KR102072747B1 - 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 전기 분해를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 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 터빈;을 포함한다.

Description

양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM USING PROTON BORON NUCLEAR REACTION}
본 발명은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전기 분해를 이용한 양성자-붕소 핵반응을 기반으로 방사선 위험이 없는 에너지를 생산할 수 있는 발전 시스템에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전기 분해를 이용하여 양성자와 붕소 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 수소친화력을 갖는 금속에 붕소를 혼합하여 음극을 제조하고, 이러한 음극을 핵반응 연료로 사용하여 양성자와 붕소 간의 핵 반응 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클을 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전기 분해를 이용하여 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 터빈;을 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템을 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템은, 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 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.
좀 더 바람직하게는, 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.
좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템에 사용되는 매질은 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 및 초임계 이산화탄소(S-CO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 양성자-붕소 반응로는, 양성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 양성자-붕소 반응로는 양성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버에 의해 수용되는 전해질 수용액, 상기 챔버에 장착되는 하나 이상의 음극, 상기 챔버에 장착되는 하나 이상의 양극, 및 상기 챔버에서 발생된 열 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 열 교환기는 전해질 수용액으로부터 흡수한 열 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 양성자-붕소 반응로는, 전해질 수용액을 전기 분해하여 물 분자(H2O)를 H+ 이온과 OH- 이온으로 분리시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 양성자-붕소 반응로에서 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온(H+)들이 음극 격자 내부로 계속 침투하여 밀도가 증가하게 되면, 상기 수소 이온들(H+)은 음극 내부에 존재하는 붕소 원자들과 충돌하여 양성자-붕소 핵 반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 음극은 수소친화력을 갖는 금속에 붕소를 혼합한 합금임을 특징으로 한다. 여기서, 상기 수소친화력을 갖는 금속은, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나임을 특징으로 한다. 상기 양극은 흑연(C), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 텅스텐(W), 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전해질 수용액은, 탄산 칼슘(Ca2CO3), 탄산 칼륨(K2CO3) 및 탄산수소나트륨(NaHCO3) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 양성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버; 상기 챔버에 의해 수용되는 전해질 수용액; 상기 챔버 내부의 제1 영역에 장착되는 하나 이상의 음극과, 상기 챔버 내부의 제2 영역에 장착되는 하나 이상의 양극; 및 상기 챔버에서 발생된 양성자-붕소 핵 반응 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 양성자-붕소 반응로를 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
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.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 기존 원자력 발전소에 비교하여 양성자-붕소 반응로의 제작이 간단하고, 초기 자본이 적게 들기 때문에 짧은 시간 내에 발전 시스템을 건설할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 발전 규모가 크지 않고 방사선 차폐를 고려하지 않아도 되기 때문에, 도심이나 오지에도 건설할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 양성자-붕소 반응로에 존재하는 전해질 수용액을 전기 분해함으로써, 양성자-붕소 핵 반응에 필요한 양성자를 지속적으로 공급할 수 있다는 장점이 있다.
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.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도;
도 3은 양성자와 붕소11 간의 핵반응을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극 제조 공정을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 6은 전기 분해 시, 수소 이온이 음극으로 침투하는 과정을 나타내는 도면;
도 7은 콜드 퓨전(cold fusion) 방식의 양성자-붕소 핵 반응을 설명하는 도면;
도 8은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.
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.
본 발명은 전기 분해를 이용하여 양성자와 붕소11 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 수소를 잘 흡수하는 금속에 붕소를 혼합하여 음극을 제조하고, 이러한 음극을 이용하여 양성자와 붕소11 간의 핵 반응 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 양성자-붕소 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.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 1 및 도 2를 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), 냉각기(140), 압축기(150) 및 열 전달 매질(160) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템을 구성하는 장치들(110~150)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
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.
양성자-붕소 반응로(110)는 챔버(111), 챔버(111) 내부에 수용되는 전해질 수용액(112), 챔버(111)에 장착되는 하나 이상의 전극(113, 114), 챔버(111)에서 발생된 열 에너지를 발전 사이클 상의 열 전달 매질(160)로 전달하는 열 교환기(115) 등을 포함할 수 있다.
