除去され、粒子の熱エネルギーの損失を最小限に抑え、同様に光子の強度もしくは波長ベースのエネルギーの損失をほとんど伴わず、あらゆる原子炉システムの全ての反応生成物のより直接的で効率的な変換を行う、ＡＤ−ＳＣＲシステムの空間的に分離されたバージョンであるという点である。

３１．上述のことから浮かび上がるのは、荷電粒子および中性粒子核分裂生成物、ならびに電磁波／光子核分裂生成物を処理および回収し、それらのエネルギー生成物を効率的な電磁場間エネルギー変換システムおよび慣性質量共振エネルギー変換システムへ経路制御し、その一方で、必要に応じて、余剰核分裂生成物の一部分を再循環させ、必要に応じて、反応ユニットおよび／または破砕源へ戻す能力を有する、インテリジェントなエネルギー収集および回収構造システムの決定的な重要性である。

熱変換から直接粒子／光子・場／波動変換および処理へのシフトの実際的な利益の検討のためには、１９９０年以降に商用加速器製品および設計においてなされた効率向上、ならびにサイズおよびコストの重要な削減、ならびに、ほんの数例を挙げれば、半導体およびナノ材料、バルク材料、計装、宇宙機推進システム、ならびに医療機器の製造のために粒子ビームおよび高強度レーザ（一般に光学プロセスエネルギー）を用いる同類および互恵関係のデバイスおよびプロセスにおける改善に注目することが重要である。

加速器のコスト、効率およびコンパクト性における改善を示すものは、市販品として入手でき、コンパクトな形で利用可能な、イーエムキューブ株式会社（ｅＭ Ｃｕｂｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からのＤＩＳＡＣ分散加速器の効率である。この効率は６０％を超える。つまり、旧来の加速器技術の効率の１０倍である。

この数字は、それだけでも、ルビアの従来の熱／タービンシステム、およびこれから現在派生している他のＡＤ−ＳＣＲ設計の効率よりも大幅に大きいが、本開示の「反転」誘導流ベースの発電機の提案の効率は、これを著しく超えると期待することができる。

さらに、超電導発電に理論上期待されるのと同じほど損失の低い潜在的な光出力分配システムのための、波動／光子放射の捕獲、および自由粒子レーザを介した荷電粒子エネルギーの変換によって、より大きな効率が得られるが、基本となる基準数値は、これを含まないか、または考慮していない。

超低摩擦高速中性子導管および再循環システムは、従来のタービンシステムよりも効率的な任意追加の慣性パワー変換システムとともに、一般的アプローチの説明のためにここで提供されているもの以外の多くの変形体を予見することができ、これらの変形体は、提案されている一般的ソリューションクラスの下に包含される。

一部はＡＤ−ＳＣＲシステムにおける適用のために開発されている小型加速器の並行開発においては、イギリスで開発されているＥＭＭＡ（「多用途の電子モデル（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｍａｎｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」）加速器システムがある。このシステムは、「非スケーリング固定磁場強集束（ｎｏｎ− ｓｃａｌｉｎｇ， ｆｉｘｅｄ−ｆｉｅｌｄ， ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−ｇｒａｄｉｅｎｔ）（ＮＳ−ＦＦＡＧ）加速器」として定義され、２０１１年にＴｈｏｒＥＡ（トリウムエネルギー増幅器学会（Ｔｈｏｒｉｕｍ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）、いくつかのイギリスの大学および研究所からの専門家の連合）の後援を受けて公表された。

連合のタイトルが示すとおり、１９９０年以来、多くのことが変わった。２０１０年に、オスロ、ノルウェーのアケル・ソリューションズ（Ａｋｅｒ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）は、カルロ・ルビアと協働し、その「加速器駆動トリウム原子炉」プログラムの設計段階を終了した。

間接的未臨界炉設計コンセプトにおける原発明の基本前提は、同時にこの「分解された」未臨界設計の結果および自由度としてのものであるが、その原発明の基本前提を継承する、ＡＤ−ＳＣＲの改善されたより効率的なバージョンの全ての構成単位の実用性は、全エネルギーの回収と、従来のタービン熱変換システムよりもはるかに大きなエネルギー変換効率に焦点が当てられている。従来のタービン熱変換システムは、最初のＡＤ−ＳＣＲ「ＳＴＥＭ」が脱出することを特に意図されたウラン核分裂臨界境界原子炉設計の単なる遺物であり、その加工品にすぎない。

