KR20120069683A - 향상된 융합 연료 - Google Patents

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Abstract

발전 분야에서 원자핵 융합 반응의 연료로 사용되는 신규한 화합물을 개시한다. 화합물은 11붕소 중수소화물로 붕소 수소화물의 유사체이다. 또한 이 화합물의 제조 방법을 개시한다.

Description

향상된 융합 연료{ADVANCED FUSION FUEL}
본 발명은 융합 발전(power generation)용 신규한 연료에 관한 것이다.
화학에서, 보란(borane)은 붕소 및 수소의 화학적 화합물이다. 보란은 BxHy의 일반식을 갖는 화합물의 큰 군을 포함한다. 이들 화합물은 자연에서 존재하지 않는다. 많은 합성 보란이 알려져 있다. 몇몇 구별되는 군으로 나뉜다. 보란 계열의 이름은 클러스터 기하학(cluster geometries)에 대한 일반적인 방식으로부터 유래된다.
? 하이퍼클로소(hypercloso)-("오버 케이지(over cage)"라는 그리스어에서 유래) 닫힌 완전 클러스터, 예를 들면 B8Cl8, 약간 비틀린 12면체.
? 클로소(closo)- ("케이지"라는 그리스어에서 유래) 닫힌 완전 클러스터, 예를 들면 B12H12 2-, 20면체.
? 니도(nido)- ("네스트"라는 라틴어에서 유래) B는 n+1 델타다면체(deltahedron)의 n개의 꼭짓점을 차지함, 예를 들면 B5H9, 1개의 꼭짓점이 없는 8면체.
? 아라크노(arachno)- ("거미줄(spiders web)"이라는 그리스어에서 유래) B는 n+2 델타다면체의 n개의 꼭짓점을 차지함, 예를 들면 B4H10, 2개의 꼭짓점이 없는 8면체.
? 하이포(hypho)- ("넷(net)"이라는 그리스어에서 유래) B는 n+3 델타다면체의 n개의 꼭짓점을 차지하며, B8H16이 이 구조를 갖는 것이 가능함, 3개의 꼭짓점이 없는 8면체.
? 컨정토(conjuncto)- 상기 중 2개 이상이 함께 융합됨.
첫번째 두 군 외에, 보란은 다면체의 형태이다. 예외인 "클로소-" 및 "하이퍼클로소-" 형태는 대칭이고 동일한 수의 붕소 및 수소 원자를 가진다. 그러나 하이퍼클로소- 형태만 안정적인 중성 형태를 가진다.
붕소 수소화물 중 어느 것이든 융합 반응에 사용될 수 있지만, B10H10 또는 B12H12와 같은 하이퍼클로소- 형태가 다음 두 이유 때문에 바람직한 후보로 여겨진다:
? 대칭: 케이지형(caged form)이 다양한 접힌 다면체보다 더 우수한 대칭으로 압축될 것이라는 것을 제안하는 강력한 증거가 있다.
? 화학양론: 붕소 수소화물의 하이퍼클로소- 형태는 동일한 수의 붕소 및 수소 원자를 가진다. 융합을 위해 양성자(수소의 이온화된 상태)와 붕소 원자를 합하는 반응에서, 특히 고전압 직류(HVDC)를 야기하는 생성된 하전된 알파 입자의 직접 변환을 고려하는 경우, 전하 중화 효과를 최소화하기 위하여 임의의 잉여 전자가 분리되어야 할 것이다.
이들 두 사안의 조합은 왜 붕소 수소화물의 하이퍼클로소- 형태가 융합 연료로서 사용하는데 바람직한 형태인지의 이유가 된다.
본 발명의 바람직한 형태는 발전용 원자핵(thermonuclear) 융합 반응의 연료로서의 11붕소 중수소화물의 용도를 제공한다.
유일한 도면은 원자핵 융합 반응용으로 바람직한 연료를 도시한다.
