KR20110103396A - 에너지 생성 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

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실비아 피안텔리
프란체스코 피안텔리
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실비아 피안텔리
기디니, 티찌아노
베르고미, 루이기
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Abstract

수소와 금속 사이의 핵 반응으로부터 에너지를 생성하기 위한 방법 및 생성기로서, a) 전이 금속의 정해진 양의 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 생성하고, b) 바람직하게는 클러스터들의 탈기를 위해 35℃와 500℃ 사이에서 적어도 10-9 bar의 진공 사이클들을 적용한 이후, 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키고, 그 압력 및 속도를 제어하고, c) H- 이온들로서의 수소를 클러스터들 내에 흡착시키기 위해 금속의 Debye 온도(TD)보다 높은 온도, 바람직하게는 망상 평면들의 슬라이딩이 발생하는 온도에 근접한 온도까지 클러스터들을 가열함으로써 상기 반응을 위한 활성 코어를 생성하고, d) 바람직하게는 활성 코어 상에 온도 구배가 존재하는 상태에서, 상기 활성 코어 상에서 기계적, 열적, 초음파, 전기 또는 자기 임펄스에 의해 상기 반응을 촉발하고, 열의 방출과 함께 금속의 원자들이 수소 이온들을 포획하게 하고, e) 바람직하게는 미리 정해진 강도의 자기 및/또는 전기장의 존재 하에서, TD 보다 높은 온도를 유지하며 열을 제거하는 단계를 포함한다. 활성 코어는 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 소결된 재료 또는 용기 내에 수집된 클러스터 분말, 또는 미리 정해진 체적 및 형상의 기판 상의 클러스터들의 증착물을 포함할 수 있는데, 상기 증착물은 표면의 평방 센티미터 당 적어도 10-9 클러스터들을 갖고, 스퍼터링, 스프레잉, 금속의 증발 및 응결, 에피텍셜 증착, 용융점에 근접할 때까지의 가열 및 그 후의 저속 냉각과 같은 방법들로서 후속하여 상기 클러스터 구조를 결빙하기 위한 급속 냉각이 이어지는 방법들에 의해 얻을 수 있다.

Description

에너지 생성 방법 및 그를 위한 장치{METHOD FOR PRODUCING ENERGY AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 금속과 금속의 결정 구조에 흡착된 수소 사이의 핵반응에 의해 에너지를 생성하기 위한 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이런 반응을 수행하는 에너지 생성기에 관한 것이다.
니켈 활성 코어 상에 흡착된 수소에 의해 유발된 핵반응에 의해 열을 생성하기 위한 방법이 피안텔리 등(Piantelli et. al.)의 이름으로 WO95/20316에 개시되어 있다. 이 공정의 개선이 포카르디(Focardi), 가바니(Gabbani), 몬탈바노(Montalbano), 피안텔리(Piantelli), 버로네시(Veronesi)의 "Large excess heat production in Ni-H systems(II Nuovo Cimento, vol. IIIA, N.11, 1998년 11월)" 및 그 안의 관련문헌에 개시되어 있다.
실험에서 관찰된 문제는 수소가 흡착되어야 하고 반응이 수행되어야 하는 코어의 준비였으며, 이러한 코어들은 니켈로 제조되었고 작은 막대들(bars)의 형상을 가졌다.
공정의 다양한 중요 측면들 중 하나는 수소 흡착을 위한 적절한 방법의 선택과 수소 물질의 품질 및 공정의 촉발 조건들의 재현성이었다.
다른 중요 측면들은 수소 흡착 이전에 작은 막대를 세정하는 방식 및 최적의 막대 표면 조건들의 최적화 방식과, 반응을 촉발 및 중단시키는 방법이다.
이런 문제점들로 인해, 공정의 설정 및 그 산업적 활용은 다소 곤란한 것으로 판명되었다.
또 다른 중요 측면은 원하는 파워를 얻기 위한 코어 크기 설정 및 디자인이다.
DE4024515에서, 수소 동위원소들의 핵 융합으로부터 에너지를 얻기 위한 공정이 설명되어 있으며, 여기서, 상기 원자들은 전이 금속의 3 내지 300,000 원자들을 포함하는 클러스터들과 접촉되고, 클러스터들은 미세하게 세분된 금속 입자들을 냉각시킴으로써 얻어진다.
따라서, 본 발명의 특징은 금속의 결정 구조에 흡착된 수소의 핵 반응에 의해 에너지를 생성하는 방법을 제공하는 것이며, 이 방법은 반응 촉발 조건들의 재현성을 보증한다.
또한, 본 발명의 특징은 활성 코어의 전구체를 산업적으로 제조하고, 이들에 수소를 산업적으로 흡착시키기 위한 상기 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 상술한 핵 반응을 실행하는 에너지 생성기를 제공하는 것이며, 그 생산 속도 및 규모는 또한 산업적 생산이 가능하게 한다.
유사하게, 본 발명의 특징은 출력 파워를 쉽게 조절할 수 있는 이러한 생성기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 쉽게 중단될 수 있는 이러한 생성기를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 특징들은 수소와 금속 사이의 핵 반응에 의해 에너지를 생성하기 위한 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 전이 금속 결정들의 정해진 양을 사전 배열하되, 상기 결정들은 미리 정해진 결정 구조를 갖는 마이크로/나노메트릭 클러스터들로서 배열되고, 상기 클러스터들 각각은 미리 정해진 원자들의 수보다 적은 수의 상기 전이 금속 원자들을 갖고,
- 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키고,
- 미리 정해진 임계 온도보다 높은 흡착 온도까지 상기 정해진 양의 클러스터들을 가열하고, H- 이온으로서의 상기 수소의 상기 클러스터들 내로의 흡착을 유발하고, 상기 H- 이온으로서의 상기 수소는 상기 가열 후에 활성 코어 내에 상기 핵 반응에 이용가능하게 남아 있고,
- 상기 클러스터들 각각의 원자들에 상기 H-이온들이 포획되게 하는 상기 활성 코어 상에 발휘되는 임펄스식 작용에 의해 H-이온들로서의 상기 수소와 상기 클러스터들 내의 상기 금속 사이의 상기 핵 반응을 촉발하되, 상기 일련의 반응은 열의 생성을 유발하고,
- 상기 임계 온도 위에서 상기 활성 코어의 온도를 유지하면서 상기 활성 코어로부터의 상기 열을 제거하되, 상기 열을 제거하는 단계는 미리 정해진 파워에 따라 수행된다.
유리하게는, 상기 사전 배열 단계는 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태의 상기 전이 금속 결정들의 정해진 양이 상기 파워에 비례하는 방식으로 수행된다.
각 클러스터를 형성하는 원자들의 수는 변수이며, 이를 통해 미리 정해진 파워가 미리 정해진 금속의 양을 포함하는 활성 코어로부터 얻어질 수 있다. 사실상, 각 클러스터는 반응이 발생하는 자리이며, 따라서, 얻어질 수 있는 파워는 클러스터의 크기, 즉, 클러스터를 형성하는 원자들의 수에 실질적으로 독립적이다.
특히, 클러스터들의 원자들의 수는 다른 수의 원자들을 포함하는 다른 결집체들보다 더 안정한 구조들을 야기하는 것으로 알려진 수들의 그룹으로부터 선택된다. 이런 안정성은 H- 이온들을 제공하기 위한 수소에 대해 클러스터들의 높은 반응성을 획득하는 조건이다. 예를 들어, 안정도 함수가 니켈에 대해 확인되었는데, 이는 클러스터들을 형성하는 원자들의 수에 의존하며, 특정 수에 대응하는 특정 안정성 피크들을 얻는다.
본 방법에 사용되는 수소는 천연 수소, 특히, 실질적으로 0.015%와 같은 동위원소 존재도를 갖는 중수소를 포함하는 수소일 수 있다. 대안적으로, 이런 수소는 위에서 지적한 것과 구별되는 중수소 함량을 갖는 수소 및/또는 상당한 삼중수소 함량을 갖는 수소일 수 있다.
바람직하게는 사용되는 수소는 분자 수소(H2)이고, 대안적으로, 수소는 H-로서 예비적으로 이온화되거나, H- 및 H2를 포함하는 혼합물일 수 있다.
전이 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Pd, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, 란탄족, 악티늄족으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 이런 금속은 이하의 4개 전이 그룹들 중 하나에 속한다. 즉,
- 부분적으로 채워진 3d-쉘을 갖는 금속들, 예를 들어, 니켈,
- 부분적으로 채워진 4d-쉘을 갖는 금속들, 예를 들어, 로듐,
- 부분적으로 채워진 5d-쉘을 갖는 금속들, 즉, "희토류" 또는 란탄족, 예를 들어, 세륨,
- 부분적으로 채워진 5d-쉘을 갖는 금속들, 즉, 악티늄족, 예를 들어, 토륨.