ＩＩ．燃料サイクルおよび物質システム、実装：核分裂連鎖おけるより軽く、より一般的で豊富な元素

上述のセクションＩにおいて提案されたはるかにより効率的なエネルギー収集および変換システムおよびオプションに加えて、１９８９／１９９０年に行われ、１９９０年に公表された原発明には、当時、公に開示されず、自明でもなく、示唆もされなかった他の有用な態様が存在する。

最初の、および本開示の、より効率的であるが、より間接的でもあるシステムの重要な点は、このシステムは、それによって、より多種多様な供給原料、特に、トリウムよりもかなり豊富に存在する、より軽い元素、およびそれらの元素の利用を可能にするために、構成上十分な柔軟性を有する点である（ただし、トリウムもウランよりかなり豊富に存在し、そればかりでなく、より安価で、処理がより安全であり、廃棄物の観点からより安全である−さらに、より多くの出力を生み出す）。一方で、ウランは、自然界においてさえ濃度と条件が適切であれば、事実上自発的に原子炉を実現することができるため、ウランを利用する原子炉を設計することはより簡単に思われてもよい（実際簡単であった）ということを理解する限りのことである。それに対して、トリウムは、間接的なアプローチを必要とするが、他の完全に全ての点において優れた結果をもたらす。

それは、ルビアもボウマンもこのより深い洞察を真に理解せず、事実上、最も基本的なバージョンで止まったようであることを示している−しかし、そこで、この思想は、コミュニティに無償で与えられたが、本開示の態様を伴わず、要約された形で与えられたのであったことを理解すれば、掴んだものは単に、原開示から流れた２つの自明で具体的な適用および実施形態であったことはそれほど驚くべきことでもない。

しかし、原発明は、公開した開示をもともとはるかに超えたものであり、それと同様に重要で本質的であった。

続けると、豊富なトリウム鉱床を所有する可能性があると思われる国以外の国は、本開示および１９８９／９０年の原発明のより効率的で柔軟性を有するＡＤ−ＳＣＲ「ＳＴＥＭ」システムのための供給原料として他の元素を調達することができるようになるであろうということが、公開した開示の動機付けともなった、原発明のもともとの目的であった。

質量欠損曲線を「逆行する」につれて他の供給原料に当てはまると想定されうるエネルギー生産性の低下を補うためには、より巧妙で包括的なエネルギー捕獲および回収システムを設計するためのさらなる労力および期間が重要な要素となる。

地球の地殻内、および海中における原子番号による元素の存在量のチャートを核子結合エネルギー曲線に対して重ね合わせてみれば、核分裂プロセスの可能性がある数多くの候補元素の集団が分かるであろう。それらの核分裂プロセスは、実際、具体的に、加速器駆動未臨界炉システムの包括的な本バージョンおよび原バージョンによって可能になる。

加速器によって駆動され、通例、間接的に補助され、「ポンピングされる」システムによる親物質増殖のための候補として、全ての候補をそれらの相対効率について分析することは、本開示の目的ではない。

概して、トリウムと比較したときのトレードオフは以下のものである：

不利点：

１．本開示の同等の効率のエネルギー収集および変換システムを所与とすると、概して、エネルギー生産性がより低いと予想されうる、（ただし、何らかの反応プロセス設計によって他の可能性が明らかになる可能性がある）。

２．いくつかの候補は、核分裂性同位体を増殖するための親物質源として受け入れ可能な候補になりうるが、他のサイクルの核分裂生成物は、少なくとも、さらなるＡＤ−ＳＣＲ式処理を行わなければ、はるかにより長く放射性を有する放射性核分裂生成物を生成する可能性がある。

