KR102052098B1 - Power generation system using proton boron nuclear reaction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 양성자와 붕소 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질로 전달하여 열 에너지로 변환하는 양성자-붕소 반응로; 및 상기 양성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈을 포함한다.The present invention relates to a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, comprising: a proton-boron reactor for inducing a nuclear reaction between protons and boron and transferring energy generated through the nuclear reaction to a medium to convert into thermal energy; And a turbine in which the medium discharged from the proton-boron reactor drives a rotary vane to convert thermal energy into kinetic energy.

Description

양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM USING PROTON BORON NUCLEAR REACTION}Power generation system using proton-boron nuclear reaction {POWER GENERATION SYSTEM USING PROTON BORON NUCLEAR REACTION}

본 발명은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 양성자 발생 장치를 이용한 양성자-붕소 핵반응을 기반으로 방사선 위험이 없는 에너지를 생산할 수 있는 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, and more particularly, to a power generation system capable of producing energy without radiation risk based on a proton-boron nuclear reaction using a proton generating device.

발전 시스템은 자연계에 존재하는 에너지 자원을 기반으로 전기를 생산하는 시스템이다. 이러한 발전 시스템의 주요 에너지원으로 석탄화력 에너지, 원자력 에너지, 신 재생 에너지 등이 사용되고 있다. A power generation system is a system that produces electricity based on the energy resources that exist in nature. Coal-fired energy, nuclear energy, and renewable energy are used as the main energy sources of these power generation systems.

그런데, 석탄화력 에너지의 경우, 자원이 한정적이며 온실 가스 등과 같은 환경 오염이 발생하는 문제가 있다. 원자력 에너지의 경우도, 자원이 한정적이며 방사선 및 방사선 폐기물 등과 같은 환경 오염이 발생하는 문제가 있다. 한편, 신 재생 에너지의 경우, 석탄화력 및 원자력 에너지와 달리, 환경 오염을 발생하지는 않지만, 지역 및 기후 특성에 의존적이며 수요 대응 에너지가 되기 어려운 문제가 있다. 따라서, 자연계에 존재하는 자원이 풍부하면서 환경 오염을 유발하지 않는 새로운 에너지원을 개발할 필요가 있다.However, in the case of coal-fired energy, resources are limited and environmental pollution such as greenhouse gases occurs. In the case of nuclear energy, resources are limited and environmental pollution such as radiation and radioactive waste occurs. On the other hand, in the case of renewable energy, unlike coal-fired and nuclear energy, it does not cause environmental pollution, but there is a problem that is dependent on regional and climatic characteristics and difficult to meet the demand energy. Therefore, there is a need to develop new energy sources that are rich in natural resources and do not cause environmental pollution.

이러한 신규 에너지원으로, 자연계에 널리 존재하는 수소(H)와 붕소(B)를 이용한 양성자-붕소11 핵반응이 고려될 수 있다. 양성자-붕소11 핵반응은 3개의 알파입자와 8.7MeV의 에너지를 발생한다. 일반적으로 알파입자는 방사선으로 취급하지만, 그 투과 능력은 얇은 종이만으로 완벽하게 차폐 가능하므로, 인체의 피폭 측면에서 알파입자의 위험성은 무시할 수 있는 수준이다. 따라서, 양성자-붕소11 핵반응은 핵융합 발전 연구에서 방사선을 최소화할 수 있는 새로운 에너지원으로 고려됐었다. As such a novel energy source, a proton-boron 11 nuclear reaction using hydrogen (H) and boron (B), which are widely present in nature, may be considered. The proton-boron 11 nuclear reaction generates three alpha particles and an energy of 8.7 MeV. In general, alpha particles are treated as radiation, but since their permeability can be completely shielded with only thin paper, the risk of alpha particles in terms of human exposure is negligible. Thus, proton-boron 11 nuclear reactions were considered as a new energy source to minimize radiation in fusion power research.

하지만, 핵융합 발전에서, 양성자-붕소11 반응은 플라즈마 가둠 효과를 악화시키고, 16억 캘빈(K) 이상의 초 고온 환경에서만 핵융합 반응을 유지할 수 있는 심각한 단점을 지니고 있다. 따라서, 이러한 핵융합 발전 방식이 아닌, 양성자-붕소11 핵반응을 유도할 수 있는 새로운 발전 방식이 필요하다.However, in fusion power generation, the proton-boron 11 reaction exacerbates the plasma confinement effect and has a serious disadvantage of maintaining the fusion reaction only in an ultra-high temperature environment of more than 1.6 billion Kelvin (K). Therefore, there is a need for a new power generation method that can induce a proton-boron 11 nuclear reaction rather than such a fusion power generation method.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 양성자 발생 장치를 이용하여 양성자와 붕소 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to solve the above and other problems. Another object is to provide a power generation system that can induce a nuclear reaction between protons and boron by using a proton generating device.

또 다른 목적은 수산화붕소 계열(BxHy)의 물질을 핵반응 연료로 사용하여 양성자와 붕소 간의 연쇄반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to provide a power generation system that can induce a chain reaction between protons and boron by using a material of the boron hydroxide series (B x H y ) as a nuclear reaction fuel.

또 다른 목적은 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클을 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to provide a power generation system that converts energy generated through a proton-boron nuclear reaction into thermal energy and converts thermal energy into electrical energy through a power generation cycle.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 양성자와 붕소 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질로 전달하여 열 에너지로 변환하는 양성자-붕소 반응로; 및 상기 양성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈을 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, a proton-boron reactor for inducing a nuclear reaction between the proton and boron, and transfers the energy generated through the nuclear reaction to the medium to convert into thermal energy; And a turbine for discharging the medium discharged from the proton-boron reactor to drive a rotary blade to convert thermal energy into kinetic energy.

좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템은, 양성자와 붕소 간의 핵반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 발전 시스템은, 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the power generation system further comprises a helium separator for discharging helium gas generated through a nuclear reaction between protons and boron. In addition, the power generation system is connected to the shaft and the turbine drive, and further comprises a generator for converting the kinetic energy received from the turbine into electrical energy.

좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템은, 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 기반으로 양성자-붕소 반응로에 주입할 가스 매질을 압축시키는 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 발전 시스템은, 터빈을 통과한 매질을 냉각하는 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 냉각기의 냉매로 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 초임계 이산화탄소(S-CO2) 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 한다. More preferably, the power generation system further comprises a compressor connected to the turbine and the shaft to rotate, and compresses the gas medium to be injected into the proton-boron reactor based on the kinetic energy received from the turbine. It features. The power generation system may further include a cooler for cooling the medium passing through the turbine. Air, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and the refrigerant of the cooler At least one of supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) is characterized in that it is used.

좀 더 바람직하게는, 상기 양성자-붕소 반응로는 양성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 분포된 매질, 상기 챔버 내에 위치하는 핵반응 연료, 및 상기 핵반응 연료로 양성자 빔을 조사하는 양성자 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the proton-boron reactor is a chamber in which a nuclear reaction between protons and boron takes place, a medium distributed in the chamber, a nuclear reaction fuel located in the chamber, and a proton beam for irradiating a proton beam with the nuclear reaction fuel. Characterized in that it comprises a.

좀 더 바람직하게는, 상기 양성자 발생 장치는 0.1MeV 내지 1MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 핵반응 연료로 조사하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 양성자 발생 장치는 양성자 가속기임을 특징으로 한다. 상기 양성자 가속기는, 수소 원자에서 전자를 분리하는 양성자 검출기, 상기 양성자 검출기에서 검출된 양성자를 고주파를 이용하여 가속하는 원형 가속기, 및 상기 원형 가속기를 통해 가속된 양성자 빔을 상기 챔버 방향으로 조사하는 빔 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the proton generating device is characterized in that the proton beam having an energy of 0.1MeV to 1MeV to irradiate the nuclear reaction fuel. In addition, the proton generating device is characterized in that the proton accelerator. The proton accelerator may include a proton detector for separating electrons from a hydrogen atom, a circular accelerator for accelerating the protons detected by the proton detector using high frequency, and a beam for irradiating the proton beam accelerated through the circular accelerator toward the chamber direction. And a window.

좀 더 바람직하게는, 상기 양성자 발생 장치는 타겟 포일과, 상기 타겟 포일로 초고출력 레이저 빔을 조사하는 하나 이상의 레이저 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 타겟 포일은 핵반응 연료를 코팅하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. More preferably, the proton generating device comprises a target foil and at least one laser device for irradiating an ultra high power laser beam to the target foil. In addition, the target foil is characterized in that it is formed to coat the nuclear reaction fuel.

