KR20070038075A

KR20070038075A - 루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산방법

Info

Publication number: KR20070038075A
Application number: KR1020070026864A
Authority: KR
Inventors: 박영웅
Original assignee: 박영웅
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2007-04-09
Also published as: WO2008100103A2; KR20070027679A

Abstract

본 발명은 지구상에 가장 흔하게 존재하는 질소와 물 또는 공기와 물을 원료로 하고 루이스산·염기의 촉매반응을 이용하는 새로운 개념의 중온핵융합 반응을 에너지원으로 이용하기 위한 기술로써, 화석연료 사용에 따라 배출되는 이산화탄소 및 핵연료 사용에 따른 방사성폐기물에 의한 환경오염 문제뿐만 아니라 전 세계 인류가 직면하게 될 에너지 자원의 고갈 위협으로부터 벗어날 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

질소, 산소, 수증기, 루이스산, 중온핵융합

Description

루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법 {The Method for Clean Energy by Middle Temperature Nuclear Fusion Reaction Using the Lewis Acid}

'도 1'은 본 발명을 실시 예를 통하여 설명하기 위한 그림에 해당하며, 열교환기의 내부가 루이스산(Lewis acid)으로 충전된 모습을 나타낸다.

'도 2'는 본 발명에 해당하는 중온핵융합 반응의 원리를 설명하기 위한 그림이며, 루이스산에 물분자와 질소가 결합된 형태의 클러스터를 경유하여 수소와 질소가 각각 헬륨 및 탄소로 변환되는 과정을 나타낸다.

현재 인간이 사용하고 있는 에너지원을 종류를 열거하자면 태양열, 풍력, 조력 및 수력 등 2차 폐기물을 발생시키지 않는 제1세대 에너지원과 석유 및 석탄 등 온실가스의 주범인 이산화탄소를 발생시키는 제2세대 에너지원, 그리고 처리가 곤란한 방사성폐기물을 발생시키는 제3세대 에너지원으로 구분할 수 있으며, 특히 제 2세대 및 제3세대 에너지원의 경우에는 자원의 고갈 문제뿐만 아니라 연료의 사용에 따른 부작용 등이 심각하여 최근 여러 국가에서는 제1세대의 에너지원을 응용한 대체에너지의 개발을 활발히 추진하고 있는 실정에 있다.

지구온난화의 주범인 CO2를 2차 폐기물로 방출하는 화석에너지는 다음에 제시한 화학반응에서 방출한 연소열을 이용하고 있으며, CO2 및 H2O 각 1 분자씩 생성하는데 발생하는 열량을 계산한 값은 각각 6.54E-19 Joule 및 4.00E-19 Joule 에 해당한다.

또한, 화석연료에 비해 더욱 빠른 속도로 고갈되어 가는 우라늄 자원의 부족 및 방사성폐기물 등의 문제로 인하여 곤란을 받고 있는 핵분열에너지는 다음의 핵반응에서 발생한 질량결손 에너지를 이용하고 있으며, U-235 원자 1개가 핵분열 과정에서 발생하는 열량은 약 2.77E-11 Joule 에 해당한다.

이에 반하여 2차 폐기물이 거의 발생하지 않는다는 이유로 꿈의 에너지라고 불려지고 있는 일반적인 핵융합에너지는 중수소(H-2)와 중수소(H-2), 중수소(H-2)와 삼중수소(H-3), 중수소(H-2)와 헬륨(He-3)의 핵융합 반응에 의한 질량결손 에너지를 이용하고 있으며, 중수소(H-2)의 핵융합 과정에서 발생하는 열량은 약 3.82E-12 Joule 에 해당한다.