양성자-붕소 반응로(110)는 전기 분해를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 원자 핵반응을 발생시킬 수 있다. 즉, 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온들(즉, 양성자들)이 음극 격자 내부로 계속 침투하여 붕소 원자(11B)와 충돌함으로써, 콜드 퓨전(cold fusion) 방식의 양성자-붕소 핵반응을 유도할 수 있다.
양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응은, 아래 반응식에서와 같이, 3개의 알파입자(즉, 헬륨 입자)와 8.7MeV(Mega electron volts)의 에너지를 발생하게 된다. 가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온(즉, 양성자)은 5개의 양성자(Proton)와 6개의 중성자(Neutron)로 이루어진 붕소 원자(11B)와 충돌하여 핵반응을 일으킨다. 이러한 핵반응의 생성물로 3개의 헬륨 입자(He)와 8.7MeV의 에너지를 발생하게 된다.
Figure 112017118959623-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.
양성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 열 전달 매질(160)은, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환할 수 있는 모든 형태의 매질을 포함할 수 있다.
열 전달 매질(160)로는 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.
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.
또한, 상기 열 전달 매질(160)로는, 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.
양성자-붕소 반응로(110)는 열 교환기(115)를 이용하여 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 발전 사이클 상의 가스 매질(160)로 전달할 수 있다. 상기 열 교환기(115)를 통해 열 에너지를 흡수한 고온/고압의 가스 매질(160)은 터빈(120)으로 입력된다.
터빈(120)은 양성자-붕소 반응로(110)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질(160)이 팽창하면서 터빈(120)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
터빈(120)에는, 압축기(150)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.
터빈(120)을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기(150)에서 가스 매질(160)을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(130)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.
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.
냉각기(140)는 터빈(120)을 통과한 고온의 가스 매질(160)을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 냉각기(140)는 터빈(120)의 블레이드 장치를 냉각시키는 기능을 수행할 수도 있다.
냉각기(140)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 또한, 냉각기(140)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
냉각기(140)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.
압축기(150)는 터빈(120)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 냉각기(140)를 통과한 가스 매질(160)을 압축시키고, 압축된 고압의 가스 매질(160)을 양성자-붕소 반응로(110)에 제공할 수 있다.
압축기(150)로는 축류 압축기 또는 원심 압축기 등이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 축류 압축기가 사용될 수 있다. 이때, 압축기(150)는 터빈(120)과 축(또는 로터(rotor), 170)으로 연결되어 회전 구동한다. 압축기(150)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과, 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.
이처럼, 가스 매질(160)은 발전 사이클인 양성자-붕소 반응로(110), 터빈(120), 발전기(130), 냉각기(140) 및 압축기(150)를 순차적으로 순환하면서 에너지를 생산하게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 열원이 그대로 전달된 가스 매질이 발전 사이클을 반복적으로 순환하면서 전기를 생산하는 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.
또한, 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 기존 원자력 발전소에 비교하여 양성자-붕소 반응로의 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 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양성자-붕소 반응로(110, 400)는 전기 분해를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응을 유도할 수 있고, 열 교환기를 이용하여 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 발전 사이클 상의 가스 매질로 전달할 수 있다.
이러한 양성자-붕소 반응로(400)는, 챔버(410), 챔버(410)에 의해 수용되는 전해질 수용액(420), 챔버(410)에 장착되는 하나 이상의 음극(cathode, 430)과 하나 이상의 양극(anode, 440), 챔버(410)에서 발생된 열 에너지를 발전 사이클 상의 가스 매질로 전달하는 하나 이상의 열 교환기(450) 등을 포함할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 양성자-붕소 반응로(400)는, 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 헬륨 가스(He)와 전기 분해를 통해 생성된 가스를 분리하기 위한 가스 배출기를 포함할 수 있다. 또한, 양성자-붕소 반응로(400)는, 전기 분해에 필요한 직류 전원을 전극(430, 440)으로 공급하는 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 상기 전원 공급 장치는 전극으로 인가되는 직류 전원을 제어하여 전기 분해 양을 조절할 수 있다.