본 발명은 수소를 중수소로 치환함으로써 상기 보란의 동위원소체(isotopologue)의 생성을 수반한다. 동위원소체는 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)에 의해 "동위원소성 조성(동위원소 치환의 수)만이 다른 분자 독립체(entity), 예를 들면 CH4, CH3D, CH2D2"로 정의된다(출처: 문헌[Glossary of terms used in physical organic chemistry [IUPAC Recommendations, 1994, page 1132]]).
한편 원자핵 물리학에서는 동위원소성 치환이 많은 양의 잠재적 에너지를 함유하는 화합물을 생성한다는 것이 증명되었다. 아마도 가장 극적이고 관련이 있는 예는 수소 폭탄의 원자핵 반응에서 찾을 수 있을 것이다. 이 장치는 리튬 중수소화물을 그의 연료로서 사용한다. 리튬 수소화물을 사용하여 원자핵 폭발을 만들어내는 것이 가능하며, 실험적으로 입증되었지만, 중수소화물을 사용한 에너지 출력이 몇 배 더 많다. 관성 밀폐 융합 방법과 수소 폭탄의 반응과의 유사성을 고려해 볼 때, 붕소 중수소화물이 p + 11B 융합 반응에서 유사한 특성을 가질 것이라고 상정하는 것이 타당하다. 생성된 반응은 이제 D + 11B로 나타난다.
모든 보란의 동위원소체는 동일한 제조 방법을 사용하지만 수소화물을 중수소화 복합체로 치환하여 생성될 수 있다. 추가 에너지 출력은 추가 중성자 및 열적 출력의 형태로 유래된다. 관성 밀폐 융합 에너지-제조 반응에서 사용된 특정 중수소화 보란에 따라 다른 활동적인 입자가 생성될 수 있다.
통상의 11B12H12-류 관성 밀폐 융합 반응에서 에너지 출력은 주로 알파 입자에 의해 운반되는 것으로 알려졌다. 이들은 수집되고 당업자에게 잘 알려진 방법으로 고전압 DC 전기로 직접 변환된다. 붕소 중수소화물이 연료로 사용될 경우, 다음 두가지 가능한 상황이 일어날 수 있다.
? 첫번째 경우, 예컨대 11B12D12에서는, 알파 입자 및 중성자의 혼합물이 생성된다. 중성자에 의해 운반된 에너지가 잘 알려지고 모든 통상의 핵분열 반응기에서 발견되는 것과 같은 통상의 열적 추출에 의해 전환되는 반면, 알파 입자로부터의 에너지는 상기에 기술한 바와 같이 추출된다.
? 붕소 중수소화물, 예컨대 11B24D12의 경우에서는, 붕소이온 및 중수소 이온의 화학량적 비가 존재하고 반응은 대부분 알파 입자를 제조한다. 이 에너지는 당업자에게 잘 알려진 방법에 의해 고전압 DC 전기로 직접 변환될 수 있다.
동위원소적으로 순수한 붕소의 중수소화(Deuterization) 방법: 수소를 중수소로 치환하는 방법으로 넘어가면, 이 치환이 일어나는 임의의 화학적 방법을 보기만 하면 된다. 모든 경우에서, 화합물의 중수소화된 양태의 하나 이상의 특성의 개선이 있다. 몇몇 상황이 리튬-연료 융합 반응에서의 리튬에 대해 존재한다는 것은 주목할 가치가 있다. 그곳에서 리튬 수소화물은 비슷하게 결과하는 에너지 출력의 증가와 함께 리튬 중수소화물로 치환될 것이다. 이는 실험적으로 입증되었다. 이들 실험은 p + Li 반응이 1.7 MeV, 2.3 MeV의 에너지, 그리고 측쇄 반응으로부터 16.9 MeV의 소량의 에너지를 수득한다는 것을 보여준다. 반면, D + Li 반응은 사실상 그의 에너지의 전부인 22.4 MeV를 방출한다.