또한, 사용되는 금속은 상술한 금속들 중 두 개 또는 두 개보다 많은 금속의 합금일 수도 있다.
나열된 전이 금속들 또는 그 합금들 중에서, 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 결정 구조로 결정화하는 것들이 선호되는 것들이다.
- 면심 입방 결정 구조,
- 체심 입방 결정 구조,
- 육방 밀집 구조.
유리하게는, 클러스터들로의 H- 이온들의 흡착을 보조하기 위해, 결정 개방 면 구조를 갖는 금속들이 사용된다.
바람직하게는, 상기 전이 금속은 니켈이다. 특히, 상기 니켈은 이하로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
- 천연 니켈, 즉, 니켈 58, 니켈 60, 니켈 61, 니켈 62, 니켈 64 같은 동위원소들의 혼합물,
- 단 하나의 동위원소를 포함하는 니켈로서, 상기 동위원소는 이하로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 니켈,
- 니켈 58
- 니켈 60
- 니켈 61
- 니켈 62
- 니켈 64
- 원하는 비율로 이런 동위원소들 중 적어도 두 개를 포함하는 조성.
H- 이온들은 특정 작동 조건들 하에서 상기 전이 금속 표면에 미리 흡착되어 있는 수소 H2 분자들을 처리함으로써 얻어질 수 있으며, 여기서, 반-자유 원자가(valence) 전자들이 플라즈마를 형성한다. 특히, 비선형 및 부조화(anharmonic) 현상을 통해 그 에너지가 제1 활성화 에너지 쓰레숄드(threshold)보다 높은 격자 진동들, 즉, 음자들(phonons)을 유발하기 위해 가열이 필요하다. 이러한 조건들에서, 다음의 이벤트들이 발생할 수 있다.
- 표면 상에 흡착된 수소 분자들의 분리,
- 금속의 원자가 전자들과의 상호작용 및 H- 이온들의 형성,
- 클러스터들, 특히, 표면에 가장 가까운 둘 또는 세 개의 결정 층들을 형성하는 클러스터들 내로의 H- 이온들의 흡착. H- 이온들은 금속과 단지 물리적으로 상호작용할 수 있거나, 그와 화학적으로 결합할 수 있으며, 이 경우, 수소화물(hydrides)이 형성될 수 있다.
또한, H- 이온들은 격자 간극(interstices) 내에 흡착될 수도 있지만,
- 격자결함들 내에 이온들을 트랩(trapping)하는 것에 의한 그레인(grain) 가장자리에서의 흡착,
- 클러스터들의 금속 원자의 치환도 이루어질 수 있다.
이러한 흡착 단계 이후, H- 이온들은 제1 쓰레숄드보다 높은 제2 활성화 쓰레숄드가 초과되면 클러스터들의 원자들과 상호작용한다. 이 제2 쓰레숄드를 초과함으로써, 파울리 배타 원리 및 하이젠베르그 불확정성 원리에 따라서, 금속 원자들의 전자들을 H- 이온들로 치환하기 위한, 따라서 금속-수소 착체 원자들을 형성하기 위한 조건들이 생성된다. 이 이벤트는 H- 이온의 페르미온(fermion) 특성에 기인하여 발생할 수 있지만, 그러나, H- 이온들은 전자 질량보다 1838배 더 큰 질량을 가지기 때문에, 이들은 더 깊은 층을 향하는 경향이 있고, 오제(Auger) 전자들 및 X선의 방출을 유발한다. 다음에, H- 이온 보어(Bohr) 반경이 금속 코어 반경과 비견할만하기 때문에, H- 이온은 금속 코어에 의해 포획될 수 있으며, 구조적 재조직을 유발하고 및 질량 결손에 의해 에너지를 방면하며, H- 이온들은 이제, 양자(proton)로서 축출될 수 있고, 이웃하는 코어들과의 핵 반응을 생성할 수 있다.
더 상세히, 에너지 보존 법칙, 파울리 배타 원리 및 하이젠베르그 불확정성 원리의 전체적인 관점에서, H- 이온을 포획하는 금속 원자에 의해 형성된 착체(complex) 원자는 여기 상태로 강요되며, 따라서, 이는 더 깊은 궤도 또는 레벨, 즉, 최소 에너지 상태를 향한 H- 이온의 이동에 의해 자체적으로 재조직되며, 따라서, 레벨 변화 동안 오제(Auger) 전자 및 X선을 방출한다. H- 이온이 포텐셜 홀(potential hole) 내로 떨어지고, 이전에 그 반경이 약 10-12 m인 체적에 걸쳐 분산되어 있던 에너지를 그 반경이 약 5 x 10-15 m인 더 작은 체적으로 집중시킨다. 이 과정의 종점에서, H- 이온은 핵 반경과 비견할 만한 코어로부터의 소정 거리에 존재하며, 사실상, H- 이온을 추가함으로써 형성된 착체 원자의 기본 상태에서, 전자의 질량보다 매우 큰 그 질량에 기인하여, H- 이온은 보어(Bohr) 반경 계산에 따라 핵 반경에 비견할만한 코어로부터의 소정 거리에서 이러한 깊은 레벨에 머무르도록 강요된다. 상술한 바와 같이, 코어로부터의 짧은 거리로 인하여, H- 이온이 코어에 의해 포획되는 과정이 촉발되고, 그 본질적 불안정성에 기인하여, 가장 낮은 층으로 떨어지는 과정 동안, 질량 결손에 의해 구조적 재조직 및 에너지 방출을 동반하는 전자 포획의 경우 또는 두 개의 전자들을 소실하는 경우에 발생하는 것과 유사하게 질량 결손에 의한 구조적 재조직 및 에너지 방출이 일어나며, 그리고, 결국에는 안개 상자(cloud chamber) 내에서 실험적으로 검출되는 바와 같이 H- 이온의 축출이 양자와 같이 이루어지고, 다른 이웃하는 코어들과의 핵 반응이 발생할 수 있으며, 상기 반응은 에너지의 생성 이후 활성 코어 상의 변성으로서 검출된다.
상술한 바에 따르면, 실제 과정은 수소 원자들, 특히, 특정 수소 동위원소 원자들의 융합 과정으로 고려될 수 없으며, 대신, 이 과정은 H- 이온의 특정 형태에 있는 일반적인 수소와 전이 금속의 상호작용으로서 이해되어야 한다.
유리하게는, 상기 클러스터들의 전이 금속 원자들의 미리 정해진 수는 클러스터들의 형태의 또는 클러스터들이 없는 상기 전이 금속 재료의 일부가 상기 금속의 물리적 특성의 전이를 나타내도록 하며, 상기 특성은 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
- 열 전도성,
- 전기 전도성,
- 굴절 지수.
마이크로/나노메트릭 클러스터 구조는 상술한 궤도 및 핵 포획 과정을 위한, 그리고, H- 이온들의 생성을 위한 필요조건이다. 각 전이 금속에 대하여, 원자들의 임계 수가 확인될 수 있는데, 그 아래에서는 레벨의 이산적 구조(전자 밀도, 전자 밀도 및 Kohn-Sham 유효 포텐셜 함수) 및 파울리 반대칭성(antisymmetry)이 토마스-페르미(Thomas-Fermi) 접근법에 따른 밴드 구조에 대해 우세한 경향이 있다. 이산적 레벨 구조는 클러스터들의 주요 특성들의 근원이며, 그 중 일부가 상술되었다. 이런 특징들은 표면의 특성을 분석하기 위해, 즉, 클러스터들이 존재하는지 아닌지를 증명하기 위해 유리하게 사용될 수 있다.
특히, 정해진 양의 마이크로/나노메트릭 클러스터들을 준비하는 상기 단계는 기판, 즉, 미리 정해진 체적 및 미리 정해진 형상을 갖는 고체의 표면 상에 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태로 상기 전이 금속의 미리 정해진 양을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 기판 표면은 평방 센티미터 당 적어도 109 클러스터들을 포함한다.
또한, 정해진 양의 클러스터들을 사전 배열하는 단계는 정해진 양의 마이크로/나노메트릭 클러스터들을 소결하는 단계를 제공하며, 이 소결은 결정 구조를 보전하고 실질적으로 상기 클러스터들의 크기를 보전한다.
정해진 양의 클러스터들을 준비하는 상기 단계는 클러스터들의 분말을 용기 내에 수집하는 것, 즉, 정해진 양의 클러스터들 또는 느슨한 클러스터들의 결집체(aggreation)를 수집하는 것을 제공할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판은 그 표면에 평방 센티미터 당 적어도 1010 클러스터들을 포함하고, 특히, 평방 센티미터 당 적어도 1011 클러스터들을 포함하며, 더욱 특정하게는, 평방 센티미터 당 적어도 1012 클러스터들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 클러스터들은 상기 기판 상에 상기 금속의 박층을 형성하며, 그 두께는 1 마이크론보다 작고, 특히, 이러한 두께는 전이 금속의 결정 구조 격자의 크기와 동일하다. 사실상, H- 이온들의 클러스터들 내로의 흡착에 의한 코어 활성화는 단지 몇 개의 표면 결정 층들에 관련한다.