전원 공급 장치를 통해 전극(430, 440)으로 인가되는 전원이 차단되면, 챔버(410) 내부에서 전기 분해가 더 이상 일어나지 않게 되고, 그에 따라 수소 이온이 발생하지 않게 되며, 그로 인해 양성자-붕소 반응로(400)에서 일어나는 양성자-붕소 핵반응이 중지하게 된다. 따라서, 예상치 못한 사고가 발생하거나 긴급 정지가 필요한 경우, 전극(430, 440)으로 인가되는 전원을 차단함으로써, 발전 시스템에서의 열원 발생을 안전하게 정지시킬 수 있다.
챔버(410)는 전기 분해를 이용하여 양성자(p)와 붕소(11B) 간의 핵반응을 유도하는 반응로이다. 상기 챔버(410)는 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 챔버(410)의 재질로는 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 스테인리스 강(stainless steel) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 챔버(410)의 재질로는 유리, 플라스틱 섬유 또는 유리강화섬유 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
챔버(410)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 양성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 챔버(410)는 'T'자 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.
챔버(410)는 두 개의 열 교환기(450)와 연결되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 챔버(410)의 좌측 상부에 제1 열 교환기가 연결되도록 구성할 수 있고, 챔버(410)의 우측 상부에 제2 열 교환기가 연결되도록 구성할 수 있다.
전해질 수용액(420)은 챔버(410) 내부에 채워질 수 있다. 상기 전해질 수용액(420)은 탄산 칼슘(Ca2CO3), 탄산 칼륨(K2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 등을 포함할 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
챔버(410)의 하부 영역에서 핵 반응 에너지를 흡수한 전해질 수용액(420)은 밀도가 가벼워져서 상부 방향으로 이동하게 되고, 열 에너지를 챔버(410)의 상부 영역에 위치한 열 교환기(450)로 전달하게 된다. 열 교환기(450)를 통해 열 에너지를 잃은 전해질 수용액(420)은 밀도가 다시 무거워져 챔버(410)의 하부 영역으로 이동하게 된다. 전해질 수용액(420)은 이러한 순환 과정을 반복하면서 열 에너지를 열 교환기(450)로 전달할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 직류 전원을 전극(430, 440)에 인가하여 전해질 수용액(420)을 전기 분해하면, 해당 수용액(420)의 물 분자(H2O)는 H+ 이온과 OH- 이온으로 분리되고, H+ 이온은 음극(430)으로 이동하게 되고 OH- 이온은 양극(440)으로 이동하게 된다. 이와 같이 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온들(즉, 양성자들)은 음극(430)으로 이동하여 콜드 퓨전(cold fusion) 방식의 양성자-붕소 핵반응을 유도할 수 있게 된다. 전해질 수용액(420)은 챔버(410) 내부를 순환하면서 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수하여 열 교환기(450)로 전달할 수 있다.
본 발명은 전해질 수용액(420)의 물 분자(H2O)를 전기 분해함으로써, 양성자-붕소 핵 반응에 필요한 양성자를 지속적으로 공급할 수 있다. 여기서, 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.
하나 이상의 음극(430)은 챔버(410)의 하부 영역에 수직 방향으로 배치될 수 있다. 상기 음극(430)은 수소를 잘 흡수하는 금속(즉, 수소친화력을 갖는 금속)에 붕소(B)를 혼합하여 만든 합금일 수 있다. 상기 수소친화력을 갖는 금속으로는 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 백금(Pt) 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 수소친화력을 갖는 금속 물질과 붕소의 혼합 비율은, 여러 번의 시뮬레이션 과정을 반복하여 에너지 수율이 최대가 되도록 선정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음극 제조 공정을 설명하는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 수소를 잘 흡수하는 금속인 팔라듐(Pd, 510)에 비금속 원소인 붕소(B, 520)를 혼합하여 음극(Pd-B 합금, 530)을 제조할 수 있다. 여기서, 붕소 원자(525)는 팔라듐 원자(515)보다 작기 때문에, 팔라듐 금속(510)에 들어간 붕소 원자(525)는 치환형 불순물이 아닌 침입형 불순물로 존재하게 된다. 따라서, Pd-B 합금(530)에서, 붕소 원자들(525)은 결정 구조를 이루고 있는 팔라듐 원자들(515) 사이에 위치하게 된다.