좀 더 바람직하게는, 상기 핵반응 연료는, 수산화붕소 계열의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 핵반응 연료는, 챔버 내부에 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the nuclear reaction fuel is characterized in that it comprises a boron hydroxide-based compound. In addition, the nuclear reaction fuel, characterized in that disposed in the form of a solid compound or gaseous compound in the chamber.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소 원자에서 전자를 분리하는 양성자 검출기와, 상기 양성자 검출기에서 검출된 양성자를 고주파를 이용하여 가속하는 원형 가속기를 포함하는 양성자 발생 장치; 및 상기 양성자 발생 장치에서 조사된 양성자와 핵반응 연료에 포함된 붕소 간의 원자 핵반응이 이루어지도록 하며, 상기 원자 핵반응을 통해 생성된 에너지가 가스 매질로 전달되도록 하는 챔버를 포함하는 양성자-붕소 반응로를 제공한다.According to another aspect of the present invention, a proton generator including a proton detector for separating electrons from a hydrogen atom, and a circular accelerator for accelerating the protons detected by the proton detector using a high frequency; And a chamber for performing atomic nuclear reaction between the protons irradiated in the proton generating device and boron included in the nuclear reaction fuel, and allowing energy generated through the atomic nuclear reaction to be transferred to the gas medium. do.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 타겟 포일과, 상기 타겟 포일로 초고출력 레이저 빔을 조사하는 하나 이상의 레이저 장치를 포함하는 양성자 발생 장치; 및 상기 양성자 발생 장치에서 조사된 양성자와 핵반응 연료에 포함된 붕소 간의 원자 핵반응이 이루어지도록 하며, 상기 원자 핵반응을 통해 생성된 에너지가 가스 매질로 전달되도록 하는 챔버를 포함하는 양성자-붕소 반응로를 제공한다.According to another aspect of the invention, a proton generating device including a target foil and at least one laser device for irradiating an ultra-high power laser beam to the target foil; And a chamber for performing atomic nuclear reaction between the protons irradiated in the proton generating device and boron included in the nuclear reaction fuel, and allowing energy generated through the atomic nuclear reaction to be transferred to the gas medium. do.

본 발명의 실시 예들에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the effect of the power generation system using a proton-boron nuclear reaction according to embodiments of the present invention.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 열원이 그대로 전달된 가스 매질이 발전 사이클을 반복적으로 순환함으로써, 종래의 발전 시스템에 비해 발전 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 방사선 및 온실 가스 등과 같은 환경 오염의 발생을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, the gas medium in which the heat source generated through the proton-boron nuclear reaction is delivered as it is repeatedly circulated in the power generation cycle, it is possible to significantly improve the power generation efficiency compared to the conventional power generation system In addition, there is an advantage that it is possible to minimize the occurrence of environmental pollution, such as radiation and greenhouse gases.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 기존 원자력 발전소에 비교하여 양성자 발생 장치의 제작이 간단하고, 초기 자본이 적게 들기 때문에 짧은 시간 내에 발전 시스템을 건설할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, there is an advantage that the power generation system can be constructed in a short time because the production of the proton generating device is simple and the initial capital is low compared to the existing nuclear power plant.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 발전 규모가 크지 않고 방사선 차폐를 고려하지 않아도 되기 때문에, 도심이나 오지에도 건설할 수 있고, 설치된 양성자 발생 장치를 발전 용도뿐만 아니라, 치료 목적 및 자연과학 연구 등 다양한 분야에 활용할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, since the power generation scale is not large and radiation shielding does not have to be considered, the proton generating device can be constructed in a city or a remote area, and the installed proton generating device is not only used for power generation, but also for therapeutic purposes and nature. It can be used in various fields such as scientific research.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 수산화붕소 계열(BxHy)을 포함하는 물질을 핵반응 연료로 사용함으로써, 양성자-붕소 핵 반응에 필요한 양성자를 지속적으로 공급할 수 있고, 양성자와 붕소 간의 연쇄반응을 유도할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, by using a material containing a boron hydroxide series (B x H y ) as a nuclear reaction fuel, it is possible to continuously supply protons necessary for the proton-boron nuclear reaction, and There is an advantage that can induce a chain reaction between boron.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effect that the power generation system using the proton-boron nuclear reaction according to the embodiments of the present invention is not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are described in the following description. It will be clearly understood by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2는 양성자와 붕소11 간의 핵반응을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3은 수산화붕소 계열의 핵반응 연료를 이용한 양성자-붕소 연쇄반응을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 7은 레이저와 타겟 포일을 이용하여 양성자를 가속하는 원리를 설명하는 도면;
도 8은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.1 is an overall configuration diagram of a power generation system using a proton-boron nuclear reaction according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram for explaining the nuclear reaction between protons and boron 11; FIG.
3 is a view referred to explain the proton-boron chain reaction using a boron hydroxide-based nuclear reaction fuel;
Figure 4 is a block diagram showing a proton-boron reactor according to an embodiment of the present invention;
5 is a block diagram showing a proton-boron reactor according to another embodiment of the present invention;
Figure 6 is a schematic view showing a proton-boron reactor according to another embodiment of the present invention;
7 illustrates the principle of accelerating protons using a laser and a target foil;
8 is a flow chart illustrating an operating process of a power generation system using a proton-boron nuclear reaction.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the following description of the embodiments disclosed herein, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are intended to facilitate understanding of the embodiments disclosed herein, but are not limited to the technical spirit disclosed herein by the accompanying drawings, all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.

본 발명은 양성자 발생 장치를 이용하여 양성자와 붕소11 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 수산화붕소 계열(BxHy)을 포함하는 물질을 핵반응 연료로 사용하여 양성자와 붕소11 간의 연쇄 반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 양성자-붕소11 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클을 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 제안한다. 이하, 본 명세서에서는, 설명의 편의상, '양성자-붕소11 핵반응'을 '양성자-붕소 핵반응'으로 간략히 지칭하도록 한다.The present invention proposes a power generation system that can induce a nuclear reaction between a proton and boron 11 using a proton generator. In addition, the present invention proposes a power generation system capable of inducing a chain reaction between protons and boron 11 using a material containing a boron hydroxide series (B x H y ) as a nuclear reaction fuel. In addition, the present invention proposes a power generation system that converts energy generated through proton-boron 11 nuclear reaction into thermal energy and converts thermal energy into electrical energy through a power generation cycle. Hereinafter, for convenience of description, the 'proton-boron 11 nuclear reaction' will be briefly referred to as 'proton-boron nuclear reaction'.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a power generation system using a proton-boron nuclear reaction according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템(100, 이하 설명의 편의상, '양성자-붕소 발전 시스템'이라 칭함)은, 양성자-붕소 반응로(110), 터빈(120), 발전기(130), 가스 배출기(140), 냉각기(150) 및 압축기(160) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~160)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a power generation system 100 using a proton-boron nuclear reaction (hereinafter, referred to as a 'proton-boron power generation system' for convenience of description) may include a proton-boron reactor 110, a turbine 120, and a generator ( 130, the gas exhauster 140, the cooler 150, the compressor 160, and the like. On the other hand, although not shown in the drawings, the proton-boron power generation system 100 may further include a control device capable of controlling the overall operation of the devices 110 to 160 constituting the power generation system 100. have.

양성자-붕소 발전 시스템(100)은 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클(power cycle)을 이용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.The proton-boron power generation system 100 may convert energy generated through the proton-boron nuclear reaction into heat energy, and convert heat energy into electric energy using a power cycle.

양성자-붕소 반응로(또는 양성자-붕소 반응기, 110)는 양성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되는 핵반응 연료, 상기 챔버 내에 분산된 열 전달 매질, 미리 결정된 에너지를 갖는 양성자 빔을 생성하는 양성자 발생 장치 등을 포함할 수 있다. The proton-boron reactor (or proton-boron reactor, 110) is a chamber in which a proton-boron nuclear reaction takes place, a nuclear reaction fuel disposed within the chamber, a heat transfer medium dispersed in the chamber, and a proton beam having a predetermined energy. A proton generating device and the like.

양성자-붕소 반응로(110)는 양성자 발생 장치를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 원자 핵반응을 발생시킬 수 있다. 즉, 양성자 발생 장치를 통해 가속된 양성자 빔을 붕소 원자를 포함하는 핵반응 연료에 조사하여 양성자-붕소 핵반응을 유도할 수 있다.The proton-boron reactor 110 may generate an atomic nuclear reaction between the protons p and boron 11 B using a proton generating device. That is, the proton-boron nuclear reaction can be induced by irradiating the proton beam accelerated through the proton generating device to the nuclear reaction fuel containing boron atoms.

양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응은, 아래 화학식에서와 같이, 3개의 알파입자(즉, 헬륨 입자)와 8.7MeV(Mega electron volts)의 에너지를 발생하게 된다. 가령, 도 2에 도시된 바와 같이, 양성자 발생 장치를 통해 입사된 양성자(Proton, 210)는 5개의 양성자(Proton, 221)와 6개의 중성자(Neutron, 223)로 이루어진 붕소 원자(220, 11B)와 충돌하여 핵반응을 일으킨다. 이러한 핵반응의 생성물로 3개의 헬륨 입자(He, 230)와 8.7MeV의 에너지를 발생하게 된다. Nuclear reaction between the proton (p) and boron ( 11 B), as shown in the formula below will generate energy of three alpha particles (ie helium particles) and 8.7 MeV (Mega electron volts). For example, as shown in FIG. 2, the protons (Proton, 210) incident through the proton generator are boron atoms (220, 11 B) consisting of five protons (Proton, 221) and six neutrons (Neutron, 223). ), Causing a nuclear reaction. The product of this nuclear reaction generates three helium particles (He, 230) and energy of 8.7 MeV.