특히, 상기 전이 금속의 증착 단계는 상기 금속의 증기의 물리적 증착 공정에 의해 실행된다.
상기 증착 공정은 스퍼터링 공정일 수 있으며, 여기서, 기판은 진공 하에서 입자 빔에 의해 충돌되는 몸체에 의해 방출되는 원자들의 형태로 정해진 양의 금속을 수용한다.
대안적으로, 증착 공정은 증발 단계 또는 열적 승화 단계와, 금속이 상기 기판 상에 응결되는 후속 응결 단계를 포함할 수 있다.
대안적으로, 증착 공정은 에피텍셜 증착에 의해 수행될 수 있으며, 여기서, 증착은 기판의 구조와 유사한 결정 구조를 획득하고, 따라서, 이러한 파라미터들의 제어를 가능하게 한다.
전이 금속은 스프레잉 공정에 의해서도 증착될 수 있다.
대안적으로, 전이 금속을 증착하는 단계는 금속의 용융점에 가까운 온도까지 금속을 가열하는 단계와, 후속하는 저속 냉각 단계를 제공할 수 있다. 바람직하게, 저속 냉각은 약 600℃의 평균 코어 온도까지 진행된다.
금속 증착 단계에는, 미리 정해진 결정 구조를 갖는 클러스터들 형태로 금속의 "결빙"을 유발하기 위해, 증착된 상태의 전이 금속과 기판을 급속 냉각하는 단계가 이어질 수 있다.
특히, 상기 급속 냉각은 상기 기판 상에 증착된 상태의 상기 전이 금속의 부근에서 수소의 흐름이 유동하도록 함으로써 이루어지며, 상기 흐름은 상기 기판의 온도보다 낮은 미리 정해진 온도를 갖는다.
유리하게는, 상기 수소를 클러스터들과 접촉시키는 단계에는 상기 기판을 세정하는 단계가 선행된다. 특히, 상기 세정 단계는 미리 정해진 시간 동안 350℃와 500℃ 사이에 설정된 온도에서 적어도 10-9 바(bar)의 진공을 적용함으로써 수행된다.
유리하게는, 상기 진공은 미리 정해진 수, 바람직하게는, 10 이상의 진공 사이클들과, 후속하는 수소의 실질적 대기압의 복원에 따라 적용된다. 이 방식으로, 금속 내에 흡착된 가스, 특히, 활성 코어의 금속 내에 흡착된 가스를 양적으로 제거하는 것이 가능하다. 사실상, 이런 가스는 수소 이온들과 원자가 전자들의 플라즈마 사이의 상호작용을 급격히 감소시키며, 초기 흡착이 금속 표면 상에서 이루어진 경우라도 클러스터들 내에서의 수소의 흡착을 제한하거나 막을 수 있다. 기판 및 증착된 금속이 500℃를 상당히 초과한 온도에 노출되는 경우, 클러스터 구조는 치유 불가능하게 손상될 수 있다.
유리하게는, 수소를 상기 클러스터들에 접촉시키는 상기 단계 동안, 상기 수소는 클러스터들의 표면과 수소 분자들 사이의 충돌의 최적 횟수를 보증하기 위해 0.001 밀리바와 10 바 사이에 설정된 분압, 특히, 1 밀리바와 2 바 사이에 설정된 분압을 가지며, 사실상, 잉여 압력은 충돌의 빈도수를 증가시켜 표면 탈착 및 기타 기생적 현상들을 유발할 수 있다.
유리하게는, 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키는 상기 단계 동안, 수소는 3m/s 미만의 속도로 유동한다. 바람직하게는, 상기 수소는 상기 클러스터들의 표면에 실질적으로 평행한 방향을 따라 유동한다. 이런 조건에서, 수소 분자들과 금속 기판 사이의 충돌은 작은 충격 각도에 따라 이루어지며, 이는 클러스터들의 표면 상에서의 흡착을 보조하고, H- 이온 형성의 후속 단계에서 재방출 현상을 방지한다.
유리하게는, 상기 클러스터들 내로의 수소 흡착에 의해 활성 코어를 생성하는 상기 단계는 전이 금속의 망상(reticular) 평면들의 슬라이딩이 발생하는 온도에 근접한 온도에서 수행되며, 슬라이딩이 발생하는 온도는 흡착 피크들 α 및 β에 대응하는 각각의 온도 사이에서 설정된다.
유리하게는, 상기 클러스터들의 전이 금속 원자들에 관한 H- 이온의 농도는 에너지 생성 과정의 효율을 개선하기 위해 0.01보다 크다. 특히, 이 농도는 0.08보다 크다.
유리하게는, 수소를 상기 클러스터들 내로 흡착시킴으로써 활성 코어를 생성하는 상기 단계 이후, 상기 활성 코어를 실온까지 냉각시키는 단계가 제공되며, 일련의 핵 반응을 촉발하는 상기 단계는 상기 실온으로부터 미리 정해진 임계 온도보다 높은 온도까지 상기 활성 코어 온도의 급속한 상승을 제공한다. 특히, 상기 급속한 온도 상승은 5분보다 짧은 시간 내에 이루어진다.
상기 임계 온도는 보통 100과 450℃ 사이, 더욱 빈번하게는 200과 450℃ 사이에 설정된다. 더욱 상세하게, 상기 임계 온도는 상기 금속의 Debye 온도보다 높다.
특히, 상기 핵 반응을 촉발하는 상기 단계는 이하로 구성된 그룹으로부터 선택된 임펄스식 촉발 작용을 제공한다.
- 활성 코어 온도보다 낮은 미리 정해진 온도를 갖는 가스, 특히, 수소의 유동에 의해 유발되는 열적 쇼크,
- 기계적 임펄스, 특히, 그 기간이 1/10초 미만인 기계적 임펄스,
- 초음파 임펄스, 특히, 그 주파수가 20과 40kHz 사이에 설정된 초음파 임펄스,
- 상기 활성 코어 상으로 임펄스식으로 투사되는 레이저 선,
- 전자기 장의 패키지의 임펄스식 인가, 특히, 상기 전자기장들은 그 주파수가 1kHz보다 큰 라디오주파수 펄스, X선, γ선으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨,
- 상기 활성 코어의 전왜 부분을 통해 유동하는 임펄스식 전류에 의해 생성되는 전왜 임펄스,
- 소립자 비임의 임펄스식 인가, 특히, 상기 소립자들은 전자, 양자 및 중성자로 구성된 그룹으로부터 선택됨,
- 원소들의 이온, 특히 하나 또는 그 이상의 전이 금속들의 이온 빔의 임펄스식 인가, 상기 원소들은 O, Ar, Ne, Kr, Rn, N, Xe를 배제한 그룹으로부터 선택됨,
- 상기 활성 코어의 압전 부분의 두 지점들 사이에 인가된 전압 임펄스,
- 자왜 부분을 갖는 상기 활성 코어를 따라 자기장 펄스에 의해 생성된 임펄스식 자왜.
이런 임펄스식 촉발 작용은 그 진폭이 H- 이온들이 제2 활성화 쓰레숄드를 초과할 수 있고 따라서 일시적 금속-수소 착체 이온들을 형성하도록 금속 원자들의 전자들을 치환하기 위해 필요한 조건들을 창출하도록 하는 격자 진동, 즉 음자들(phonons)을 생성한다.
바람직하게는, 상기 핵 반응을 촉발시키는 상기 단계는 상기 활성 코어의 두 지점들 사이에 구배, 즉, 온도 편차를 생성하는 단계와 연관된다. 이 구배는 바람직하게는 100℃와 300℃ 사이에 설정된다. 이것은 H- 이온들이 생성되는 메커니즘에 기초한 부조화 격자 운동을 위한 조건들을 향상시킨다.
유리하게는, 상기 핵 반응에 의해 전달된 상기 에너지를 변조하는 단계가 제공된다.
특히, 상기 변조 단계는 상기 열을 제거하는 단계 동안 하나 또는 그 이상의 활성 코어들을 포함하는 생성 챔버 내/외로 활성 코어들 또는 활성 코어 부분들을 추가 및/또는 제거하는 것을 포함한다.
상기 변조 단계는 수소 유동의 존재하에 상기 활성 코어를 형성하는 상기 전이 금속의 시트들을 접근/이격시키는 단계를 포함한다.
상기 변조 단계는 상기 활성 코어를 형성하는 상기 전이 금속의 시트들 사이에 배열된 박판형 흡착제들 내의 흡착 양자들 및 알파 입자들에 의해 추가로 작동될 수 있다. 이러한 방출 밀도는 상기 파워의 조절을 위한 본질적인 특징이다.