도 6은 전기 분해 시, 수소 이온이 음극으로 침투하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 전해질 수용액의 물(H2O)을 전기 분해하여 생성된 수소 이온들(540)은 음극(530) 방향으로 이동하게 된다. 수소 이온들(540)이 음극 격자 내부로 계속 침투하여 밀도가 증가하게 되면, 해당 수소 이온들(540)은 음극 격자 내부에 존재하는 붕소 원자들(525)과 충돌하여 양성자-붕소 핵 반응을 일으키게 된다. 이러한 양성자-붕소 핵 반응은, 화학 결합된 물질의 밀도를 점진적으로 증가시켜서 핵 융합하는 방식으로서, Chemonuclear Reaction, Pycnonuclear Reaction 또는 Cold fusion reaction 이라 불린다. 상기 핵 융합 방식은 상온의 온도에서 핵 융합 반응을 일으킬 두 원자를 화학결합을 통해 최대한 가까이 붙이는 원리를 착안하고 있다.
도 7은 콜드 퓨전(cold fusion) 방식의 양성자-붕소 핵 반응을 설명하는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 물(H2O)을 전기 분해하여 생성된 수소 이온들(즉, 양성자들, 710)은 음극 격자 내부에 존재하는 붕소 원자(11B, 730)와 충돌하여 양성자-붕소 핵 반응을 일으킬 수 있다. 이러한 양성자-붕소 핵 반응은 3개의 알파입자(즉, 헬륨 입자, 720)와 8.7MeV의 에너지를 발생하게 된다.
다시 도 4를 참조하면, 하나 이상의 양극(440)은 챔버(410)의 중간 영역에 수평 방향으로 배치될 수 있다. 상기 양극(440)의 재질로는 흑연(C), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 텅스텐(W), 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
열 교환기(450)는 챔버(410)와 연결되어, 전해질 수용액(420)으로부터 열 에너지를 흡수하여 발전 사이클 상의 가스 매질로 전달할 수 있다. 열 교환기(450)를 통과한 전해질 수용액(420)은 냉각되어 밀도가 증가하게 되고, 그로 인해 챔버(410)의 하부 방향으로 이동하게 된다. 챔버(410)의 하부 영역에서 양성자-붕소 핵 반응 에너지를 획득한 전해질 수용액(420)은 밀도가 감소하게 되고, 그로 인해 챔버(410)의 상부 방향으로 이동하게 된다. 챔버(410)의 상부 영역으로 이동한 전해질 수용액(420)은 열 교환기(450)를 통해 열 에너지를 발전 사이클 상의 가스 매질로 전달하게 된다.
도 8은 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 양성자-붕소 발전 시스템은, 폐 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 양성자 붕소 반응로, 터빈, 발전기, 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.
양성자 붕소 반응로에서 전기 분해를 위한 준비가 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 양성자-붕소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S810).
양성자 붕소 반응로는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 전해질 수용액을 전기 분해하여 물 분자(H2O)를 H+ 이온과 OH- 이온으로 분리할 수 있다(S820). 여기서, 물(H2O)을 전기 분해하여 생성된 H+ 이온들은 음극 방향으로 이동하게 되고, OH- 이온들은 양극 방향으로 이동하게 된다.