Figure 112017118935010-pat00001
Figure 112017118935010-pat00001

여기서, 알파입자는 방사선으로 취급하지만, 그 투과 능력은 얇은 종이만으로 완벽하게 차폐 가능하므로, 인체의 피폭 측면에서 알파입자의 위험성은 거의 무시할 수 있는 수준이다. 붕소11(11B)은 전체 붕소의 80% 이상을 차지하기 때문에 자연계에 존재하는 자원의 양이 매우 풍부하여, 신규 에너지 자원으로서의 매력이 충분하다.Here, the alpha particles are treated as radiation, but their permeability is completely shielded only by thin paper, so the risk of alpha particles in terms of human exposure is almost negligible. Since boron 11 ( 11B ) accounts for more than 80% of the total boron, the amount of resources present in the natural world is very rich, which is attractive as a new energy source.

양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 양성자 발생 장치는, 양성자 가속기를 이용하여 미리 결정된 에너지를 갖는 양성자를 발생하는 장치와, 레이저 및 타겟 포일을 이용하여 미리 결정된 에너지를 갖는 양성자를 발생하는 장치를 포함할 수 있다.The proton generating device used in the proton-boron power generation system 100 includes a device for generating a proton having a predetermined energy using a proton accelerator, and a device for generating a proton having a predetermined energy using a laser and a target foil. It may include.

양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 핵반응 연료는, 붕소 원자만을 포함하는 물질이거나 혹은 붕소 원자와 다른 원자를 결합한 붕소 화합물일 수 있다. 일 예로, 핵반응 연료는 화학적 안정성이 높고 녹는점도 약 3000도 정도로 높은 BN(Boron Nitride) 화합물일 수 있다. 다른 예로, 핵반응 연료는 수산화붕소 계열(BxHy)의 화합물일 수 있다.The nuclear reaction fuel used in the proton-boron power generation system 100 may be a material containing only boron atoms or a boron compound in which boron atoms and other atoms are combined. For example, the nuclear reaction fuel may be BN (Boron Nitride) compound having high chemical stability and high melting point of about 3000 degrees. As another example, the nuclear reaction fuel may be a boron hydroxide series (B x H y ) compound.

양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 열 전달 매질은, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환할 수 있는 모든 형태의 매질을 포함할 수 있다.The heat transfer medium used in the proton-boron power generation system 100 may include any type of medium capable of absorbing and converting energy generated through proton-boron nuclear reactions into thermal energy.

상기 열 전달 매질로는 초임계 유체가 사용될 수 있다. 초임계 유체는 임계 온도 및 임계 압력을 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리키는 것으로, 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다.Supercritical fluid may be used as the heat transfer medium. A supercritical fluid refers to a fluid at a point in time at which the liquid temperature and the critical pressure cannot be distinguished from each other after reaching a state exceeding the critical temperature and the critical pressure. The density of the molecule is close to the liquid, but the viscosity is low and the gas is close to the gas.

상기 초임계 유체의 일 예로 초임계 이산화탄소(S-CO2)가 사용될 수 있다. 이산화탄소(CO2)는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소(S-CO2)로 된다. 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다. 이러한 초임계 특성으로 인해, 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 열 전달 매질로 사용될 수 있다.As an example of the supercritical fluid, supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) may be used. Carbon dioxide (CO 2 ) becomes supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) at conditions above the critical temperature and the critical pressure. Supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has a high density and a low viscosity. That is, supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has a high density of gas characteristics. Due to these supercritical properties, supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) can be used as the heat transfer medium.

또한, 상기 열 전달 매질로는, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등과 같은 가스 매질이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 한편, 이하 본 명세서에서는, 설명의 편의상, 열 전달 매질로 가스 매질을 사용하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.In addition, as the heat transfer medium, a gas medium such as air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), or the like may be used, but is not limited thereto. Does not. On the other hand, in the present specification, for convenience of description, it will be described by using a gas medium as a heat transfer medium by way of example.

양성자-붕소 반응로(110)는 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 챔버 내에 존재하는 가스 매질에 그대로 전달하여 열 에너지로 변환시킨다. 양성자-붕소 반응로(110)는 열 에너지로 변환된 고온/고압의 가스 매질을 터빈(120)의 입력 단으로 배출하게 된다.The proton-boron reactor 110 transfers the energy generated through the proton-boron nuclear reaction to a gas medium existing in the chamber as it is and converts it into thermal energy. The proton-boron reactor 110 discharges the hot / high pressure gas medium converted into thermal energy to the input stage of the turbine 120.

터빈(120)은 양성자-붕소 반응로(110)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈(120)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. The turbine 120 may be converted into mechanical energy by impulsating or reacting the rotating blades of the turbine 120 while the gas medium of high temperature / high pressure output from the proton-boron reactor 110 expands.

터빈(120)에는, 압축기(160)와 마찬가지로, 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 본 실시 예에서, 상기 터빈(120)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.Like the compressor 160, the turbine 120 has two types, axial flow type and centrifugal type, and its use is divided according to the power generation capacity. In this embodiment, the turbine 120 may be a multi-stage axial flow type is not limited thereto. The basic structure of a multi-stage axial turbine consists of a stator that creates a high speed flow and a rotor that converts it into rotational energy, and extracts rotational energy by gradually expanding and expanding the hot / high pressure gas medium.

터빈(120)을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기(160)에서 가스 매질을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(130)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.The mechanical energy obtained through the turbine 120 is supplied with the energy required to compress the gas medium in the compressor 160, and the rest is supplied with the energy required to produce electricity in the generator 130.

발전기(130)는 터빈(120)과 축(또는 로터(rotor), 170)으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(130)는 터빈(120)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(130)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The generator 130 is connected to the turbine 120 and the shaft (or rotor, 170) to drive the rotation. The generator 130 may produce electricity by converting mechanical energy supplied from the turbine 120 into electrical energy. As the generator 130, any one of a DC generator and an alternator may be used, and more preferably, an alternator may be used.

가스 배출기(또는 헬륨 분리기, 140)는 양성자-붕소 반응로(110) 및 터빈(120)을 통과한 유체(fluid)에서 핵반응 생성 물질만을 분리하여 배출할 수 있다. 여기서, 핵반응 생성 물질은 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 헬륨 가스(He)일 수 있다. 한편, 터빈(120)을 구동하기 위한 가스 매질로 헬륨 가스가 사용되는 경우, 상기 양성자-붕소 발전 시스템(100)은 가스 배출기(140)를 구비하지 않을 수 있다.The gas ejector (or helium separator 140) may separate and discharge only the nuclear reaction product from the fluid passing through the proton-boron reactor 110 and the turbine 120. Here, the nuclear reaction generating material may be helium gas (He) generated through the proton-boron nuclear reaction. Meanwhile, when helium gas is used as the gas medium for driving the turbine 120, the proton-boron power generation system 100 may not include the gas discharger 140.

가스 배출기(140)를 통한 가스 배출 결과, 양성자-붕소 반응로(110)의 출력 단에서 가스 배출기(140)의 입력 단까지의 발전 사이클 상에는 가스 매질과 헬륨 가스를 포함하는 제1 유체가 흐를 수 있고, 가스 배출기(140)의 출력 단에서 양성자-붕소 반응로(110)의 입력 단까지의 발전 사이클 상에는 가스 매질만을 포함하는 제2 유체가 흐를 수 있다. As a result of the gas discharge through the gas discharger 140, a first fluid including gas medium and helium gas may flow on the power generation cycle from the output end of the proton-boron reactor 110 to the input end of the gas discharger 140. In addition, a second fluid including only a gas medium may flow on a power generation cycle from an output end of the gas discharger 140 to an input end of the proton-boron reactor 110.

냉각기(또는 열 교환기, 150)는 터빈(120) 및 가스 배출기(140)를 통과한 고온의 가스 매질을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 냉각기(150)는 터빈(120)의 블레이드 장치를 냉각시키는 기능을 수행할 수도 있다.The cooler (or heat exchanger 150) may function to cool the hot gas medium that has passed through the turbine 120 and the gas exhauster 140. In addition, the cooler 150 may perform a function of cooling the blade device of the turbine 120.

냉각기(150)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 또한, 냉각기(150)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.Air cooling or water cooling may be used as the cooling method of the cooler 150, but is not limited thereto. In addition, as the refrigerant of the cooler 150, air, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) , supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ), etc. may be used, but is not limited thereto. .

냉각기(150)는 십자형 유동 리큐퍼레이터(cross-flow recuperator; 분리된 벽을 통해 냉/온류가 열을 교환) 또는 재생기(regenerator; 열을 흡수하고 배제하는 매트릭스 형태의 구조) 등을 포함할 수 있다.The cooler 150 may include a cross-flow recuperator (cold / hot flow exchanges heat through separate walls) or a regenerator (a matrix structure that absorbs and excludes heat). have.

압축기(160)는 터빈(120)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 냉각기(150)를 통과한 가스 매질을 압축시키고, 압축된 고압의 가스 매질을 양성자-붕소 반응로(110)에 제공할 수 있다.The compressor 160 may compress the gas medium passing through the cooler 150 using the mechanical energy provided by the turbine 120, and provide the compressed high pressure gas medium to the proton-boron reactor 110. .