핵융합에 의한 에너지 생산 기술이 산업적으로 이용가능하게 되기 위해서는 핵융합 반응에 이용되는 원소가 자원으로 풍부하게 존재하여야 하며 또한 핵융합 반응이 비교적 쉽게 일어날 수 있어야 한다. 그러나 일반적으로 알려진 고온플라즈마 핵융합 반응의 경우, 지구상에 비교적 많은 양으로 존재하는 중수소(H-2) 2개를 핵융합 시키기 위해서는 현재 지구환경에서는 불가능에 가까운 약 10억 도의 온도를 유지할 수 있어야 하며 결국 고온 플라즈마 핵융합 기술자들은 약 1억 도의 온도에서 핵융합이 가능한 중수소(H-2)와 삼중수소(H-3)의 핵융합 반응을 이용한 에너지 생산 기술을 연구하기에 이르렀다. 그러나 삼중수소(H-3)는 지구상에 자연상태로 존재하는 양이 무시할 정도로 적다고 할 수 있으므로 고온 플라즈마 핵융합 반응을 이용한 에너지 생산 기술은 그 상업적인 가치를 재평가해야 하는 단계에 있다고 할 수 있을 것이며, 이에 따라 상온 핵융합에 의한 에너지 생산기술의 필요성이 대두 되었다고 할 수 있다. 1989년 영국 사우댐프톤대학의 플라이쉬만교수 및 미국 유타대학의 폰스교수는 '팔라듐을 음극으로 하여 중수 전해질 용액 속에서 장시간 전기분해함으로써 중수소 핵융합 반응에 의한 것이라고 생각되는 과잉의 발열을 검출'하였다는 세계 최초의 상온 핵융합 관련 실험결과를 언론에 발표하여 세상 을 놀라게 하였으며, 또한 음파발광(sonoluminescence) 및 닭 또는 미생물에 의한 원소변환 현상 등이 소개된바 있으며 넓은 의미에서 이들을 모두 상온핵융합 기술이라고 할 수 있다. 최근에는 로스앤젤레스에 위치한 캘리포니아 대학교의 한 연구소에서 정전기 크리스탈(pyroelectric crystal)을 이용한 상온 핵융합 반응에 대한 명백한 증거를 제시하기도 하였다(April 28, 2005 Nature Korea).

본 발명의 기술적 과제는 지구상에 가장 흔하게 존재하는 원료물질을 사용하는 중온핵융합 반응에 의한 에너지 생산기술을 개발하여 전세계 모든 인류가 열망하는 꿈의 에너지 시대를 구현하는 것이다.

본 발명은 물과 질소를 루이스산을 촉매로 하여 100℃ 내지 2,500℃의 온도에서 헬륨을 방출하는 핵변환을 통한 에너지 생산기술에 해당하며, 상온핵융합 또는 고온핵융합 기술과 비교하였을 때 중온핵융합 기술이라고 할 수 있다.

루이스산이란 전자쌍을 받을 수 있는 Ag, Al, Au, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, Ge, Hg, In, Ir, La, Mg, Mn, Ni, Os, Pb, Pd, Pt, Ru, Sb, Sc, Si, Sn, Sr, Te, Th, Ti, Tl, V, Zn 및 Zr 중의 하나 이상을 주원료로 한 금속 또는 이들 금속이 N, P, As, Sb, O, S, Se, Te, F, Cl, Br 및 I 중의 하나 이상의 원소와 결합한 형태의 화합물로써 물, 암모니아 또는 질소 등의 루이스 염기 와 산·염기 반응을 일으킬 수 있는 물질에 해당된다. 루이스 산·염기 반응에 있어서 어느 특정한 조건에서는 헬륨을 방출하는 핵 화학 반응이 일어난다는 것이 단편적으로 보고된 바는 있으나 그 메커니즘 또는 핵 화학 반응식은 아직까지 밝혀진바 없다. 본 발명에서는 기존에 발표된 자료를 토대로 하여 다음과 같이 루이스산에 의한 핵 화학 반응식을 완성하였으며 이를 근거로 하여 본 발명의 실시에 필요한 질량결손에너지를 계산할 수 있었다.

위 식에서와 같이 루이스산·염기에 의한 핵 화학 반응은 클러스터의 형태로 존재할 것이라 예측되는 루이스산·염기 화합물의 중간체에서 물의 화합물의 형태로 존재하는 수소가 헬륨으로 변화되는 과정이라 할 수 있으며 이와 동시에 클러스터에 물과 함께 존재하는 또 다른 염기성 원소는 중성자가 2개 감소한 형태의 동위원소로 변화하게 된다고 설명할 수 있다. 이렇게 생성된 동위원소 생성물은 그 원자상태가 불안정한 경우일 때는 전자포획(Electron Capture) 등의 핵변환 과정을 거쳐 새로운 안정한 원소로 변환되게 되며, 특히 루이스산·염기의 클러스터 중간체에 있어서 물과 함께 존재하는 또 다른 염기물질이 질소라고 가정하면 위의 핵 화학 반응식은 다음과 같이 질량결손에너지 9.09E-12에 해당하는 핵 반응이 될 것이며, 이 에너지는 핵반응 과정에서 생성된 탄소 원자가 CO2의 형태로 방출된다고 가정하였을 때 같은 양의 CO2를 방출하는 화석연료의 산화에 의해 발생 되는 연소 열과 비교하였을 때 약 700만 배에 해당된다는 것을 확인할 수 있다.