利点：

１．より安価でより広く入手可能で豊富な物質。

２．核分裂生成物としての、潜在的に価値のある非放射性で比較的より希少な（およびそのため、通例非常に市場性の高い）元素（急速に崩壊する直接核分裂生成物は、「廃棄物」生成物ではなく、価値の高いものになりうる他の元素を生成することとに留意されたい）。これによって、本開示のシステムは、非常に希少な元素のために、その程度まで経済的により効率が高くなり、実質的に、一種の物質合成製造プロセスになりうる。

３．より軽い燃料組成。これは、より容易な処理および取り扱いを促進することができる。

４．他の工業プロセスおよび技術のためにより幅広く処理され、加工されているより一般的な元素は、物質を燃料として使用するために成形および処理することから得られる利益に関係する可能性があり、燃料およびエネルギー生成システムの生産性をそこまで大きく高める、はるかにより深い物質処理の知識および追加的技法をもたらす可能性がある。例として挙げられるのは、ナノスケール粉末および結晶、エアロゾルなどの内における元素の特性のより深い知識である。この知識によって、バルクではなく、ナノスケール組成物の形で、単独またはメタ物質の組み合わせで、中性子衝撃に有利な基材上に準備される、これらの物質の異なる燃料形態および新しいより効率的な設計を提供することができる。

５．まだ親物質増殖の候補であるより一般的でありふれた元素を燃料として使用することから得られうる設計および物質処理の知識をさらに利用する例としては、純元素の形態ではなく、むしろ、より弱い力を利用するか、または「固定」格子内の元素配向の利点を考慮することによってより効率的な核子相互作用を提供するように設計された複合材である、複合燃料の設計を挙げることができる。なお、これは、より効率的な反応プロセスに寄与しうる、よりありふれた物質システムを用いることから得られる付随的な利点のほんの一例である。

６．光子−イオン相互作用の工業的処理における知識の発達は、レーザベースの核融合システムにおいて発達した知識から得られたものを含む、レーザ補助式の方法の潜在的使用などの、反応プロセスおよび原子炉設計の改善方法を切り開く可能性がある。

この比較は、ウランと比較して、トリウムはこのようなシステムの自明な第１の目的ではないことを示唆するためのものではない。これは、原発明者による最初の公開した開示から期待されたことであった。

むしろ、目下の完全なシステムの価値は、トリウムは無論のこと、それに加えて、潜在的に技術的に効率があまり高くないが、正味では潜在的に経済的に競争力がある−もしくは優れている−もののための可能性を切り開き、トリウムを入手できない人たちに、潜在的に広範な元素を利用することが可能な方法およびアプローチを与えるための、そのシステムのより大きな効率にある。

さらに、燃料使用のその柔軟性の他の一面として、別の方法では天然存在度が減少するか、または、採鉱式の採収によってはるかにより高価で、入手が困難になりうる、一部の金属および希土類元素などの、比較的希少な元素を合成するという潜在的価値のある副産物がある。

最後に、本システムのこの重要な特徴は、ひいてはこの効率的収集および回収システムの、核融合への適用を促進する。次に、開示の先の流れからの続きを述べる：

１．それゆえ、この形態のエネルギー収集および変換システムは、核融合炉システムにおいて用いることもできる。この追加の正味の効率向上は、大幅な効率向上を生じさせることによって、核融合システムの正味の「ブレークイーブンポイント」と呼ばれ得るものを著しく変更することができる。

２．それゆえ、提案されている収集および変換方法、構造およびシステムは、このようなシステムの異なる細部に適合された、核融合炉システムの新しいカテゴリを同様に可能にすると同様に理解されてもよい。粒子およびレーザベースのシステムにおける相違は、トカマク型システムよりも少ない。しかし、それでもなお、あらゆる核融合形式のシステムにパターンが適合可能である。

概して、本開示は、１９８９年における完全なシステムの発明、および１９９０年に始まった、今やおなじみとなった基本的加速器駆動システム構成要素の公開の開示以降初めて、その完全なシステムおよび全てのその利点を提示する。これらは、最初の公開の開示が２５年近く前に可能にしたトリウムベースの加速器駆動原子炉の決定的な例をさらに加え、その一方で、燃料の選択肢、希少元素の合成、出力変換方法、および光エネルギー分配ステーションの広い世界を開き、その一方でさらに、核融合出力がブレークイーブンに達し、世界に最新のエネルギー源を供給するべくトリウムおよびその他のＡＤ−ＳＣＲ「ＳＴＥＭ」原子炉システムに加わるためのハードルを下げる可能性を提供する。その最新のエネルギー源は：