압축기(160)로는 축류 압축기 또는 원심 압축기 등이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 축류 압축기가 사용될 수 있다. 이때, 압축기(160)는 터빈(120)과 축(또는 로터(rotor), 170)으로 연결되어 회전 구동한다. 압축기(160)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과, 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.As the compressor 160, an axial flow compressor, a centrifugal compressor, or the like may be used. More preferably, the axial flow compressor may be used. At this time, the compressor 160 is connected to the turbine 120 and the shaft (or rotor, 170) to drive the rotation. Compressor 160 may be composed of one or more rotors that rotate to provide energy to the fluid and one or more vanes that decelerate the fluid to raise pressure.

이처럼, 가스 매질은 양성자-붕소 반응로(110), 터빈(120), 발전기(130), 가스 배출기(140), 냉각기(150) 및 압축기(160)를 순차적으로 순환하면서 에너지를 생산하게 된다. As such, the gas medium produces energy while sequentially circulating the proton-boron reactor 110, the turbine 120, the generator 130, the gas exhauster 140, the cooler 150, and the compressor 160.

이상 상술한 바와 같이, 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 열원이 그대로 전달된 가스 매질이 발전 사이클을 반복적으로 순환하는 폐 루프 시스템(Closed Loop System)으로써, 종래의 상용 발전 시스템에 비해 발전 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 방사선 및 온실가스 등과 같은 환경 오염 발생을 최소화할 수 있다.As described above, the power generation system using the proton-boron nuclear reaction is a closed loop system in which a gas medium in which a heat source generated through the proton-boron nuclear reaction is transferred as it is circulates repeatedly in a power generation cycle. Compared to the commercial power generation system, the power generation efficiency can be significantly improved, and the generation of environmental pollution such as radiation and greenhouse gases can be minimized.

또한, 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 기존 원자력 발전소에 비교하여 양성자 발생 장치의 제작이 간단하고, 초기 자본이 적게 들기 때문에 짧은 시간 내에 발전 시스템을 건설할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 발전 규모가 크지 않고 방사선 차폐를 고려하지 않아도 되기 때문에, 도심이나 오지에도 건설할 수 있는 장점이 있고, 기 설치된 양성자 발생 장치를 발전 용도뿐만 아니라, 치료 목적 및 자연과학 연구 등 다양한 분야에 이용할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the power generation system using the proton-boron nuclear reaction has the advantage that the power generation system can be constructed in a short time because the production of the proton generating device is simple and the initial capital is low compared to the existing nuclear power plant. In addition, since the power generation is not large and radiation shielding does not have to be considered, there is an advantage in that it can be constructed in urban areas or remote areas, and the existing proton generating device can be used not only for power generation but also for various fields such as therapeutic purposes and natural science research. There is an advantage that it can.

한편, 양성자 발생 장치를 이용한 양성자-붕소 핵반응에서 발전을 위한 충분한 열에너지를 얻기 위해서는 양성자와 붕소 간의 반응율이 높아야 한다. 상기 반응율을 높이기 위한 가장 중요한 요소는, 붕소 원자와 반응할 수 있는 양성자의 개수가 많아야 한다는 점이다.Meanwhile, in order to obtain sufficient thermal energy for power generation in a proton-boron nuclear reaction using a proton generating device, the reaction rate between protons and boron should be high. The most important factor for increasing the reaction rate is that the number of protons that can react with the boron atoms should be large.

하지만, 상술한 화학식 1에서와 같이, 양성자-붕소 핵반응의 생성물이 양성자가 아니라 알파입자이기 때문에, 양성자-붕소 핵반응 후에는 양성자의 개수가 계속적으로 감소하는 문제가 있다. 또한, 양성자-붕소 핵반응을 일으키기 위한 양성자 에너지가 약 0.6MeV이므로, 양성자 발생 장치를 통해 해당 에너지를 갖는 양성자를 지속적으로 공급하게 되면, 발전 열원으로서의 가치가 떨어지는 문제가 있다.However, as in Formula 1 above, since the product of the proton-boron nuclear reaction is not a proton but an alpha particle, there is a problem that the number of protons continues to decrease after the proton-boron nuclear reaction. In addition, since the proton energy for generating a proton-boron nuclear reaction is about 0.6 MeV, if the protons having the corresponding energy are continuously supplied through the proton generating device, there is a problem that the value as a heat generating power source is lowered.

따라서, 양성자-붕소 핵반응의 생성물인 알파입자를 이용하여 약 0.6MeV의 에너지를 갖는 양성자를 지속적으로 공급할 수 있는 추가적인 반응 메커니즘이 필요하다. 이러한 추가적인 반응 메커니즘을 위해 수산화붕소 계열(BxHy)의 화합물을 핵반응 연료로 사용할 수 있다.Therefore, there is a need for an additional reaction mechanism capable of continuously supplying protons with an energy of about 0.6 MeV using alpha particles, which are the products of proton-boron nuclear reactions. For this additional reaction mechanism, compounds of boron hydroxide series (B x H y ) can be used as nuclear reaction fuel.

도 3은 수산화붕소 계열의 핵반응 연료를 이용한 양성자-붕소 연쇄반응을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.3 is a view referred to explain the proton-boron chain reaction using a boron hydroxide-based nuclear reaction fuel.

본 발명에 따른 양성자-붕소 발전 시스템(100)은 수산화붕소 계열(BxHy)의 화합물을 핵반응 연료로 사용할 수 있다. 상기 양성자-붕소 발전 시스템(100)은 미리 결정된 에너지를 갖는 양성자와 수산화붕소 계열의 핵반응 연료 간에 원자 핵반응을 발생시킬 수 있다.Proton-boron power generation system 100 according to the present invention can use a compound of boron hydroxide series (B x H y ) as a nuclear reaction fuel. The proton-boron power generation system 100 may generate an atomic nuclear reaction between a proton having a predetermined energy and a nuclear fuel of boron hydroxide series.

가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 양성자 발생 장치를 통해 입사된 양성자(proton, 310)가 수산화붕소 계열의 화합물(BxHy, 320)에 존재하는 붕소11 원자와 핵반응을 일으켜 총 8.7MeV의 에너지를 갖는 3개의 헬륨 입자(330)를 발생하게 된다. 상기 3개의 헬륨 입자 중 하나는 3.76MeV의 에너지를 가질 수 있고, 나머지 두 개의 헬륨 입자는 2.46MeV의 에너지를 가질 수 있다.For example, as shown in FIG. 3, protons (proton 310) incident through the proton generating device nuclearly react with boron 11 atoms present in the boron hydroxide-based compound (B x H y , 320), resulting in a total of 8.7 MeV. Three helium particles 330 having an energy of 3 are generated. One of the three helium particles may have an energy of 3.76 MeV, and the other two helium particles may have an energy of 2.46 MeV.

양성자-붕소 핵반응의 생성물인 2MeV 이상의 알파입자들(330)은 인접한 수산화붕소 계열의 화합물(BxHy, 340)과 충돌하여 해당 화합물(340)에 존재하는 수소 원자에 운동량 및 에너지를 전달할 수 있다. 상기 운동량 및 에너지를 전달받은 수소 원자는 수산화붕소 계열의 화합물(340)로부터 이탈되어 1MeV 수준의 에너지를 갖는 양성자(350)로 바뀌게 된다. 이러한 양성자(350)는 다시 인접한 수산화붕소 계열의 화합물(BxHy, 360)에 존재하는 붕소 원자(11B)와 핵반응을 일으켜 총 8.7MeV의 에너지를 갖는 3개의 헬륨 입자(370)를 발생하게 된다.The alpha particles 330 of 2MeV or more, which is a product of the proton-boron nuclear reaction, may collide with adjacent boron hydroxide-based compounds (B x H y , 340) to transfer momentum and energy to hydrogen atoms present in the compound 340. have. The hydrogen atoms that have received the momentum and energy are separated from the boron hydroxide-based compound 340 and converted into protons 350 having an energy of 1MeV level. The proton 350 again undergoes nuclear reaction with the boron atoms 11 B present in adjacent boron hydroxide-based compounds (B x H y , 360) to generate three helium particles 370 having a total energy of 8.7 MeV. Done.

이처럼, 양성자와 수산화붕소 계열의 화합물에 존재하는 붕소 원자 사이의 제1 반응과, 헬륨 입자와 수산화붕소 계열의 화합물에 존재하는 수소 원자 사이의 제2 반응이 랜덤하게 수행됨으로써, 양성자와 붕소 간의 연쇄 반응을 일으키게 된다. 특히, 제2 반응은 양성자-붕소 핵반응에 필요한 양성자를 지속적으로 공급할 수 있다.As such, the first reaction between the protons and the boron atoms present in the boron hydroxide-based compound and the second reaction between the helium particles and the hydrogen atoms present in the boron hydroxide-based compound are randomly performed, thereby resulting in a chain between the protons and boron. Will cause a reaction. In particular, the second reaction can continuously supply the protons required for the proton-boron nuclear reaction.