이 데이터를 고려해 볼 때, 만약 p + 11B가 8.7 MeV에서 3개의 알파 입자를 수득한다면, D + 11B 반응이 실질적으로 더 높은 출력을 생성할 것이라고 예측하는 것은 타당하지 않다. 또한 p + 11B 반응에서는 중성자성 출력이 약 2.63 MeV로 적다. 중수소화된 연료는 20 내지 28 MeV 에너지 부근의 더 높은 에너지 중성자를 생성해야한다. 이들 중성자는 열-전달 반응에서 이용되어 추출을 위한 상당한 양의 열 에너지를 제조할 수 있다.
붕소 중수소화물의 제작: 11붕소 중수소화물을 제조하는 많은 경로가 있지만, 바람직한 일반적인 방법 순서는 하기의 네 방법 단계 1 내지 4를 포함한다.
1. 동위원소 분리:
10B로부터 11B를 분리하는 것은 필수적이다. 10B는 강한 중성자 흡수제이고 융합 반응에 나쁜 영향을 줄 것이다. 붕소는 두 개의 안정적인 동위원소를 갖는다: 약 80% 11B 및 약 20% 10B. 이 분리에 사용되는 잘 알려진 여러 방법이 있다. 이온-교환은 수행하는데 가장 간단한 동위원소 방법이다. 다른 방법은 전자기 분리, 레이저, 원심적 및 열적 확산을 포함한다.
예로서, 우리는 1980년에 사쿠마 등(Sakuma et al)의 문헌[Bulletin of the Chemical Society of Japan, Vol. 53, No. 7, pp 1860-1863]에서 설명된 실현 가능한 이온 교환 방법을 고려할 것이다. 동위원소 분리는 약염기성 음이온 교환 수지 컬럼 "다일론(Dailon) WA21" 또는 그의 등가물을 통한 순수한 물과 혼합된 붕산(B(OH)3)의 용리에 의한 이온 교환으로 완료된다.
<반응식 1>
10B(OH)3 + 11B(OH)4 - R = 11B(OH)3 + 10B(OH)4 - R
여기서 -R은 수지상을 나타낸다. pH가 6 미만인 붕산(B(OH)3)의 화학적 형태는 삼각 평면(trigonal planar)이고, 테트라히드록시보레이트(B(OH)4)의 화학적 형태는 4면체로 pH가 11초과이다.
이 방법은 간단한 3-컬럼 교환 시스템에서 19.84%에서 91%로의 농축(enrichment)을 달성한다. 이 방법의 여러번 반복은 농축 수준을 요구되는 99% 범위까지 증가시킬 것이다. 이 방법은 구동하기 간단하고 비교적 위험하지 않다.
또 다른 이온 교환 방법은 BF3와 디메틸 에테르 간의 교환이다. 이들 예는 적합한 최종 생성물을 생성하는 이 농축 방법으로 가능한 방법의 다양성을 보여준다. 수많은 가능한 다른 이온 교환, 전자기, 레이저, 열적 및 원심적 동위원소 분리 방법이 있으며, 이들 모두가 충분한 횟수로 수행되면, 99.99%를 초과하는 11B 동위원소 농축이 얻어질 것이며, 이 값은 융합 연료로 사용하는데 필수적이다.
전형적인 농축 범위는 1.01 내지 1.04이다. 열적 기체-액체 교환 방법은 높은 분리 값을 가지지만 다루기 더 힘든 공정 기술 및 물질을 수반한다. 생성된 최종 생성물은 이들 각각의 방법에서 동일하므로, 동일한 동위원소 농축 수준이라고 가정하면, 방법의 선택은 특정 방법의 난이도와 비용의 함수이다.