・極めて豊富である。

・完全に安全である。

・エネルギーコストを低減するためのその効率および可能性が革命的である。

・大気、陸または海の化学的バランスを変化させない。

・および、それと同時に、我々に非常に多くのものを与え、将来への進路を可能にした、核エネルギーの先駆者たちの色あせた遺産であった放射性廃棄物の消滅への道も提供する。

上述のシステムおよび方法は、本発明の好ましい実施形態の詳細の理解を助けるために、一般用語で説明された。本明細書における説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、構成要素および／または方法の例などの数多くの特定の細部が提供されている。本発明のいくつかの特徴および利点は、このような形態において実現され、全ての場合において要求されるわけではない。しかし、当業者は、本発明の実施形態は、特定の細部のうちの１つ以上を用いずに、あるいは他の装置、システム、アセンブリ、方法、構成要素、物質、部品、および／または同様のものを用いて実施することができることを理解するであろう。他の例では、周知の構造、物質、または動作は、本発明の実施形態の態様を不明瞭にすることを避けるために、具体的に示されていないか、または詳細に説明されていない。

本明細書全体を通じて、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、または「特定の実施形態」への言及は、その実施形態に関して説明されている特定の特徴、構造、または特性は、本発明の少なくとも１つの実施形態内に含まれ、必ずしも全ての実施形態内に含まれるわけではないことを意味する。それゆえ、本明細書全体を通じて様々な箇所における「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）において」、または「特定の実施形態において」という表現の出現は、それぞれ、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、本発明の任意の特定の実施形態の特定の特徴、構造、または特性は、他の実施形態のうちの１つ以上と任意の好適な仕方で組み合わせられてもよい。本明細書における教示を考慮すれば、本明細書において説明され、図示されている本発明の実施形態のその他の変形および変更も可能であり、本発明の趣旨および範囲の一部と見なされるべきであることを理解されたい。

図面／図に示されている要素のうちの１つ以上は、特定の用途において有用となるように、より分離した仕方、もしくはより一体化した仕方で実装するか、あるいはさらには、場合によっては、除去するか、または動作不可能にすることもできることが同様に理解されるであろう。

加えて、図面／図内のすべての信号矢印は、特に断らない限り、例示とのみみなされるべきであり、限定とみなされてはならない。さらに、「または」という用語は、本明細書で使用するとき、別途記載のない限り、一般的に「および／または」を意味することが意図されている。言葉が、分離できることを表現しているのか、それとも組み合わせができることを表現しているのか不明確であると予見される場合には、構成要素またはステップの組み合わせも同じく留意すべきものと見なされることになる。

本明細書における説明において、および後に続く請求項全体を通じて使用するとき、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明確にそうでないと規定しない限り、複数形の言及を含む。同様に、本明細書における説明において、および後に続く請求項全体を通じて使用するとき、「〜における（ｉｎ）」の意味は、文脈が明確にそうでないと規定しない限り、「〜内の（ｉｎ）」および「〜上の（ｏｎ）」を含む。

本発明の例示された実施形態の上述の説明は、要約書内で説明されているものを含めて、網羅的であること、または本明細書において開示されているのと寸分違わない形態に本発明を限定することを意図されていない。本明細書には、本発明の特定の実施形態、および本発明のための例が例示目的のためにのみ説明されているが、当業者が認識し、理解することになるように、種々の等価な変更が本発明の趣旨および範囲内で可能である。前述のとおり、これらの変更は、本発明の例示された実施形態の上述の説明を考慮して本発明に対してなされてもよく、本発明の趣旨および範囲内に含まれるべきである。