유리하게는, 활성 코어 내의 상기 핵 반응을 중단시키는 단계가 제공되며, 이는 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 작용을 포함한다.
- 추가 기계적 임펄스,
- 미리 정해진 온도 미만, 특히, 상기 미리 정해진 임계 온도 미만으로의 상기 활성 코어의 냉각,
- 상기 활성 코어 상의 가스 유동, 특히, 아르곤 유동.
특히, 상기 핵 반응을 중단하는 단계는 상기 임계 온도 미만으로 열 교환 유체 주입구 온도를 낮추는 것을 포함한다.
유리하게는, 열 생성이 일어나는 상기 일련의 반응은 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 미리 정해진 섹터(sector)의 존재 하에서 수행된다.
- 강도가 1 가우스와 70000 가우스 사이에 설정된 유도 자기장,
- 강도가 1 V/m과 300000 V/m 사이에 설정된 전기장.
또한, 본 발명의 목적들은 수소와 금속 사이의 일련의 핵 반응으로부터 얻어지는 에너지 생성기에 의해 달성되며, 상기 금속은 전이 금속이고, 상기 생성기는,
- 미리 정해진 양의 상기 전이 금속을 포함하는 활성 코어,
- 사용시에 활성 코어를 포함하는 생성 챔버,
- 미리 정해진 임계 온도보다 높은 온도까지 상기 생성 챔버 내의 상기 활성 코어를 가열하기 위한 수단,
- 상기 전이 금속과 상기 수소 사이의 상기 핵 반응을 촉발하기 위한 수단,
- 정해진 파워에 따라 상기 활성 코어에서 상기 반응 동안 발생된 열을 상기 생성 챔버로부터 제거하기 위한 수단을 포함하고,
상기 생성기의 주요 특징은 이하와 같다.
- 상기 활성 코어가 정해진 양의 상기 전이 금속의 결정들을 포함하고, 상기 결정들은 상기 전이 금속에 따른 미리 정해진 결정 구조를 갖는 마이크로/나노메트릭 클러스터들이며, 상기 클러스터들 각각은 원자들의 미리 정해진 수보작 적은 상기 전이 금속의 원자들의 수를 갖는다.
유리하게는, 마이크로/나노메트릭 클러스터들 형태의 상기 전이 금속의 결정들의 상기 정해진 양은 상기 파워에 비례한다.
유리하게는, 상기 클러스터들은 H- 이온들로서 흡착된 수소를 포함한다.
바람직하게는, 상기 활성 코어를 가열하기 위한 상기 수단은 사용시 전류가 유동하는 전기 저항을 포함한다.
특히, 상기 활성 코어는 기판, 즉, 미리 정해진 체적 및 미리 정해진 형상을 갖는 고체를 포함하며, 상기 기판의 표면 상에는, 상기 정해진 양의 상기 전이 금속의 마이크로/나노메트릭 클러스터들이 평방 센티미터 당 적어도 109 클러스터들로, 바람직하게는, 평방 센티미터당 적어도 1010 클러스터들로, 특히, 평방 센티미터당 적어도 1011 클러스터들로, 더욱 특정하게는 평방 센티미터 당 적어도 1012 클러스터들로 증착된다.
유리하게는, 상기 활성 코어는 연장된 표면, 즉, 그 면적이 상기 활성 코어의 볼록한 외피(envelope)의 면적보다 큰 표면을 가지며, 특히, 면적(A) 및 체적(V)이 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 조건에 관련하여 상기 활성 코어에 의해 점유되며,
- A/V > 12/L, 특히 A/V > 100/L,
- A/V > 500 m2/m3,
여기서, L은 상기 활성 코어의 부담량(encumbrance)의 크기이고, 상기 연장된 표면은 특히 상기 수소에 침투성인 본체를 기판으로서 사용하여 얻어지며, 상기 본체는 이하로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
- 상기 전이 금속의 시트들의 패키지, 각 시트는 상기 수소를 흡착할 수 있는 적어도 하나의 면, 특히, 연장된 표면을 포함하는 면을 구비함,
- 소정 형상, 특히, 볼들, 실린더들, 프리즘들, 바아들, 박판들의 입자들을 소결함으로써 얻어진 결집체, 통상적으로 상기 입자들은 나노 또는 마이크로메트릭 과립 형태를 가지며, 상기 입자들은 상기 활성 코어의 공극을 정의함,
- 상기 전이 금속의 마이크로/나노메트릭 클러스터들을 소결하여 얻어진 결집체,
- 용기 내에 수집된 클러스터들의 분말, 상기 볼록 외피는 상기 분말의 용기, 예로서, 세라믹으로 제조된 용기에 의해 제한됨.
바람직하게는, 상기 전이 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Pd, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, 란탄족, 악티늄족, 상술한 금속들 중 둘 또는 둘보다 많은 금속들의 합금으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 특히, 상기 니켈은 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된다:
- 천연 니켈, 즉, 니켈 58, 니켈 60, 니켈 61, 니켈 62, 니켈 64 같은 동위원소들의 혼합물,
- 단지 하나의 동위원소를 포함하는 니켈로서, 상기 동위원소는 이하로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 니켈,
- 니켈 58
- 니켈 60
- 니켈 61
- 니켈 62
- 니켈 64
- 원하는 비율로 이런 동위원소들 중 적어도 두 개를 포함하는 조성.
상기 촉발 수단은 이하와 같을 수 있다:
- 특히, 활성 코어의 온도보다 낮은 미리 정해진 온도에서 유지되는 수소의 유동에 의해 상기 활성 코어 내에 열적 쇼크를 생성하기 위한 수단,
- 기계적 임펄스, 특히, 1/10초 미만으로 지속하는 임펄스를 생성하기 위한 수단,
- 초음파 임펄스를 생성하기 위한 수단,
- 상기 활성 코어 상으로 레이저 선 임펄스를 투사하기 위한 수단,
- 전자기장들의 패키지를 임펄스식으로 인가하기 위한 수단, 특히, 상기 전자기장들은 1kHz보다 큰 주파수의 라디오주파수 펄스, X선, γ선으로 구성되는 그룹으로부터 선택됨,
- 상기 활성 코어의 전왜 부분을 통해 임펄스식 전류를 생성하기 위한 수단,
- 상기 활성 코어의 압전 부분의 두 개의 지점들 사이에 전압 임펄스를 인가하기 위한 수단,
- 소립자들의 비임을 임펄스식으로 인가하기 위한 수단, 특히, 상기 소립자들은 전자, 양자, 중성자 중에서 선택됨,
- 원소들의 이온, 특히 하나 또는 그 이상의 전이 금속들의 이온 비임을 임펄스식으로 인가하기 위한 수단, 상기 원소들은 O, Ar, Ne, Kr, Rn, N, Xe를 배제한 그룹으로부터 선택됨,
- 자왜 부분을 갖는 상기 활성 코어를 따라 자기장 임펄스를 인가하기 위한 수단.
바람직하게는, 구배, 즉, 상기 활성 코어의 두 지점들 사이의 온도 편차를 생성하도록 구성된 수단이 상기 촉발 수단과 연계되며, 특히, 상기 온도 편차는 100℃와 300℃ 사이에 설정된다.
바람직하게는, 상기 활성 코어는 사용시에 상기 생성 챔버의 내벽으로부터 2 mm 미만의 거리에 배열된다. 이 거리가 작동 온도 및 작동 압력에서 수소 분자들의 평균 자유 경로와 비견할만하기 때문에, 이 방식으로, H-이온들의 생성이 강화된다.
유리하게는, 상기 생성기는 상기 핵 반응에 의해 방출된 에너지를 변조하기 위한 수단을 포함한다.
상기 변조하기 위한 수단은 상기 생성 챔버 내/외로 활성 코어들 또는 활성 코어 부분들을 추가/제거하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
특히, 상기 활성 코어는 얇은 시트들의 세트를 포함하고, 바람직하게, 상기 얇은 시트들은 1 마이크론 미만의 두께를 가지며, 이들은 서로 대면하도록 배열되고, 상기 변조하기 위한 수단은 상기 코어 부근에서 유동하는 수소 유동이 변조되는 동안, 상기 시트들을 접근 및/또는 이격시키도록 구성된 구조를 포함한다.
또한, 서로 인접하게 배열된 시트들을 포함하는 활성 코어의 경우에, 상기 변조 수단은 상기 활성 코어를 형성하는 상기 전이 금속의 시트들 사이에 배열된 박판형 흡착제들을 포함할 수 있고, 상기 흡착제들은 상기 반응 동안 활성 코어에 의해 방출된 양자들 및 알파 입자들을 흡수하도록 구성된다.
유리하게는, 상기 생성기는 활성 코어 내의 상기 반응을 중단시키기 위한 수단을 더 포함한다.