2. 붕산으로부터 붕소의 제조
일단 동위원소 분리 단계가 완료되면, 붕산으로부터 순수한 붕소를 제조하는 것이 필수적이다. 붕산 또는 붕사로부터의 붕소의 생성은 잘 알려져있다. 붕산으로부터 붕소를 제조하는 전통적인 반응은 마그네슘에 의한 환원이다. 일반적인 반응은 다음이다:
<반응식 2>
11B2O3 + Mg → 211B + 3MgO
이 방법에서 성공적으로 사용될 수 있는 붕소를 제조하는 다른 반응이 있다는 것이 인식된다. 이 방법에 대한 참조는 문헌[Wolfram Research reference database topic article on boron chemistry, (scienceworid.wolfram.com/chemistry/BoronChemistry.html)]에서 발견된다.
붕소는 또한 나트륨 플루오로보레이트로부터 전해 채취(electrowinning) 방법에 의해 상업적으로 유용한 부피로 제조될 수 있다는 것은 주목할만한 가치가 있다. 이는 또한 크라운 에테르를 사용하는 용매 추출 방법을 통해 제조될 수도 있다.
붕소 생성 방법의 선택은 이전 동위원소 분리 방법에서의 방법 및 그의 최종 생성물의 선택에 의해 결정된다.
3. 붕소의 정제
붕소는 가능한한 높은 수준으로 정제되어야만 한다. 이는 반도체 산업에서 흔히 수행되는 것과 같은 플로트-존 정제(float-zone refining)의 다단계로 가장 손쉽게 달성된다. 이 방법에서, 수직-배향 붕소 잉곳(ingot)의 구획은 제어된 분위기에서 그의 융점으로 가열된다. 붕소 잉곳의 좁은 구역은 용융되고, 이 용융 영역은 잉곳 또는 가열기를 움직임으로써 잉곳을 따라 움직인다. 용융 구역은 그의 상부 가장자리에서 불순물이 섞인 고체를 녹이고 잉곳의 길이를 수직으로 위로 움직임으로써 그 뒷편에 고체화된 순수한 물질의 흔적(wake)을 남긴다. 가열 주기의 끝에서, 꼭대기 부분은 불순물의 덩어리를 함유하고 있으며 샘플로부터 절단된다. 이 방법은 원하는 순도가 달성될 때까지 수회 반복된다. 99.999% 또는 더 높은 순도는 이 방법으로 손쉽게 달성된다. 동일한 수준의 정제를 달성할 다른 정제 방법이 있다는 것이 인식된다. 이 설명은 위키피디아(Wikipedia) 웹사이트(en.wikipedia.org/wiki/Zone_refining)에서 구역 정제(zone refining)에 대한 참조 글로부터 각색한 것이다.
4. 11붕소 중수소화물(11B12D12)의 합성
이 방법에서 최종 단계는 중수소화 붕소 생성물의 제조이다. 나트륨 테트라듀테로보레이트(Na11BD4)는 이전 단계에서 정제된 11B를 사용하고 반응에서 물을 중수소로 치환하는 방법으로 이루어지는 비교적 흔한 화학물질인 나트륨 테트라히드로보레이트와 같은 방법으로 이루어진다. 나트륨 테트라듀테로보레이트(Na11BD4), 듀테로디글라임(C6D14O3) 및 듀테로디메틸술피드((CD3)2S)의 혼합물은 붕소 트리플루오라이드 듀테로디에틸 에터레이트(11BF3?O(C2D5)2)로 15℃에서 한시간 동안 처리된다. 백색 침전물이 형성된다. 일반 반응식은 다음이다:
<반응식 3>
Na11BD4 + C6D14O3 + ((CD3)2S) + (11BF3?0(C2D5)2) =
(11B12D12) + CD3CD2-O-CD2CD3 + ((CD3)2S) + Na11BF4
이어서, 반응 혼합물을 2시간 동안 100℃에서 가열했고, 그 후 3시간 동안 150℃에서 가열한 결과 11B12D12 2-를 형성했다. 반응 동안, 반드시 안전하게 배출되어야 할 기체의 발생이 일어날 것이다. 잔류 액체는 듀테로디메틸술페이트((CD3)2S) 및 듀테로디에틸 에테르(CD3CD2-O-CD2CD3)의 혼합물이다. 고체 생성물은 그 후 에탄올(C2H6O)에 용해했고 불용성 나트륨 테트라플루오로보레이트(Na11BF4)를 여과했다. 이는 11B를 회수하기 위해 재가공될 수 있다.