한편, 양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 핵반응 연료는, 양성자-붕소 반응로(110)의 압력 및 온도 조건에서 고체 형태로 존재하는 수산화붕소 계열의 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 수산화붕소 계열의 화합물은 수소화 붕소나트륨(NaBH4)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.Meanwhile, the nuclear reaction fuel used in the proton-boron power generation system 100 may include a boron hydroxide-based compound present in a solid form under pressure and temperature conditions of the proton-boron reactor 110. For example, the boron hydroxide-based compound may be sodium borohydride (NaBH 4 ), but is not limited thereto.

또한, 양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 핵반응 연료는, 양성자-붕소 반응로(110)의 압력 및 온도 조건에서 기체 형태로 존재하는 수산화붕소 계열의 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 수산화붕소 계열의 화합물은 데카보레인(B10H14)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. In addition, the nuclear reaction fuel used in the proton-boron power generation system 100 may include a boron hydroxide-based compound present in gaseous form under pressure and temperature conditions of the proton-boron reactor 110. For example, the boron hydroxide-based compound may be decabolane (B 10 H 14 ), but is not necessarily limited thereto.

양성자-붕소 반응로(110)는, 양성자 발생 장치의 종류 및 핵반응 연료의 종류 등에 따라 그 구조가 변경되도록 설계할 수 있다. 이하에서는, 다양한 구조를 갖는 양성자-붕소 반응로(110)에 대해 설명하도록 한다.The proton-boron reactor 110 may be designed such that its structure is changed according to the type of proton generating device, the type of nuclear reaction fuel, and the like. Hereinafter, the proton-boron reactor 110 having various structures will be described.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.Figure 4 is a block diagram showing a proton-boron reactor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로(400)는 양성자 가속기와 고체 형태의 핵반응 연료를 이용하여 양성자와 붕소11 간의 핵반응을 발생시킬 수 있다.Referring to FIG. 4, the proton-boron reactor 400 according to an embodiment of the present invention may generate a nuclear reaction between the protons and boron 11 using a proton accelerator and a nuclear fuel in a solid form.

이러한 양성자-붕소 반응로(400)는 양성자 가속기(410), 양성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(420), 챔버(420) 내에 분포된 가스 매질(430) 및 챔버(420) 내에 배치된 고체 형태의 핵반응 연료(440) 등을 포함할 수 있다. The proton-boron reactor 400 includes a proton accelerator 410, a chamber 420 in which the proton-boron nuclear reaction is performed, a gas medium 430 distributed in the chamber 420, and a solid form disposed in the chamber 420. Nuclear reaction fuel 440, and the like.

한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 반응로(400)는, 양성자-붕소 핵반응 시, 챔버(420)의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대를 포함할 수 있다. 또한, 양성자-붕소 반응로(400)는, 챔버 내부로 입사되는 양성자 빔을 골고루 확산시키기 위한 전기장 발생 장치(또는 자기장 발생 장치)를 포함할 수 있다.On the other hand, although not shown in the figure, the proton-boron reactor 400 may include a thermocouple for measuring the internal temperature of the chamber 420 during the proton-boron nuclear reaction. In addition, the proton-boron reactor 400 may include an electric field generator (or magnetic field generator) for evenly spreading the proton beam incident into the chamber.

양성자 가속기(410)는 전기장을 이용하여 양성자를 빛에 가까운 속도로 가속시키는 장치이다. 양성자(proton)는 중성자(Neutron)와 함께 원자핵을 구성하는 소립자의 하나로, 양(+)의 전하를 띠고 있다. 양성자는 그 속도 및/또는 그 에너지에 따라 물질의 성질을 변화시키거나, 혹은 새로운 물질을 생성할 수 있다.Proton accelerator 410 is a device that accelerates the proton at a speed close to the light by using an electric field. Protons are small particles that make up the atomic nucleus together with neutrons and carry a positive charge. Protons can change the properties of a material or produce a new material depending on its speed and / or its energy.

본 실시 예에서, 양성자 가속기(410)는 0.1MeV 내지 10MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 생성할 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 상기 양성자 가속기(410)는 0.1MeV 내지 1MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 생성할 수 있다. 이는 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 반응 단면적이 양성자의 운동 에너지가 0.675MeV일 때 가장 높기 때문이다.In this embodiment, the proton accelerator 410 may generate a proton beam having an energy of 0.1 MeV to 10MeV. More preferably, the proton accelerator 410 may generate a proton beam having an energy of 0.1 MeV to 1MeV. This is because the reaction cross-sectional area between proton (p) and boron ( 11 B) is the highest when the kinetic energy of the proton is 0.675 MeV.

양성자 가속기(410)는 챔버(420)와 연결되도록 구성할 수 있으며, 양성자 검출기(411), 원형 가속기(413) 및 빔 윈도우(415) 등을 포함할 수 있다. 양성자 검출기(411)는 전기 방전을 이용하여 수소 원자(H)를 양성자(proton)와 전자(electron)로 분리하고, 전기장을 이용하여 양성자를 검출할 수 있다. 원형 가속기(413)는 양성자 검출기(411)에서 검출된 양성자를 고주파를 이용하여 빛에 가까운 속도까지 가속시킬 수 있다. 빔 윈도우(415)는 원형 가속기(413)를 통해 가속된 양성자 빔을 챔버(420) 내부로 조사할 수 있다.The proton accelerator 410 may be configured to be connected to the chamber 420, and may include a proton detector 411, a circular accelerator 413, a beam window 415, and the like. The proton detector 411 may separate the hydrogen atom H into protons and electrons by using an electric discharge, and detect protons by using an electric field. The circular accelerator 413 may accelerate the protons detected by the proton detector 411 to a speed close to light using high frequency. The beam window 415 may irradiate the proton beam accelerated through the circular accelerator 413 into the chamber 420.

한편, 본 실시 예에서는, 원형 가속기(413)를 통해 양성자를 가속하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 원형 가속기 대신 선형 가속기를 사용할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 상대적으로 낮은 에너지를 갖는 양성자를 가속하기 위해서는 원형 가속기를 사용하는 것이 바람직하고, 상대적으로 높은 에너지를 갖는 양성자를 가속하기 위해서는 선형 가속기를 사용하는 것이 바람직하다. On the other hand, in the present embodiment, but is illustrated to accelerate the proton through the circular accelerator 413, it will be apparent to those skilled in the art that a linear accelerator can be used instead of the circular accelerator. It is preferable to use a circular accelerator to accelerate the protons having a relatively low energy, and to use a linear accelerator to accelerate the protons having a relatively high energy.

양성자 가속기(410)로 인가되는 전원이 차단되면, 양성자 가속기(410)에서 양성자 빔이 더 이상 조사되지 않고, 그에 따라 양성자-붕소 반응로(400)에서 일어나는 양성자-붕소 핵반응이 중지하게 된다. 따라서, 예상치 못한 사고가 발생하거나 긴급 정지가 필요한 경우, 양성자 가속기(410)의 동작을 정지함으로써, 발전 시스템에서의 열원 발생을 안전하게 정지시킬 수 있다.When the power applied to the proton accelerator 410 is cut off, the proton beam is no longer irradiated from the proton accelerator 410, thereby stopping the proton-boron nuclear reaction occurring in the proton-boron reactor 400. Accordingly, when an unexpected accident occurs or an emergency stop is required, the operation of the proton accelerator 410 may be stopped, thereby safely stopping the generation of a heat source in the power generation system.

챔버(420)는 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(420)는 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파입자를 완벽하게 차폐하면서, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 챔버(420)의 재질로는 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 스테인리스 강(stainless steel) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.Chamber 420 is a reactor in which a nuclear reaction between protons p and boron 11 B occurs. The chamber 420 may be formed of a material capable of withstanding the energy generated through the proton-boron nuclear reaction while completely shielding the alpha particles generated through the proton-boron nuclear reaction. At this time, the material of the chamber 420 may be used iron (Fe), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), tungsten (W), stainless steel or alloys thereof. It is not necessarily limited thereto.

챔버(420)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 양성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서는, 상기 챔버(420)의 형상이 원통 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.The chamber 420 may be configured in various three-dimensional shapes suitable for proton-boron nuclear reactions, such as polyhedron shape, cylindrical shape, spherical shape, dome shape, and the like. In the present embodiment, it will be described on the assumption that the shape of the chamber 420 is a cylindrical shape.

챔버(420)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(430)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(420)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(430)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(420)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(420)의 좌측 상단에 배치되고, 챔버(420)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(420)의 우측 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다. The chamber 420 may be configured to be connected to a compressor (not shown), and may receive a gas medium 430 from the compressor. In addition, the chamber 420 may be configured to be connected to a turbine (not shown), and may discharge the gas medium 430 converted into thermal energy to the turbine. In this embodiment, a gas discharge pipe connecting the chamber 420 and the turbine is disposed on the upper left side of the chamber 420, and a gas input pipe connecting the chamber 420 and the compressor is the right side of the chamber 420. Illustrated at the bottom, but is not limited thereto.

가스 매질(430)은, 열 전달 매질로서, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수할 수 있다. 상기 가스 매질(430)로는 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.The gas medium 430, as a heat transfer medium, may absorb energy generated through proton-boron nucleation. As the gas medium 430, air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), or the like may be used, but is not limited thereto.