특히, 상기 중단 수단은 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된다:
- 추가적 기계적 임펄스를 생성하기 위한 수단,
- 미리 정해진 온도값 미만으로, 특히, 상기 미리 정해진 임계 온도 미만으로 상기 코어를 냉각시키기 위한 수단,
- 가스, 특히 아르곤을 상기 활성 코어 상으로 전달하기 위한 수단.
특히, 상기 활성 코어는 얇은 시트들, 바람직하게는 1 마이크론 미만인 두께를 갖는 상기 시트들의 세트를 포함하고, 상기 시트들은 서로 대면하여 배열되며, 상기 변조 수단은 상기 흡착제들 및 상기 구조들에 의해 제공된다.
유리하게는, 상기 생성기는 상기 활성 코어에 미리 정해진 필드(field)를 생성하기 위한 수단을 포함하고, 상기 필드는 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
- 강도가 1 가우스와 70000 가우스 사이에 설정된 유도 자기장,
- 강도가 1 V/m과 300000 V/m 사이에 설정된 전기장.
유리하게는, 상기 생성기는 고체 기판 상에 정해진 양의 클러스터들을 생성하기 위한 섹션을 포함하며, 상기 섹션은 이하를 포함한다.
- 클러스터 준비 챔버,
- 상기 클러스터 준비 챔버 내에 상기 기판을 탑재하기 위한 수단,
- 상기 클러스터 준비 챔버 내의 상기 기판 주변에 진공 조건들을 생성 및 유지하기 위한 수단, 특히, 10-9 바 이하의 잔류 압력을 생성 및 유지하기 위한 수단,
- 상기 클러스터 준비 챔버 내에서 상기 기판을 고온으로 가열 및 유지하기 위한 수단, 특히, 잔류 압력이 10-9 바 이하일 때 상기 기판을 350℃와 500℃ 사이에 설정된 온도가 되게 하고 그 온도에 유지하기 위한 수단,
- 바람직하게는 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 기술에 의해 상기 기판 상에 상기 전이 금속을 증착하기 위한 수단,
- 스퍼터링 기술,
- 스프레잉 기술,
- 증발 및 그 후 상기 기판 상에 상기 미리 정해진 양의 상기 금속의 응결을 포함하는 기술,
- 에피텍셜 증착 기술,
- 상기 금속의 용융점에 근접한 온도까지 금속을 가열하는 것을 포함하는 기술, 상기 가열에는 저속 냉각이 이어짐,
- 상기 결정 구조를 갖는 클러스터들로서 상기 전이 금속이 결빙되도록 상기 전이 금속과 상기 기판을 급속 냉각시키기 위한 수단.
유리하게는, 정해진 양의 클러스터들을 생성하기 위한 상기 섹션은 상기 증착 단계 동안 물리적 특성, 특히 이하로부터 구성된 그룹으로부터 선택된 물리적 특성의 전이를 검출하기 위한 수단을 포함한다:
- 열 전도성,
- 전기 전도성,
- 굴절 지수,
상기 전이는 성장하는 클러스터 내의 상기 전이 금속 원자들의 상기 미리 정해진 수가 초과될 때 발생한다.
유리하게는, 정해진 양의 클러스터들을 생성하기 위한 상기 섹션은 상기 증착 단계 동안 클러스터 표면 밀도, 즉, 상기 표면의 1 평방 센티미터 내 평균 클러스터들의 수를 검출하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 정해진 양의 클러스터들을 생성하기 위한 상기 섹션은 상기 클러스터들의 전이 금속 원자들에 대해 H- 이온들의 농도를 제어하기 위한 농도 제어 수단을 포함한다.
바람직하게는, 정해진 양의 클러스터들을 생성하기 위한 상기 섹션은 상기 두께가 1 나노미터와 1 마이크론 사이에 설정되는 것을 보증하기 위해 상기 클러스터들의 층의 두께를 제어하기 위한 두께 제어 수단을 포함한다.
유리하게는, 상기 생성기는 활성 코어를 생성하기 위한 섹션을 포함하고, 활성 코어를 생성하기 위한 상기 섹션은 이하를 포함한다:
- 상기 생성 챔버와는 별개인 수소 처리 챔버,
- 상기 처리 챔버 내에 상기 정해진 양의 클러스터들을 탑재하기 위한 수단,
- 미리 정해진 임계 온도보다 높은 온도까지 상기 수소 처리 챔버 내의 상기 정해진 양의 클러스터들을 가열하기 위한 수단,
- 상기 수소 처리 챔버 내에서 상기 수소를 유동시키기 위한 수단, 상기 수소는 미리 정해진 분압, 특히, 0.001 밀리바와 10 바 사이, 특히, 1 밀리바와 2 바 사이에 설정된 분압을 가짐,
- 상기 수소 처리 챔버로부터 상기 생성 챔버 내로 상기 활성 코어를 전달하기 위한 수단.
바람직하게는, 상기 수소를 유동시키기 위한 수단은 상기 수소가 상기 기판의 노출된 표면에 실질적으로 평행한 방향을 따라 유동하도록 하며, 특히, 상기 수소는 3 m/s 미만의 속도를 갖는다.
유리하게는, 상기 활성 코어를 생성하기 위한 상기 섹션은 상기 준비된 활성 코어를 실온까지 냉각시키기 위한 수단을 포함하고, 상기 생성 챔버 내에서 상기 활성 코어를 가열하기 위한 수단은 5분 미만의 시간에 100과 450℃ 사이에 설정된 상기 미리 정해진 온도까지 상기 활성 코어를 가열하도록 구성된다.
특히, 상기 클러스터 준비 챔버 내에서의 상기 급속 냉각 및/또는 상기 수소 처리 챔버 내에서의 실온까지의 상기 냉각은 상기 활성 코어 상의 상기 수소 유동에 의해 얻어지며, 상기 유동은 상기 활성 코어의 온도보다 낮은 미리 정해진 온도를 갖는다.
본 발명의 목적은 또한 이하를 포함하는 에너지 생성 장치에 의해서도 달성된다:
- 제1의 미리 정해진 압력에서 증기 또는 가스 상태의 물질을 생성하기 위한 수단, 상기 생성 수단은 열원과 연계됨,
- 유용한 일을 생성하면서 상기 제1의 압력으로부터 제2의 미리 정해진 압력까지 상기 물질을 팽창시키기 위한 수단,
- 상기 물질을 미리 정해진 온도까지 냉각하기 위한 수단, 특히, 상기 미리 정해진 온도는 증기 상태의 상기 물질의 증발 온도 미만임,
- 상기 냉각된 물질을 상기 제1 압력까지 압축하기 위한 수단,
여기서, 상기 수단은 실질적으로 고정된 양의 상기 물질에 의해 순차적으로 교차되고, 상기 압축을 위한 수단은 상기 생성을 위한 수단에 공급하며, 이 장치의 주요 특징은 상기 열원이 위에서 정의된 수단과 같이 본 발명에 따른 에너지 생성기를 포함한다는 것이다.
특히, 상술한 장치는 닫힌 랭킨(Rankine) 사이클을 사용하며, 바람직하게는, 열역학적 유체는 적어도 톨루엔, 또는 ORC 유체, 특히, HFC 245fa 또는 간단히 245fa로도 알려져 있는 1,1,1,3,3 펜타플루오로프로판에 기초한 유체의 경우만큼 높은 임계 온도 및 임계 압력을 갖는 유기 유체이다.
본 발명은 아래 첨부 도면들을 참조하여, 예시적이며 제한적이지 않은 본 발명의 전형적인 실시예의 다음의 설명에 의해 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 블록도이다.
도 2는 기판의 표면 상에 증착된 클러스터들에 의해 형성된 결정 층의 개략도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도에 있어서 클러스터들과 수소 사이의 상호작용의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법에 사용되기에 가장 적합한 전이 금속들을 나타낸다.
도 5는 전이 금속 원자에 의한 음 수소 이온의 궤도 포획을 개략적으로 나타낸다.
도 6, 도 7 및 도 8은 면심 입방 결정 구조의 개략도들이다.
도 9는 체심 입방 결정 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 10은 육방 밀집 결정 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 11은 이러한 결정 구조에서의 수소 원자 분포의 개략도이다.
도 12는 클러스터 표면 구조를 획득하기 위한 도 1의 클러스터들을 사전 배열하는 단계의 부분들의 블록도이다.
도 13은 도 12에 도시된 것의 전형적인 온도 프로파일을 도시한다.
도 14는 활성 코어를 얻기 위한 클러스터들을 사전 배열하는 단계와 상기 클러스터들의 수소 처리 단계의 부분들의 블록도이다.
도 15는 도 14에 도시된 단계들을 포함하는 공정의 전형적인 열적 프로파일을 도시한다.