에탄올은 그 후 증류하여 없앴고 고체 잔류물을 물에 재-용해한다. 이 수용액을 그 후 트리에틸염화암모늄(C6H16ClN)으로 처리하여 11B12D12를 약 87% 수득률로 수득했다.
<반응식 4>
11B12D12 2- + (CD3)2S + C6H16ClN + H2O = 11B12D12 + 부산물
이 반응의 연속은 안전성 및 순도 조절을 위해 반드시 불활성 기체(아르곤)로 채워진 글로브 박스(glove box) 내에서 수행되어야 한다. 이 합성은 문헌[Knoth, W. H, et al, "Derivative Chemistry of B10H10 and B12H12" Journal of the American Chemical Society (1962), 84 1056-7]에서 첫번째로 보고된 작업에서 유래되었다. 이 작업은 또한 미국 특허 제3,265,737호; 제3,169,045호; 및 제3,328,134호에도 기술되어있으며, 이들은 본원에서 기술한 것과 유사한 방법을 사용하는 B12H12 2-의 제조를 개시한다.
상기 방법은 11붕소 중수소화물을 도면에 참조번호 1로 나타낸 것과 같은 대칭성 분자인 11B12D12의 바람직한 형태로 이롭게 제조한다. 도면에서, 2는 붕소 원자를 나타내고, 3은 수소 원자를 나타낸다.
앞선 논의로부터 도출될 수 있는 것은 중수소화된 붕소 화합물의 생성에 대한 일반적인 방법론이 있다는 것이다. 이는 다음 단계로 구성된다:
? 동위원소 분리
? 붕소의 생성
? 붕소의 정제
? 붕소의 중수소화
각각의 단계에서, 후속 방법 단계를 위해 적합한 최종-생성물을 제조하는데 적용될 수 있는 많은 가능한 방법이 있다. 임의의 주어진 단계에서 어떤 특정한 방법을 사용할 것인지의 선택은 다음을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는 수많은 인자에 의해 결정된다.
? 장비의 유용성
? 안정성 사항
? 최종 생성물의 순도
? 비용
? 시간
일단 특정 11붕소 중수소화물이 합성되면, 그 후 거기서 사용될 융합 방법에 특정된 형태로 제조될 수 있다.
본원에서 기술한 것과 같은 화합물을 생성할 11붕소 중수소화물의 생성에 많은 가능한 변형이 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명이 예시적인 방식으로 특정 실시양태와 관련하여 기술되었지만, 많은 변형 및 변화가 당업자에게 일어날 수 있다. 이는 그러므로 첨부된 청구항이 본 발명의 실질적 범위 및 사상을 만족하는 모든 그러한 변형 및 변화를 포함하는 것으로 의도된 것으로 이해되어야한다.

Claims (9)

  1. 발전용 원자핵 융합 반응의 연료로서의 11붕소 중수소화물의 용도.
  2. 제1항에 있어서, 동력 출력이 알파 입자 및 중성자에 의해 운반되는 발명.
  3. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B12D12인 발명.
  4. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B10D10인 발명.
  5. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B6D6인 발명.
  6. 제1항에 있어서, 동력 출력은 주로 알파 입자에 의해 운반되는 발명.
  7. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B24D12인 발명.
  8. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B20D10인 발명.
  9. 제1항에 있어서, 11붕소 중수소화물이 11B12D6인 발명.
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