それゆえ、本発明は、本明細書においてその特定の実施形態を参照して説明されているが、上述の開示では、修正の自由度、種々の変更および置換が意図されており、場合によっては、本発明の実施形態のいくつかの特徴は、説明されたとおりの本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、他の特徴の対応する利用を伴わずに用いられることは理解されるであろう。したがって、特定の状況または物質を本発明の本質的な範囲および趣旨に適合させるために、多くの修正が行われてもよい。本発明は、添付の請求項において用いられている特定の用語、および／または本発明を実施するために想到される最良の形態として開示されている特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の請求項の範囲内に入るありとあらゆる実施形態および均等物を含むことになることが意図されている。それゆえ、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ決定されるべきである。

Claims (12)

1. 高エネルギー粒子加速器に結合される未臨界炉心を含む加速器駆動未臨界炉を動作させるための方法であり、前記未臨界炉心は、複数の中性子に応じて臨界を達成し、複数の反応生成物を生成する燃料を含み、前記燃料は、封じ込めシステム内に配設される、方法であって、前記方法は、
   ａ）前記封じ込めシステムから複数の異なるクラスの反応生成物を排出するステップ、および、
   ｂ）複数の収集チャネルを用いて前記複数の異なるクラスの反応生成物を捕獲するステップであって、特定の収集チャネルは、特定のクラスの反応生成物に関連付けられ、その関連付けられたクラスの反応生成物を捕獲するために調整される、捕獲するステップ、
   を含む、方法。
2. 前記複数の異なるクラスの反応生成物は、電磁放射線クラス、荷電粒子放射線クラス、中性粒子放射線クラス、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるクラスのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の収集チャネルは、光学的収集チャネル、静電的／磁気的収集チャネル、および機械的収集チャネル、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択されるチャネルのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載の方法。
4. 特定の１つの収集チャネルは、特定の１つの反応生成物に関連付けられ、任意の前記光学的収集チャネルは、任意の電磁放射線クラスに関連付けられ、任意の前記静電的／磁気的収集チャネルは、任意の荷電粒子放射線クラスに関連付けられ、および、任意の前記機械的収集チャネルは、中性粒子放射線クラスに関連付けられる、請求項３に記載の方法。
5. 前記群は、反応生成物のクラスを前記封じ込めシステムへ戻すフィードバックチャネルをさらに含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記群は、反応生成物のクラスを前記封じ込めシステムへ戻すフィードバックチャネルをさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 高エネルギー粒子加速器に結合される未臨界炉心を含む加速器駆動未臨界炉であり、前記未臨界炉心は、複数の中性子に応じて臨界を達成し、複数の反応生成物を生成する燃料を含む、加速器駆動未臨界炉であって、
   ａ）複数の排出チャネルを含む前記燃料のための封じ込めシステムであって、各排出チャネルは、前記燃料からの異なるクラスの反応生成物を排出する、封じ込めシステム、および、
   ｂ）複数の収集チャネルであって、特定の収集チャネルは、特定のクラスの反応生成物に関連付けられ、各々の前記収集チャネルは、その関連付けられたクラスの反応生成物を捕獲するために調整される、複数の収集チャネル、
   を備える、加速器駆動未臨界炉。
8. 前記複数の異なるクラスの反応生成物は、電磁放射線クラス、荷電粒子放射線クラス、中性粒子放射線クラス、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるクラスのうちの１つ以上を含む、請求項７に記載の炉。
9. 前記複数の収集チャネルは、光学的収集チャネル、静電的／磁気的収集チャネル、および機械的収集チャネル、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択されるチャネルのうちの１つ以上を含む、請求項８に記載の炉。
10. 特定の１つの収集チャネルは、特定の１つの反応生成物に関連付けられ、任意の前記光学的収集チャネルは、任意の電磁放射線クラスに関連付けられ、任意の前記静電的／磁気的収集チャネルは、任意の荷電粒子放射線クラスに関連付けられ、および、任意の前記機械的収集チャネルは、中性粒子放射線クラスに関連付けられる、請求項９に記載の炉。
11. 前記群は、反応生成物のクラスを前記封じ込めシステムへ戻すフィードバックチャネルをさらに備える、請求項９に記載の炉。
12. 前記群は、反応生成物のクラスを前記封じ込めシステムへ戻すフィードバックチャネルをさらに備える、請求項１０に記載の炉。

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