핵반응 연료(440)는, 양성자-붕소 반응로(400)의 온도 및 압력 조건에서 고체 형태를 갖는 물질로서, 대표적으로 수소화 붕소나트륨(NaBH4)이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The nuclear reaction fuel 440 is a material having a solid form at the temperature and pressure conditions of the proton-boron reactor 400, and typically, sodium borohydride (NaBH 4 ) may be used, but is not necessarily limited thereto.

상기 핵반응 연료(440)는 챔버(420)의 내 측면 상에 미리 결정된 형태로 코팅될 수 있다. 일 예로, 원 모양으로 코딩된 핵반응 연료(440)가 챔버(420)의 길이 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 핵반응 연료(440)는 챔버(420) 내에 설치된 열전대 또는 연료 거치 장치 등에 배치될 수 있다.The nuclear reaction fuel 440 may be coated in a predetermined form on the inner side of the chamber 420. For example, the nuclear reaction fuel 440 coded in a circular shape may be arranged in a line along the length direction of the chamber 420. Meanwhile, in another embodiment, the nuclear reaction fuel 440 may be disposed in a thermocouple or a fuel mounting device installed in the chamber 420.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.5 is a block diagram showing a proton-boron reactor according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로(500)는 양성자 가속기와 기체 형태의 핵반응 연료를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응을 발생시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, the proton-boron reactor 500 according to another embodiment of the present invention may generate a nuclear reaction between the protons p and boron 11 B by using a proton accelerator and a gaseous nuclear fuel. have.

이러한 양성자-붕소 반응로(500)는 양성자 가속기(510), 양성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(520), 챔버(520) 내에 분포된 가스 매질(530) 및 챔버(520)로 기체 형태의 핵반응 연료를 주입하는 연료 공급 장치(540), 챔버(520) 내에 존재하는 기체 형태의 핵반응 연료(550) 등을 포함할 수 있다.The proton-boron reactor 500 includes a proton accelerator 510, a chamber 520 in which a proton-boron nuclear reaction is performed, a gas medium 530 and a chamber 520 distributed in the chamber 520, and a gaseous nuclear reaction fuel. It may include a fuel supply device 540 for injecting, nuclear reaction fuel 550 in the form of gas present in the chamber 520, and the like.

마찬가지로, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 반응로(500)는, 양성자-붕소 핵반응 시, 챔버(520)의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대를 포함할 수 있다. 또한, 양성자-붕소 반응로(500)는, 챔버 내부로 입사되는 양성자 빔을 골고루 확산시키기 위한 전기장 발생 장치(또는 자기장 발생 장치)를 포함할 수 있다. 또한, 양성자-붕소 반응로(500)는, 챔버 내부로 주입되는 기체 형태의 핵반응 연료를 전체적으로 확산시키기 위한 기체 확산 장치를 포함할 수 있다.Likewise, although not shown in the figure, the proton-boron reactor 500 may include a thermocouple for measuring the internal temperature of the chamber 520 during the proton-boron nuclear reaction. In addition, the proton-boron reactor 500 may include an electric field generating device (or magnetic field generating device) for evenly spreading the proton beam incident into the chamber. In addition, the proton-boron reactor 500 may include a gas diffusion device for totally diffusing the nuclear reaction fuel in the form of gas injected into the chamber.

한편, 이하 본 실시 예에서는, 도 4에서 설명한 양성자-붕소 반응로(400)의 구성 요소들(410~440)과 동일 또는 유사한 구성 요소들(510~550)에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.Meanwhile, in the following exemplary embodiment, detailed descriptions of components 510 to 550 that are the same as or similar to those of components 410 to 440 of the proton-boron reactor 400 described with reference to FIG. 4 will be omitted.

양성자 가속기(510)는 챔버(520)와 연결되도록 구성할 수 있으며, 양성자 검출기(511), 원형 가속기(513) 및 빔 윈도우(515) 등을 포함할 수 있다. 양성자 검출기(511)는 전기 방전을 이용하여 수소 원자(H)를 양성자(proton)와 전자(electron)로 분리하고, 전기장을 이용하여 양성자를 검출할 수 있다. 원형 가속기(513)는 양성자 검출기(511)에서 검출된 양성자를 고주파를 이용하여 빛에 가까운 속도까지 가속시킬 수 있다. 빔 윈도우(515)는 원형 가속기(513)를 통해 가속된 양성자 빔을 챔버(520) 내부로 조사할 수 있다.The proton accelerator 510 may be configured to be connected to the chamber 520, and may include a proton detector 511, a circular accelerator 513, a beam window 515, and the like. The proton detector 511 may separate the hydrogen atom H into protons and electrons by using an electric discharge, and detect protons by using an electric field. The circular accelerator 513 may accelerate the protons detected by the proton detector 511 to a speed close to light using high frequency. The beam window 515 may irradiate the proton beam accelerated through the circular accelerator 513 into the chamber 520.

챔버(520)는 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(520)는 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파입자를 완벽하게 차폐하면서, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. The chamber 520 is a reactor in which a nuclear reaction between protons p and boron 11 B occurs. The chamber 520 may be formed of a material capable of withstanding the energy generated through the proton-boron nuclear reaction while completely shielding the alpha particles generated through the proton-boron nuclear reaction.

챔버(520)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 양성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서는, 상기 챔버(520)의 형상이 구 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.The chamber 520 may be configured in various three-dimensional shapes suitable for proton-boron nuclear reactions, such as polyhedron shape, cylindrical shape, spherical shape, dome shape, and the like. In the present embodiment, it will be described on the assumption that the shape of the chamber 520 is a spherical shape.

챔버(520)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(530)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(520)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(530)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(520)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(520)의 상단에 배치되고, 챔버(520)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(520)의 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다.The chamber 520 may be configured to be connected to a compressor (not shown), and may receive a gas medium 530 from the compressor. In addition, the chamber 520 may be configured to be connected to a turbine (not shown), and may discharge the gas medium 530 converted into thermal energy to the turbine. In this embodiment, a gas discharge pipe connecting the chamber 520 and the turbine is disposed at the upper end of the chamber 520, and a gas input pipe connecting the chamber 520 and the compressor is provided at the lower end of the chamber 520. The arrangement is illustrated, but is not limited thereto.

가스 매질(530)은, 챔버(520) 내에 분포되는 열 전달 매질로서, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.The gas medium 530 is a heat transfer medium distributed in the chamber 520 and includes air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), and the like. It may be used, but not limited to.

연료 공급 장치(540)는 기체 형태의 핵반응 연료(550)를 저장할 수 있고, 제어 장치(미도시)의 제어 명령에 따라 핵반응 연료(550)를 챔버(520) 내로 주입할 수 있다. 이때, 연료 공급 장치(540)는 가스관을 통해 챔버(520)와 연결되도록 구성할 수 있다.The fuel supply device 540 may store the nuclear reaction fuel 550 in gaseous form, and inject the nuclear reaction fuel 550 into the chamber 520 according to a control command of a control device (not shown). In this case, the fuel supply device 540 may be configured to be connected to the chamber 520 through a gas pipe.

핵반응 연료(550)는, 양성자-붕소 반응로(500)의 온도 및 압력 조건에서 기체 형태를 갖는 물질로서, 대표적으로 데카보레인(B10H14)이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 핵반응 연료(550)는 챔버(520) 내부에서 균일하게 분포될 수 있으며, 상기 챔버(520) 내부로 입사되는 양성자 빔과 충돌하여 양성자-붕소 핵반응을 일으키게 된다.The nuclear reaction fuel 550 is a material having a gaseous form at the temperature and pressure conditions of the proton-boron reactor 500, and typically, decaborain (B 10 H 14 ) may be used, but is not limited thereto. The nuclear reaction fuel 550 may be uniformly distributed in the chamber 520 and collide with the proton beam incident into the chamber 520 to cause a proton-boron nuclear reaction.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.6 is a block diagram showing a proton-boron reactor according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로(600)는 레이저(laser)와 타겟 포일(target foil)을 이용하여 양성자를 가속하고, 가속된 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응을 발생시킬 수 있다.Referring to FIG. 6, the proton-boron reactor 600 according to another embodiment of the present invention accelerates protons using a laser and a target foil, and accelerates protons p and It can generate a nuclear reaction between boron ( 11 B).

이러한 양성자-붕소 반응로(600)는 하나 이상의 레이저 장치들(610), 양성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(620), 상기 챔버(620) 내에 분포된 가스 매질(630) 및 상기 챔버(620)의 중앙에 배치된 핵반응 연료(640) 및 상기 핵반응 연료에 코팅된 타겟 포일(또는 금속 포일, 650) 등을 포함할 수 있다.The proton-boron reactor 600 may include one or more laser devices 610, a chamber 620 in which a proton-boron nuclear reaction occurs, a gas medium 630 distributed in the chamber 620, and the chamber 620. A nuclear reaction fuel 640 disposed in the center and a target foil (or metal foil, 650) coated on the nuclear reaction fuel may be included.