양성자 붕소 반응로는 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온들(즉, 양성자들)을 이용하여 콜드 퓨전 방식의 양성자-붕소 핵 반응을 유도할 수 있다(S830). 즉, 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온들이 음극 격자 내부로 계속 침투하여 밀도가 증가하게 되면, 해당 수소 이온들은 음극 격자 속에 존재하는 붕소 원자들(B)과 충돌하여 양성자-붕소 핵 반응을 일으키게 된다.
한편, 압축기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 양성자 붕소 반응로에서의 열 교환기를 통과할 가스 매질을 압축할 수 있다(S840). 상기 열 교환기를 통과하는 가스 매질로는, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
양성자-붕소 반응로는 열 교환기를 이용하여 양성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 발전 사이클 상의 가스 매질로 전달할 수 있다(S850). 상기 열 교환기를 통해 열 에너지를 흡수한 고온/고압의 가스 매질은 터빈으로 입력된다.
터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 양성자 붕소 반응로를 통과한 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S860). 터빈을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기에서 가스 매질을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.
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.
냉각기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 터빈을 통과한 고온의 가스 매질을 냉각시킬 수 있다. 또한, 냉각기는 터빈의 블레이드 장치를 냉각시킬 수 있다(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.
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.
100: 양성자-붕소 발전 시스템 110: 양성자 붕소 반응로
120: 터빈 130: 발전기
140: 냉각기 150: 압축기
160: 열 전달 매질

Claims (16)

  1. 전기 분해를 이용하여 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 챔버와, 상기 챔버 내부에 수용되는 전해질 수용액과, 상기 챔버 내부에 장착되는 하나 이상의 음극 및 양극과, 상기 챔버에서 발생된 열 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 하나 이상의 열 교환기를 포함하며,
    상기 전해질 수용액은, 자신의 밀도 변화에 따라 챔버 내부를 순환하면서 열 에너지를 상기 챔버의 상부에 배치된 열 교환기로 전달하고,
    상기 음극은 수소 친화력을 갖는 금속에 붕소를 혼합한 합금으로 구성되며, 상기 붕소는 상기 수소 친화력을 갖는 금속보다 원자의 크기가 작아 상기 수소 친화력을 갖는 금속 내에 침입형 불순물로 존재하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 매질을 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  5. 제4항에 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.
  6. 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.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양성자-붕소 반응로는, 양성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 양성자-붕소 반응로는, 전해질 수용액을 전기 분해하여 물 분자(H2O)를 H+ 이온과 OH- 이온으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 분해를 통해 생성된 수소 이온(H+)들이 음극 격자 내부로 계속 침투하여 밀도가 증가하게 되면, 상기 수소 이온들(H+)은 음극 내부에 존재하는 붕소 원자들과 충돌하여 양성자-붕소 핵 반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상기 전해질 수용액으로부터 흡수한 열 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수소친화력을 갖는 금속은, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나임을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 양극은 흑연(C), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 텅스텐(W), 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 수용액은, 탄산 칼슘(Ca2CO3), 탄산 칼륨(K2CO3) 및 탄산수소나트륨(NaHCO3) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  16. 양성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버;
    상기 챔버에 의해 수용되는 전해질 수용액;
    상기 챔버 내부의 제1 영역에 장착되는 하나 이상의 음극과, 상기 챔버 내부의 제2 영역에 장착되는 하나 이상의 양극; 및
    상기 챔버에서 발생된 양성자-붕소 핵 반응 에너지를 발전 사이클 상의 매질로 전달하는 하나 이상의 열 교환기를 포함하되,
    상기 전해질 수용액은, 자신의 밀도 변화에 따라 챔버 내부를 순환하면서 열 에너지를 상기 챔버의 상부에 배치된 열 교환기로 전달하고,
    상기 음극은 수소 친화력을 갖는 금속에 붕소를 혼합한 합금으로 구성되며, 상기 붕소는 상기 수소 친화력을 갖는 금속보다 원자의 크기가 작아 상기 수소 친화력을 갖는 금속 내에 침입형 불순물로 존재하는 것을 특징으로 하는 양성자-붕소 반응로.
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