질소뿐만 아니라 루이스 염기로 작용하는 원소들은 위와 같은 핵반응이 가능하다고 할 수 있으며, 그 한 예로 공기 중에 질소와 함께 존재하는 산소에 대한 핵 화학 반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이들 핵반응에서 N-12 및 O-14 가 각각 전자포획에 의한 핵반응으로 C-12 및 N-14 로 변환할 때 방출되는 전자기파의 에너지는 각각 17MeV 및 5.14MeV 에 해당한다.

수소 원자의 핵융합 반응에 있어서, 그 반응이 잘 일어나는 정도를 나타내는 핵반응 단면적은 수소(H-1) < 중수소(H-2) < 삼중수소(H-3)의 관계가 있으며, 따라서 수소(H-1)에 비해 핵반응 단면적인 큰 중수소(H-2)의 산화물에 해당하는 중수(D2O)를 일반적인 물에 해당하는 경수(H2O) 대신에 사용하는 경우에는 다음과 같은 핵 화학 반응이 일어나게 되며 이 반응은 상대적으로 낮은 온도에서 진행될 것이며 또한 반응 효율도 상대적으로 높을 것이라 예측할 수 있다.

본 발명의 실시 가능한 예를 들어 단계별로 설명하면 다음과 같으며 본 발명은 이에 종속되지 않는다. ⅰ열교환기(도 1)의 좌측 하단에 마련된 열 주입구를 통해 루이스산이 충전된 보일러 내부를 가열하여 미리 설정한 온도에 도달하게 하는 단계, ⅱ우측 하단에 마련된 원료 주입구를 통해 물과 질소 또는 물과 공기의 원료 혼합물을 일정한 유속으로 흘려주면서 핵 화학 반응을 진행시키는 단계, ⅲ좌측 상단에 마련된 용수 주입구를 통하여 물을 주입하되 열교환기 내부의 온도를 미리 설정한 온도로 유지할 수 있는 범위의 유속이 되도록 조절하여 일정한 온도범위의 스 팀 또는 온수가 우측 상단의 배출구를 통하여 방출될 수 있도록 하는 단계로 구분할 수 있으며, 이때 배출구를 통한 온수 또는 스팀은 그 일부를 취해 제 2단계에서 필요로 하는 원료로 사용할 수 있다.

지구상에 가장 흔하게 존재하는 질소와 물 또는 공기와 물을 원료로 사용하는 중온핵융합에 해당하는 본 발명으로 인하여, 화석연료 사용에 따른 온실효과 및 핵연료 사용에 따른 방사성폐기물에 의한 환경오염 문제뿐만 아니라 전 세계 인류가 직면하게 될 에너지 자원의 고갈 위협으로부터 벗어날 수 있게 되었다.

Claims

루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법에 있어서,

'물'과 질소 또는 '물'과 공기를 원료물질로 사용하고 '루이스산'을 촉매로 하여 '중온의 온도'에서 핵 반응을 시키는 것을 특징으로 하는, 루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법
제1항에 있어서, 원료물질로 사용되는 '물'은 경수(H2O) 또는 중수(D2O)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법
제1항에 있어서, 촉매로 사용하는 '루이스산'은 Ag, Al, Au, B, Ba, Be, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, Ge, Hg, In, Ir, La, Mg, Mn, Ni, Os, Pb, Pd, Pt, Ru, Sb, Sc, Si, Sn, Sr, Te, Th, Ti, Tl, V, Zn 및 Zr 중의 하나 이상을 주원료로 한 금속 또는 이들 금속이 N, P, As, Sb, O, S, Se, Te, F, Cl, Br 및 I 중의 하나 이상의 원소와 결합한 화합물의 형태인 것을 특징으로 하는, 루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법
제1항에 있어서, 핵반응을 시키기 위한 '중온의 온도'는 그 온도 범위가 100℃ 내지 2,500℃인 것을 특징으로 하는, 루이스산을 이용한 핵융합 반응에 의한 청정에너지 생산 방법