도 16은 전이 금속에 흡착된 수소의 임펄스식으로 촉발된 핵 반응에 의해 본 발명에 따라 에너지를 생성하기에 적합한 반응기를 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 활성 코어를 준비하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 18은 도 16의 반응기와 도 17의 장치를 포함하는 생성기를 개략적으로 도시한다.
도 19 내지 도 23은 본 발명에 따른 활성 코어의 대안적인 전형적 실시예들을 도시한다.
도 24는 활성 코어를 따라서 온도 구배를 도시한다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여, 수소(31)와 전이 금속(19) 사이의 일련의 핵 반응에 의해 에너지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법의 전형적 실시예(100)가 설명된다. 이 전형적 실시예에 따르면, 본 방법은 클러스터들(21), 예로서, 기판(22) 상에 클러스터들의 층(20)을 사전 배열하는 단계(110)를 제공하며, 이 층(20)은 표면(23)에 의해 정의된다. 바람직하게는 1 나노미터와 1 마이크론 사이에서 설정된 두께(d)의 결정층(20)이 개략적으로 도시되어 있다. 금속은 증착된 상태의 결정이 통상 미리 정해진 임계적인 수보다 적은 수의 전이 금속 원자들을 갖는 것을 보증하도록 구성된 공정으로 증착되는데, 상기 임계적인 수를 초과하면 결정 물질이 클러스터의 특징을 소실한다. 기판 상에 클러스터들을 사전 배열하는 경우에, 증착 공정은 표면(23)의 1 평방 센티미터가 평균적으로 적어도 109 클러스터들(21)을 형성하는 것을 보증하도록 구성된다.
본 방법은 그 후 수소(31)를 이용한 클러스터들의 처리 단계(120)를 제공하며, 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이 표면(23) 상에 흡착된 수소 분자들(33)의 개체군을 획득하기 위해 수소(31)가 클러스터들(21)의 표면(23)과 접촉하게 된다. 분자들(33)의 균질용해 또는 이질용해 분리를 갖게 되어 수소의 각각의 이가 분자(33)로부터 각각 한 쌍의 수소 원자들(34) 또는 수소의 음의 H- 이온(35)과 수소의 양의 H+ 이온(36)으로 구성되는 쌍을 획득할 때까지 수소 분자들의 원자들 사이의 결합이 약화된다. 결합을 약화시키고 특히, H- 이온(35)을 형성하는 이 공정에 대한 기여는, 도 15에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 임계 온도(TD)보다 높은 온도(T1)까지 클러스터들 표면(23)의 가열 단계(130)에 의해 제공되며, 이 가열은 또한 클러스터들(21) 내에서 H- 이온들(37) 형태의 수소 흡착을 유발한다(도 3).
이 형태로 흡착된 수소(37)를 갖는 클러스터들(21)은 핵 반응에 이용될 수 있는 활성 코어를 나타내며, 이 핵 반응은 촉발 단계(140)에 의해 시작될 수 있다; 이러한 단계는, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전자(42)의 결과적 교환과 함께, 클러스터 내에 흡착된 H- 이온들(37)이 클러스터들의 원자(38)에 의해 포획되게 하는 에너지 임펄스(26)를 공급하는 것으로 구성되며, 그 결과 일련의 반응이 열(27)의 생성 단계(160)가 연계되어 있는 에너지(43) 방출을 유발하고, 이 열의 생성 단계는 도시되지 않은 사용처를 향한 이 열의 제거 단계(170)를 필요로 한다.
클러스터들(21)을 사전 배열하는 단계(110) 동안, 클러스터들의 전이 금속 원자들의 미리 정해진 수는 예를 들면 열 전도성, 전기 전도성, 굴절 지수 사이에서 선택되는 전이 금속의 물리적 특성을 관찰함으로써 제어된다. 이들 물리적 양들은 결정 결집체의 원자들의 수가 임계 수를 초과할 때 순 전이를 갖는데, 임계 수를 초과하면 결집체가 클러스터의 특성을 잃게 된다. 각 전이 금속에 대하여, 사실상 이는 그 아래에서는 Kohn-Sham에 따른 이산적 레벨 구조가 Thomas-Fermi에 따른 밴드 구조에 대해 우세한 경향이 있는 검출가능한 원자들의 수이며, 이는 클러스터들의 많은 특징을 규정하는 주요 특징들의 원인이 되고, 클러스터들을 사전배열하는 단계(110) 동안 표면(23)의 성질을 결정하기 위해 그 중 일부 특성들이 사용된다.
도 4에서, 화학 원소들의 주기율표에서, 위치는 상기 공정에 적합한 전이 금속들을 나타낸다. 이들은 상세히 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Pd, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, 란탄족, 악티늄족, 상술한 금속들 중 둘 또는 둘 이상의 합금이다. 이들은 이하의 4개 전이 금속 그룹들 중 하나에 속한다:
- 부분적으로 채워진 3d-쉘을 갖는 금속들, 예를 들어, 니켈,
- 부분적으로 채워진 4d-쉘을 갖는 금속들, 예를 들어, 로듐,
- 부분적으로 채워진 5d-쉘을 갖는 금속들, 즉, "희토류" 또는 란탄족, 예를 들어, 세륨,
- 부분적으로 채워진 5d-쉘을 갖는 금속들, 즉, 악티늄족, 예를 들어, 토륨. 전이 금속들의 특정 전자 구조는 사실상 부조화성의 조건들이 생성되어, 웨이브 벡터들이 음자들(phonons) 서로간에 합쳐지고, 이는 또한 불연속 표면인 금속의 표면에서 간섭하며, 클러스터들 내의 공간 위상 및 시간 위상 양자 모두에서 망상(reticular) 요동이 생성되게 하며, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 그 최종 작용이 H- 이온(37)의 궤도 포획인 연쇄 과정을 시작하는데 필요한 에너지 "갭"이 초과되게 한다. 산업적으로 수용가능한 결과를 달성하기 위해, 디바이 온도(Debye temperature; TD)보다 높은 온도, 예로서, 도 15에 도시된 바와 같은 온도(T1)에 도달할 필요가 있으며, 도 15는 가열 단계(130)에서 열 제거 단계(170)까지의 전형적 온도 경향을 보여 주며, 열 제거 단계(170) 동안 균형 값이 활성 코어(1)에서으 온도(Teq)로 얻어진다. 촉발 단계는 도 24에 예로서 도시된 바와 같이, 활성 코어(1)의 금속 표면을 따른 열 구배(△T)의 존재에 의해 보조된다.
클러스터들(21)(도 2 및 도 3)은 선택된 전이 금속들 또는 전이 금속의 합금에 전형적인 결정 구조(19)를 갖는다. 도 6 내지 도 10에서, 개방 면들을 갖는 결정 레티큘들(reticules)이 도시되어 있으며, 이들은 이런 구조적 배열에 의해 클러스터(21) 내로의 H- 이온(37)(도 3) 형태의 수소의 흡착을 위한 공정을 보조한다. 이들은 이하를 포함한다.
- 면심 입방 결정 구조, fcc(110)(도 6, 도 7 및 도 8),
- 체심 입방 결정 구조, bcc(111)(도 9).
- 육방 밀집 구조, hcp(1010)(도 10).
예로서, 니켈은 도 6의 사시도에 도시된 면심 입방 결정 구조에 따라 결정화할 수 있으며, 여기서, 대각선 평면에 따라 배열된 6개 원자들(2)이 도시되어 있다.
도 7에는 도 6의 구조에 따라 배열된 복수의 원자들을 포함하는 3차원 모델의 상면도가 도시되어 있으며, 도 8은 상부 레벨 원자들 사이에에 공간(60)으로부터 분리된 두 개의 서로 다른 열들로 배열된 6개 원자들(2)을 도시하고 있는 모델의 추가적 사시도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 공간(60)에서, 수소 원자들(37)은 흡착된 H- 이온들의 형태로 상술한 결정 구조에 배열되어 있다. 또한, 이것은 도 9의 사시도에 도시된 바와 같이 체심 입방 결정 구조로 결정화하는 전이 금속들에 대해서도 발생하며, 여기서, 5개 원자들(2)이 정육면체(cube)의 대각선 평면의 중심에, 그리고, 꼭지점들에 배열되어 있는 상태로 도시되어 있으며, 도 10의 구조로 결정화하는 금속들에 대해서도 발생한다.