한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 반응로(600)는, 양성자-붕소 핵반응 시, 챔버(620)의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대를 포함할 수 있다. 또한, 양성자-붕소 반응로(600)는, 핵반응 연료(640)를 챔버(620) 중앙에 배치하기 위한 지지 장치를 포함할 수 있다. Although not shown in the drawing, the proton-boron reactor 600 may include a thermocouple for measuring the internal temperature of the chamber 620 during the proton-boron nuclear reaction. In addition, the proton-boron reactor 600 may include a support device for placing the nuclear reaction fuel 640 in the center of the chamber 620.

또한, 양성자-붕소 반응로(600)는, 챔버(620) 중앙에 배치된 핵반응 연료(640)를 회전하기 위한 회전 장치를 추가로 포함할 수 있다. 이는 타겟 포일(650)이 코팅된 핵반응 연료(640)의 바깥쪽 면에 레이저 빔이 골고루 조사되도록 하기 위함이다.In addition, the proton-boron reactor 600 may further include a rotating device for rotating the nuclear reaction fuel 640 disposed in the center of the chamber 620. This is to ensure that the laser beam is evenly irradiated on the outer surface of the nuclear reaction fuel 640 coated with the target foil 650.

복수의 레이저 장치들(610)은 챔버(620)의 내 측면에 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 이는 고출력 레이저 빔의 모멘텀에 의해 핵반응 연료(640)가 뒤로 밀려나기 때문에, 레이저 장치들(610)을 360도 방향으로 설치함으로써 모든 방향의 모멘텀을 상쇄하여 핵반응 연료(640)의 움직임을 없애기 위함이다.The plurality of laser devices 610 may be disposed at regular intervals on an inner side surface of the chamber 620. This is because the nuclear reaction fuel 640 is pushed backward by the momentum of the high power laser beam, so that the laser devices 610 are installed in a 360 degree direction to cancel the movement of the nuclear reaction fuel 640 by offsetting the momentum in all directions. .

또한, 복수의 레이저 장치들(610)은 챔버(620)의 내 측면을 따라 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 이는 레이저 장치들(610)이 타겟 포일(650)이 코팅된 핵반응 연료(640)의 바깥쪽 면에 레이저 빔을 골고루 조사하기 위함이다.In addition, the plurality of laser devices 610 may be configured to be rotatable along an inner side surface of the chamber 620. This is because the laser devices 610 evenly irradiate the laser beam to the outer surface of the nuclear reaction fuel 640 coated with the target foil 650.

복수의 레이저 장치들(610)은 1020 W/㎠ 이상의 레이저 빔을 타겟 포일(650)로 집중하여 조사할 수 있다. 상기 레이저 장치(610)에서 집중 조사되는 레이저 빔에 의해, 상기 타겟 포일(650)은 100keV 내지 10MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 발생할 수 있다. 좀 더 바람직하게는, 0.1MeV 내지 1MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 발생할 수 있다.The plurality of laser devices 610 may concentrate and irradiate a laser beam of 10 20 W / cm 2 or more onto the target foil 650. By the laser beam focused on the laser device 610, the target foil 650 may generate a proton beam having an energy of about 100 keV to about 10 MeV. More preferably, it may generate a proton beam having an energy of 0.1 MeV to 1MeV.

도 7은 레이저와 타겟 포일을 이용하여 양성자를 가속하는 원리를 설명하는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 장치(710)에서 고출력 레이저 펄스를 타겟 포일(Hydrocarbon 혹은 H2O를 포함한 중이온, 720)에 조사하면, 높은 레이저 펄스가 타겟 포일(720)에 집중되고 이로 인해 타겟 포일(720)의 전자와 레이저가 반응하여 타겟 포일(720)의 뒤쪽에 전자구름이 모이게 된다. 또한, 타깃 포일(720)의 전자가 뒤로 밀려남으로 인해 타겟 포일(720)의 일부분은 플라즈마를 형성하게 된다. 이렇게 모인 전자구름과 플라즈마 혹은 타겟 포일(720) 사이에는 강력한 전기장과 진공이 형성되며, 이로 인해 Hydrocarbon 혹은 H2O에 있는 수소 플라즈마가 가속되어 높은 에너지를 갖는 양성자 이온을 형성하게 된다.7 is a diagram illustrating a principle of accelerating protons using a laser and a target foil. As shown in FIG. 7, when the laser device 710 irradiates a high power laser pulse to a target foil (heavy ion including 720 or H 2 O), a high laser pulse is concentrated on the target foil 720, The electrons of the target foil 720 and the laser react to collect electron clouds behind the target foil 720. In addition, as the electrons of the target foil 720 are pushed backward, a portion of the target foil 720 forms a plasma. A strong electric field and a vacuum are formed between the collected electron clouds and the plasma or target foil 720, thereby accelerating the hydrogen plasma in the hydrocarbon or H 2 O to form proton ions having high energy.

이러한 레이저 및 타겟 포일을 이용한 양성자 가속 방법은, 양성자 가속기를 이용한 양성자 가속 방법에 비해 시설 규모 및 비용 측면에 있어 큰 이점을 지니고 있다.The proton acceleration method using the laser and the target foil has a great advantage in terms of facility size and cost compared to the proton acceleration method using the proton accelerator.

다시 도 6을 참조하면, 복수의 레이저 장치(610)로 인가되는 전원이 차단되면, 상기 레이저 장치(610)에서 고출력 레이저 빔이 더 이상 조사되지 않고, 그에 따라 양성자-붕소 반응로(600)에서 일어나는 양성자-붕소 핵반응이 중지하게 된다. 따라서, 예상치 못한 사고가 발생하거나 긴급 정지가 필요한 경우, 레이저 장치(610)의 동작을 정지함으로써, 발전 시스템에서의 열원 발생을 안전하게 정지시킬 수 있다.Referring back to FIG. 6, when the power applied to the plurality of laser devices 610 is cut off, the high power laser beam is no longer irradiated from the laser device 610, and thus in the proton-boron reactor 600. The proton-boron nuclear reaction that takes place is stopped. Accordingly, when an unexpected accident occurs or an emergency stop is required, the operation of the laser device 610 may be stopped to safely stop the generation of a heat source in the power generation system.

챔버(620)는 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(620)는 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파입자를 완벽하게 차폐하면서, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 챔버(620)의 재질로는 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 스테인리스 강(stainless steel) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.Chamber 620 is a reactor in which a nuclear reaction between protons p and boron 11 B occurs. The chamber 620 may be formed of a material capable of withstanding the energy generated through the proton-boron nuclear reaction while completely shielding the alpha particles generated through the proton-boron nuclear reaction. In this case, as the material of the chamber 620, iron (Fe), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), tungsten (W), stainless steel or alloys thereof may be used. It is not necessarily limited thereto.

챔버(620)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 양성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서는, 상기 챔버(620)의 형상이 구 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.The chamber 620 may be configured in various three-dimensional shapes suitable for proton-boron nuclear reactions, such as polyhedron shape, cylindrical shape, spherical shape, dome shape, and the like. In the present embodiment, it will be described on the assumption that the shape of the chamber 620 is a spherical shape.

챔버(620)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(630)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(620)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(630)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(620)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(620)의 우측 상단에 배치되고, 챔버(620)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(620)의 좌측 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다. The chamber 620 may be configured to be connected to a compressor (not shown), and may receive a gas medium 630 from the compressor. In addition, the chamber 620 may be configured to be connected to a turbine (not shown), and may discharge the gas medium 630 converted into thermal energy to the turbine. In this embodiment, a gas discharge pipe connecting the chamber 620 and the turbine is disposed on the upper right side of the chamber 620, and a gas input pipe connecting the chamber 620 and the compressor is on the left side of the chamber 620. Illustrated at the bottom, but is not limited thereto.

가스 매질(630)은 챔버(620) 내에 분포되는 열 전달 매질로서, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.The gas medium 630 is a heat transfer medium distributed in the chamber 620, and air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), etc. may be used. May be, but is not limited to.

핵반응 연료(640)는, 양성자-붕소 반응로(600)의 온도 및 압력 조건에서 고체 형태를 갖는 물질로서, 대표적으로 수소화 붕소나트륨(NaBH4)이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The nuclear reaction fuel 640 is a material having a solid form at the temperature and pressure conditions of the proton-boron reactor 600, typically sodium borohydride (NaBH 4 ) may be used, but is not necessarily limited thereto.

타겟 포일(650)은 핵반응 연료(640)의 바깥 면을 얇게 코팅하도록 형성될 수 있다. 상기 타겟 포일(650)은 원자 번호가 높은 금속 포일로서, 세슘(Cs), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 타겟 포일(650)은 탄화수소(Hydrocarbon) 혹은 물(H2O) 등을 포함할 수 있다.The target foil 650 may be formed to thinly coat the outer surface of the nuclear fuel 640. The target foil 650 is a metal foil having a high atomic number, and cesium (Cs), barium (Ba), radium (Ra), tungsten (W) or titanium (Ti) may be used, but is not limited thereto. In addition, the target foil 650 may include a hydrocarbon or water (H 2 O).

도 8은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.8 is a flowchart illustrating an operating process of a power generation system using a proton-boron nuclear reaction.