클러스터들(110)을 사전 배열하는 단계는, 기판의 표면 상에 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태로 상기 전이 금속의 미리 정해진 양을 증착함으로써 얻어진 활성 코어의 경우에, 도 12의 블록도 및 도 13의 온도 프로파일에 더 상세히 도시되어 있다. 특히, 준비 챔버 내에 기판을 탑재하는 단계(111) 이후에, 바람직하게는 스퍼터링 또는 스프레잉 또는 에피텍셜 증착에 의해 기판 상에 전이 금속을 증착하는 단계(113)가 제공되며, 증착된 금속은 그 후 초기 융합 상태가 되게 하기 위해 용융 온도(Tf)(도 13)에 근접한 온도까지 추가로 가열되며, 그 후, 이어서, 특히, 약 600℃의 평균 코어 온도까지의 저속 냉각(단계 118)이 이어지고, 그 후, 실온까지의 급속 냉각(119)이 이루어진다. 이는 고온에서 얻어진 클러스터 구조를 "결빙"시키는 목적을 가지며, 만약 저속 냉각(118)이 지속된다면, 클러스터 크기에서 중지되지 않고, 평형을 향해 달리 전개되었을 것이다.
도 14에, 클러스터(110)를 사전 배열하는 대안적 단계가 도시되어 있으며, 여기서, 증착 단계(113) 후에 기판 세정 단계(114)가 이어지고, 이는 바람직하게 적어도 350℃의 온도에서 적어도 10-9 bar의 진공을 반복적으로 생성 및 제거함으로써 수행된다. 이런 동작 조건들, 특히, 매우 높은 진공은 기판 내에 흡착되거나 기판 상에 흡착된 임의의 가스를 양적으로 제거하는 목적을 가지며, 이는 표면(23)의 원자가(valence) 전자 플라즈마와 수소 이온들 H- 사이의 상호작용을 크게 감소시켜 물리적 표면 흡착이 달성되었더라도 클러스터들(21) 내에 수소(31)의 흡착을 피하게 한다. 그 후, 처리 단계(120)가 차가운 수소의 유동에 의해 클러스터들(21)에 이어지고, 이는 또한 급속 냉각 단계(119)를 유발한다. 도 15의 도면에 도시된 바와 같이, 냉각 단계(119)의 기간에, 활성 코어의 온도는 임계 온도(TD)보다 높으며, 이는 클러스터들(21)(도 3) 내의 수소 음 이온들(37)의 흡착을 허용하고, 그래서, 단계(110) 종료시, 급속 냉각 단계(119) 이후에, 수소에 의한 특정 처리 및 특정 가열 단계(130)가 필요하지 않고 촉발되도록 구성된 활성 코어가 얻어진다(도 1과 대비).
임의의 경우에, 수소 공급 단계(120)는 0.001 밀리바(millibar)와 10 바 사이, 바람직하게는 1 밀리바와 2 바 사이의 상대적 압력을 제공하기 위해 수행되어, 특히 표면 탈착 및 기타 과잉 압력에 의해 유발되는 비의도적 현상들을 피하면서 표면(23)에 대한 수소 분자들(31) 충격의 최적 횟수를 보증하며; 또한, 수소 분자들(31)(도 3)의 속도(32)는 3 m/s 미만이고, 흡착을 보조하고 역방향 방출 현상들을 피하는 작은 충격 각도(39)를 획득하기 위해 표면(23)에 실질적으로 평행한 방향을 갖는다.
도 15에, 또한, 초과시 망상 평면들이 슬라이딩하기 시작하는 온도가 도시되어 있으며, 이는 흡착 피크들(α, β)에 대응하는 온도들 사이에 설정되고, 이를 초과하면, 클러스터들(21) 내 H- 이온들(37)의 흡착이 잘 일어난다.
또한, 도 15는 임계 온도(TD)보다 높은 온도에서 실행되는 수소의 흡착 단계 이후, 냉각 단계(119)가 활성 코어의 실온에서 수행되는 경우도 설명한다. 촉발 단계(140)는 실온으로부터 시작하여 금속의 Debye 온도(TD)보다 높은 미리 정해진 온도(T1)까지의 특정 가열 단계(130) 후에 이어지며, 이 가열 단계는 클러스터들의 구조에 영향을 주지 않고 및/또는 촉발 단계(140) 이전에 탈착 현상들을 유발하지 않도록 가능한 한 짧은 시간(t*)에, 바람직하게는 5분 미만에 이루어진다.
임계 온도(TD)는 일반적으로, 100 및 450 ℃ 사이, 더욱 바람직하게는 200 및 450 ℃ 사이에서 설정되며, 이하에서, Debye 온도는 상술된 금속들 중 일부에 대해 다음과 같이 표시된다: Al 426K; Cd 186K; Cr 610K; Cu 344.5K; Au 165K; α-Fe 464K; Pb 96K; α-Mn 476K; Pt 240K; Si 640K; Ag 225K; Ta 240K; Sn 195K; Ti 420K; W 405K; Zn 300K.
이러한 임펄스식 촉발 작용은 H- 이온들이 제2 활성화 쓰레숄도(threshodl)를 통과하고 금속 원자들의 전자들을 대체하여 금속-수소 착체 이온들(도 5)을 생성하기 위해 필요한 조건들을 달성하는 진폭을 갖는 격자 진동, 또는 음자들을 생성한다.
H- 이온들(37)의 궤도 포획은 특히, 100℃와 300℃ 사이로 설정되는 활성 코어의 두 지점들 사이의 온도 구배에 의해 보조되는데, 이 온도 구배는 도 24에 도시된 예와 같은 경향을 갖는다.
도 16에, 본 발명에 따른 에너지 생성기(50)가 도시되어 있으며, 이는 생성 챔버(53) 내에 수납된 활성 코어(1)를 포함한다. 상기 활성 코어는 도시되지 않은 전동력의 소스에 연결될 수 있는 전기 권선(56)에 의해 가열될 수 있다. 원통형 벽(55)은 환형 챔버(54)로부터 생성 챔버(53)를 분리시키고, 상기 환형 챔버는 원통형 외부 벽(51)에 의해 정의되며 열 교환 유체를 위한 입구(64) 및 출구(65)를 갖고, 상기 열 교환 유체는 핵 반응 동안 발생되는 열을 제거하기 위해 사용된다. 중앙 부분(51)의 단부들은 각각 부분(52) 및 부분(59)에 의해 해제가능한 방식으로 폐쇄되는데, 이들은 또한 동작 위치에서 단부들을 지지하도록 구성되어 있다.
나아가, 생성기(50)는,
- 활성 코어의 전왜 부분을 통해 임펄스식 전류를 생성하기 위한 수단과,
- 활성 코어 상에 레이저 임펄스를 투사하기 위한 수단으로 구성되는 핵 반응을 촉발하기 위한 수단(61, 62, 67)을 포함한다.
도 19 내지 도 23에, 수소에 투과성인 본체, 예로서, 전이 금속의 시트들(82)의 패키지(81)를 기판으로서 사용하는 연장된 표면을 갖는 활성 코어의 세 가지 다른 실시예들이 도시되어 있으며, 여기서, 표면(83)은 순차적으로 다공성 표면이다; 대안적으로, 활성 코어는 또한 어떤 형상이든, 바람직하게는 나노 또는 마이크로 과립 형상을 갖는 복수의 입자들, 특히, 마이크로/나노메트릭 클러스터들일 수도 있다. 이런 입자들은 원하는 형상을 갖는 본체(85)를 형성하도록 도 20에 도시된 바와 같이 소결될 수 있거나, 이들은 바람직하게는 세라믹인 용기(84) 내에 느슨하게 수납될 수 있다. 도 22에 도시된 다른 가능성은 튜브 번들(bundle, 86)로 구성되며, 여기서, 튜브들(87)은 적어도 각 튜브(87)의 표면 부분 상에 클러스터들의 형태로 증착되는 전이 금속의 층(88)을 위한 기판으로서 작용한다.
도 17의 장치는 진공 조건들을 내부에 형성 및 유지하기 위한 도시되지 않은 수단과 관련된 기다란 케이싱(10)을 가진다. 특히, 기판을 세정하는 단계 동안 잔류 압력은 불순물들, 특히, 수소가 아닌 가스를 제거하기 위해 10-9 bar(절대압력) 이하로 유지된다. 또한, 케이싱(10) 내에서 기판(3)을 이동시키기 위한 수단이, 도면들에 도시되어 있지 않으나, 순차적으로, 적어도 세 개의 스테이션들(11, 12, 13) 상에 제공된다. 스테이션(11)은 기판(3)의 표면이 스퍼터링 공정에 의해 클러스터들의 형태로 전이 금속의 층으로 코팅되는 클러스터들의 준비를 위한 챔버이다. 챔버(11)에는, 도시되어 있지는 않지만, 기판을 350℃ 이상으로 올려서 유지하기 위한 수단이 제공된다. 스테이션(12)에서, 상대 압력 1 밀리바와 2 바 사이에서 바람직하게 설정된 압력에서 금속 상에 흡착되도록 차가운 수소를 공급함으로써 기판 상에 증착된 금속의 냉각 단계(119)가 수행된다(도 14 및 도 15). 대신 스테이션(13)에서는, 기판(3) 상에 증착된 결정들의 클러스터들의 특성을 형성하기 위해 예로서, 열 전도성, 전기 전도성 또는 굴절 지수 같은 물리적 특성을 계산함으로써, 결정 구조의 제어 단계가 수행되며, 바람직하게는 또한, 클러스터 표면 밀도 및 결정 층의 두께 제어가 수행된다.