도 8을 참조하면, 양성자-붕소 발전 시스템은, 폐 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 양성자 붕소 반응로, 터빈, 발전기, 가스 배출기, 냉각기, 압축기 및 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제어 장치는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 8, the proton-boron power generation system is a power generation system having a closed loop cycle, and may include a proton boron reactor, a turbine, a generator, a gas exhauster, a cooler, a compressor, a control device, and the like. have. In the present embodiment, the control device can control the overall operation of the power generation system using a proton-boron nuclear reaction.

양성자 붕소 반응로에 핵반응 연료의 주입이 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 양성자-붕소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S810).When the injection of the nuclear reaction fuel into the proton boron reactor is completed, the control device may start the operation of the proton-boron power generation system according to a control command of the system operator (S810).

먼저, 압축기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 양성자 붕소 반응로에 주입될 가스 매질을 압축할 수 있다(S820). 이때, 양성자 붕소 반응로에 주입되는 가스 매질로는, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.First, the compressor may compress the gas medium to be injected into the proton boron reactor according to the control command of the controller (S820). In this case, as a gas medium injected into the proton boron reactor, air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), and the like may be used. It doesn't work.

양성자 발생 장치는, 제어 장치의 제어 명령에 따라 양성자 빔을 생성할 수 있고, 상기 생성된 양성자 빔을 챔버 내에 위치하는 핵반응 연료로 조사할 수 있다(S830). 이때, 상기 핵반응 연료는 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 챔버 내부에 존재할 수 있다.The proton generating device may generate a proton beam according to a control command of the control device, and may irradiate the generated proton beam with a nuclear reaction fuel located in the chamber (S830). In this case, the nuclear reaction fuel may be present in the chamber in the form of a solid compound or a gas compound.

양성자 발생 장치에서 조사된 양성자 빔은 붕소 원자(11B)와 충돌하여 원자핵반응이 양성자 붕소 반응로에서 발생할 수 있다(S840). 양성자-붕소 핵반응은 3개의 알파입자와 8.7MeV의 에너지를 발생하게 된다. 양성자-붕소 핵반응에서 발생하는 8.7MeV의 에너지는 챔버 내의 가스 매질에 그대로 전달되어 열 에너지로 변환된다.The proton beam irradiated from the proton generating device collides with the boron atom ( 11 B), and an atomic nucleus reaction may occur in the proton boron reactor (S840). The proton-boron nuclear reaction generates three alpha particles and an energy of 8.7 MeV. The energy of 8.7MeV from the proton-boron nuclear reaction is transferred to the gas medium in the chamber and converted into thermal energy.

터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 양성자 붕소 반응로에서 배출된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S850). 터빈을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기에서 가스 매질을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.According to the control command of the control device, the turbine may be converted into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotor blades of the turbine while expanding the hot / high pressure gas medium discharged from the proton boron reactor (S850). The mechanical energy obtained through the turbine is supplied by the compressor with the energy required to compress the gas medium, with the remainder supplied by the generator with the energy needed to produce electricity.

발전기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 상기 터빈에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기가 직류 발전기인 경우, 직류 전원을 생산할 수 있고, 상기 발전기가 교류 발전기인 경우, 교류 전원을 생산할 수 있다. The generator may produce electricity by converting mechanical energy supplied from the turbine into electrical energy according to a control command of the control device. When the generator is a direct current generator, it is possible to produce a direct current power, and when the generator is an alternator, it may produce an alternating current power.

가스 배출기(또는 헬륨 분리기)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 양성자-붕소 반응로 및 터빈을 통과한 유체(fluid)에서 헬륨 가스만을 분리하여 배출할 수 있다(S860).The gas discharger (or helium separator) may separate and discharge only helium gas from the fluid passing through the proton-boron reactor and the turbine according to a control command of the control device (S860).

냉각기(또는 열 교환기)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 터빈 및 가스 배출기를 통과한 고온의 가스 매질을 냉각시킬 수 있다. 또한, 냉각기는 터빈의 블레이드 장치를 냉각시킬 수 있다(S870).The cooler (or heat exchanger) may cool the hot gas medium that has passed through the turbine and the gas discharger, in accordance with control commands from the control device. In addition, the cooler may cool the blade device of the turbine (S870).

이후, 제어 장치는, 시스템 운영자의 제어 명령에 따라 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지, 상술한 820 단계 내지 870 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다.Thereafter, the control device may repeatedly perform the operations of steps 820 to 870 until the operation of the power generation system is terminated according to the control command of the system operator.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

100: 양성자-붕소 발전 시스템 110: 양성자 붕소 반응로
120: 터빈 130: 발전기
140: 가스 배출기 150: 냉각기
160: 압축기100: proton-boron power generation system 110: proton boron reactor
120: turbine 130: generator
140: gas exhauster 150: cooler
160: compressor

Claims (17)

양성자와 붕소 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질(medium)로 전달하여 열 에너지로 변환하는 양성자-붕소 반응로; 및
상기 양성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈;을 포함하고,
상기 양성자-붕소 반응로는 수산화붕소(BxHy) 계열의 화합물을 핵반응 연료로 사용하여 양성자-붕소 연쇄 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.A proton-boron reactor for inducing a nuclear reaction between protons and boron and transferring the energy generated through the nuclear reaction to a medium to convert it into thermal energy; And
And a turbine for discharging the medium discharged from the proton-boron reactor to convert thermal energy into kinetic energy by driving a rotary vane.
The proton-boron reaction system is a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that inducing a proton-boron chain reaction using a boron hydroxide (B x H y ) series of compounds as a nuclear fuel. 제1항에 있어서,
상기 양성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1,
And a helium separator for discharging the helium gas generated through the nuclear reaction between the protons and boron. 제1항에 있어서,
상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1,
It is connected to the turbine and the shaft is driven rotationally, the power generation system using a proton-boron nuclear reaction further comprises a generator for converting the kinetic energy received from the turbine into electrical energy. 제1항에 있어서,
상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 기반으로 상기 양성자-붕소 반응로에 주입할 매질을 압축시키는 압축기를 더 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1,
And a compressor coupled to the turbine and driven in rotation to compress the medium to be injected into the proton-boron reactor based on the kinetic energy received from the turbine. 제1항에 있어서,
상기 터빈을 통과한 매질을 냉각하는 냉각기를 더 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1,
A power generation system using a proton-boron nuclear reaction further comprises a cooler for cooling the medium passing through the turbine. 제5항에 있어서,
상기 냉각기의 냉매로 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 초임계 이산화탄소(S-CO2) 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템. The method of claim 5,
Air, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and the refrigerant of the cooler Power system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that at least one of supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) is used. 제1항에 있어서,
상기 매질은, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 및 초임계 이산화탄소(S-CO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1,
The medium includes at least one of air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), and supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ). A power generation system using a proton-boron nuclear reaction. 제1항에 있어서, 상기 양성자-붕소 반응로는,
양성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 분포된 매질, 상기 챔버 내에 위치하는 핵반응 연료, 및 상기 핵반응 연료로 양성자 빔을 조사하는 양성자 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 1, wherein the proton-boron reactor,
A proton-boron nuclear reaction comprising a chamber in which a nuclear reaction between protons and boron occurs, a medium distributed in the chamber, a nuclear reaction fuel located in the chamber, and a proton generating device for irradiating a proton beam with the nuclear reaction fuel. Power generation system. 제8항에 있어서,
상기 양성자 발생 장치는 양성자 가속기임을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 8,
The proton generator is a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that the proton accelerator. 제9항에 있어서,
상기 양성자 가속기는, 수소 원자에서 전자를 분리하는 양성자 검출기, 상기 양성자 검출기에서 검출된 양성자를 고주파를 이용하여 가속하는 원형 가속기, 및 상기 원형 가속기를 통해 가속된 양성자 빔을 상기 챔버 방향으로 조사하는 빔 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 9,
The proton accelerator may include a proton detector for separating electrons from a hydrogen atom, a circular accelerator for accelerating the protons detected by the proton detector using high frequency, and a beam for irradiating the proton beam accelerated through the circular accelerator toward the chamber direction. A power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that it comprises a window. 제8항에 있어서,
상기 양성자 발생 장치는 타겟 포일(target foil)과, 상기 타겟 포일로 초고출력 레이저 빔을 조사하는 하나 이상의 레이저 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 8,
The proton generating device includes a target foil and at least one laser device for irradiating an ultra-high power laser beam to the target foil. 제11항에 있어서,
상기 타겟 포일은 상기 핵반응 연료를 코팅하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 11,
The target foil is a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that formed to coat the nuclear reaction fuel. 제8항에 있어서,
상기 양성자 발생 장치는 0.1MeV 내지 1MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔을 상기 핵반응 연료로 조사하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 8,
The proton generator is a power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that for irradiating a proton beam having an energy of 0.1MeV to 1MeV with the nuclear reaction fuel. 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 핵반응 연료는, 상기 챔버 내부에 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.The method of claim 8,
The nuclear reaction fuel, the power generation system using a proton-boron nuclear reaction, characterized in that disposed in the form of a solid compound or gaseous compound inside the chamber. 삭제delete 삭제delete
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