도 18은 단일의 폐쇄된 케이싱(90)을 포함하는 장치(80)를 개략적으로 도시하며, 여기에는, 도 17에 도시된 유형의 활성 코어(1)를 준비하기 위한 섹션 및 반응기(50)가 포함되고, 따라서, 오염으로부터, 특히, 클러스터들의 증착 단계와 반응들의 촉발 단계 사이의 시간 동안 수소 이외의 가스로부터 코어를 보전한다.
특정 실시예에 대한 상술한 설명은 개념적 관점에 따라 본 발명을 완전히 드러낼 것이며, 그래서, 현재의 지식을 적용함으로써 타인들은 본 발명으로부터 벗어나지 않고, 추가적 연구 없이 이런 실시예를 다양한 용례들을 위해 변형 및/또는 적응시킬 수 있을 것이며, 따라서, 이런 적응형들 및 변형들은 특정 실시예와 대등한 것으로 고려되어야 한다. 본 명세서에 설명된 서로 다른 기능들을 실현하기 위한 수단 및 재료들은 이 때문에 본 발명의 분야로부터 벗어나지 않고 다른 특성을 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 구문 및 용어는 제한이 아닌 설명의 목적을 위한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (15)

  1. 수소와 금속 사이의 핵 반응에 의해 에너지를 생성하기 위한 방법에 있어서,
    - 전이 금속의 정해진 양의 결정들을 사전 배열하되, 상기 결정들은 미리 정해진 결정 구조를 갖는 마이크로/나노메트릭 클러스터들로서 배열되고, 상기 클러스터들 각각은 미리 정해진 원자들의 수 미만의 상기 전이 금속의 원자들의 수를 갖고,
    - 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키고,
    - 미리 정해진 임계 온도보다 높은 흡착 온도까지 상기 정해진 양의 클러스터들을 가열하고 H- 이온들로서 수소의 상기 클러스터들 내로의 흡착을 유발하되, 상기 가열 단계 이후, H- 이온들로서 상기 수소가 활성 코어 내에서의 상기 핵 반응에 이용가능하게 남아 있고,
    - 상기 H- 이온들이 상기 클러스터들의 각각의 원자들에 포획되게 하는 상기 활성 코어에 대한 임펄스식 작용에 의해 H- 이온들로서의 상기 수소와 상기 클러스터들 내의 상기 금속 사이의 상기 핵 반응을 촉발하되, 일련의 상기 반응들은 열의 생성을 유발하고,
    - 상기 활성 코어로부터 정해진 파워에 따라 열을 제거하고, 상기 임계 온도 위에 상기 활성 코어의 온도를 유지하는 단계들을 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 사전 배열하는 단계는 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태의 상기 전이 금속 결정들의 상기 정해진 양이 상기 파워에 비례하는 방식으로 수행되는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 정해진 양의 마이크로/나노메트릭 클러스터들을 사전 배열하는 상기 단계는,
    - 미리 정해진 체적 및 형상을 갖는 고체인 기판의 표면 상에 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태로 미리 정해진 양의 상기 전이 금속을 증착하되, 상기 기판은 최소 수, 특히, 평방 센티미터 당 적어도 109 클러스터들인 최소 수, 바람직하게는, 평방 센티미터 당 적어도 1010 클러스터들, 더욱 특정하게는 평방 센티미터 당 적어도 1011 클러스터들, 더 더욱 특정하게는 평방 센티미터 당 적어도 1012 클러스터들인 최소 수보다 큰 수의 클러스터들을 그 표면 상에 포함하고,
    - 소결에 의해 상기 정해진 양의 마이크로/나노메트릭 클러스터들을 결집시키되, 상기 소결은 상기 클러스터들의 결정 구조를 보전하고, 상기 소결은 상기 클러스터들의 크기를 실질적으로 보전하고,
    - 정해진 양의 클러스터들 또는 느슨한 클러스터들의 결집체인 상기 클러스터들로 제조된 분말을 용기 내에 수집하는 것으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 단계를 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 전이 금속을 증착하는 단계는 상기 금속으로 형성된 금속 증기의 상기 기판 상에의 물리적 증착 공정에 의해 실행되는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 전이 금속을 증착하는 단계는,
    - 스퍼터링,
    - 상기 금속의 상기 미리 정해진 양의 증발 또는 승화와, 그 후, 상기 기판 상에서의 응결을 포함하는 공정,
    - 에피텍셜 증착,
    - 스프레잉,
    - 용융점에 접근할 때까지 가열하고, 후속하여, 특히, 약 600℃의 평균 코어 온도까지의 저속 냉각이 이어지는 것으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 실행되는 방법.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 전이 금속의 미리 정해진 양을 증착하는 단계 이후, 상기 결정 구조를 갖는 클러스터들에 따라 상기 전이 금속의 "결빙"을 유발하기 위해 상기 기판과 상기 증착된 금속을 급속 냉각하는 단계가 제공되며,
    상기 급속 냉각 단계는 템퍼링, 상기 기판 상에 증착된 상기 전이 금속 부근으로 상기 기판의 온도보다 낮은 미리 정해진 온도를 갖는 수소의 흐름을 유동시키는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키는 상기 단계에는, 상기 기판을 세정하는 단계, 특히 미리 정해진 시간 동안 350℃와 500℃ 사이에서 설정된 온도에서 적어도 10-9 바의 진공을 적용하는 것이 선행되되, 특히, 상기 진공은 수소의 실질적 대기압의 복원에 이어서 적어도 10번의 진공 적용 사이클들에 따라 적용되는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 수소를 상기 클러스터들과 접촉시키는 상기 단계 동안, 상기 수소는,
    - 0.001 밀리바와 10 바 사이, 특히, 1 밀리바와 2 바 사이에서 설정된 분압을 갖는 조건, 및
    - 3 m/s 미만의 속도로, 특히 상기 클러스터들의 표면에 실질적으로 평행한 방향을 따라 유동하는 조건
    중 적어도 하나를 충족시키는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착 온도는 상기 전이 금속의 망상 평면들을 슬라이딩시키는 온도, 특히, 흡착 피크들 α와 β에 대응하는 온도 사이에 설정된 온도에 근접한 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 정해진 양의 클러스터들을 가열하는 단계 이후, 상기 활성 코어를 실온까지 냉각시키는 단계가 제공되며, 상기 핵 반응을 촉발하는 단계는 상기 실온으로부터 상기 흡착 온도까지의 상기 활성 코어 온도의 급격한 상승을 제공하고, 특히, 상기 급격한 상승은 5분보다 짧은 시간에 수행되는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 핵 반응을 촉발하는 단계는, 망상 진동의 부조화성을 강화하고 H- 이온들의 생성을 보조하기 위해, 상기 활성 코어의 두 지점들 사이의 구배인 온도 편차를 생성하는 단계와 연계되되, 상기 구배는 특히 100℃와 300℃ 사이에서 설정되는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 클러스터들은 면심 입방 결정 구조, fcc(110)을 갖는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 열을 생성하는 상기 반응들은
    - 1 가우스와 70000 가우스 사이에 설정된 강도의 자기 유도장,
    - 1 V/m과 300000 V/m 사이에 설정된 강도의 전기장으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 자기 및/또는 전기장의 존재하에 발생하는 방법.
  14. 수소와 금속 사이의 일련의 핵 반응으로부터 달성되는 에너지 생성기에 있어서,
    상기 금속은 전이 금속이고,
    상기 생성기는
    - 미리 정해진 양의 상기 전이 금속을 포함하는 활성 코어와,
    - 사용시 상기 활성 코어를 포함하는 생성 챔버와,
    - 미리 정해진 임계 온도보다 높은 온도까지 상기 생성 챔버 내의 상기 활성 코어를 가열하기 위한 수단과,
    - 상기 전이 금속과 상기 수소 사이의 상기 핵 반응을 촉발하기 위한 수단과,
    - 정해진 파워에 따라 상기 활성 코어 내의 상기 반응 동안 발생하는 열을 상기 생성 챔버로부터 제거하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 활성 코어는 정해진 양의 상기 전이 금속의 결정들을 포함하고, 상기 결정들은 정해진 구조를 갖는 마이크로/나노메트릭 클러스터들이며, 상기 클러스터들은 평균적으로 미리 정해진 원자들의 수보다 작은 상기 전이 금속의 원자들의 수를 포함하는 에너지 생성기.
  15. 청구항 1에 있어서, 마이크로/나노메트릭 클러스터들의 형태의 상기 전이 금속 결정들의 정해진 양은 상기 파워에 비례하는 방법.
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