KR20160134252A - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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KR20160134252A
KR20160134252A KR1020150067996A KR20150067996A KR20160134252A KR 20160134252 A KR20160134252 A KR 20160134252A KR 1020150067996 A KR1020150067996 A KR 1020150067996A KR 20150067996 A KR20150067996 A KR 20150067996A KR 20160134252 A KR20160134252 A KR 20160134252A
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곽헌길
양현익
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곽헌길
양현익
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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 중수와 고순도의 경수의 혼합물이나 고순도의 경수 혹은 각종 미네랄 오일로부터 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는, 경수와 경수대비 1% 에서 30% 사이의 중수를 혼합하여 최소 106 이상의 고순도로 정수시키거나 중수를 포함시키지 않은 경수만을 최소 106 이상의 고순도로 정수하는 정수부; 정수부에서 정수된 경수와 중수의 혼합유체나 경수, 혹은 5 에서 30 정도의 점성을 가진 미네랄 오일 (이하 모두 작동유체) 등을 공급하는 작동유체 공급부; 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 이들을 연결하는 통로가 구비된 몸체; 및 상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 마찰에 의한 열교환을 통하여 전자를 방출하는 금속성 삽입물; 및 상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 공동방출현상에 의한 핵융합 반응에 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및 상기 몸체내의 통로를 관통하여 자력을 이용해 이온화된 작동유체의 이온들을 분리하고 전기를 포집하는 금속막대 등을 포함한다.

Description

플라즈마 발생장치{Plasma generating device}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온의 플라즈마를 고밀도로 구속하기 위한 강력한 자기장을 발생시킬 필요 없이 상온에서 핵반응을 일으키도록 쿨롱장벽을 극복할 수 있는 상황을 조성하고, 상기 핵반응을 지속시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 상온에서 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기한 작동유체가 경수나 경수와 중수의 혼합유체인 경우 이를 고순도로 정수시키는 정수장치(작동유체가 미네랄 오일인 경우에는 이 장치가 필요 없음); 상기 작동 유체를 유전체 몸체로 공급하는 작동유체 공급부; 상기한 작동유체가 흐를 수 있는 통로가 구비된 몸체; 상기 몸체에 삽입되어 상기 통로를 흐르는 상기 작동유체를 이온화시키는 금속성 삽입물; 상기 몸체에 삽입되어 상기 통로를 흐르는 상기 이온화된 작동유체를 공동방출현상에 의하여 핵융합환경을 제공하는 유전성 삽입물; 상기 작동유체 내의 이온화 및 핵융합 과정에서 발생한 전자를 집속함으로써 전기에너지를 유도하고 이온화된 상기 작동유체의 이온들을 분리하는 금속막대 등을 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
일반적으로 수소 핵융합 반응은 태양에서 막대한 에너지를 발생시키는 반응으로서, 플라즈마 상태의 수소 또는 수소 동위원소 원자 2개가 융합하여 헬륨 또는 트리튬을 생성시키며 에너지를 방출하는 반응을 말한다. 다음은 이에 대한 핵반응 식이다.
[반응식 1]
Figure pat00001
[반응식 2]
Figure pat00002
상기 반응식의 일부 예로서 태양의 핵융합 발생 이유를 들 수 있는데, 반응원리는 태양표면층의 수소 집단의 플라즈마 반응에 의해 발생하는 고온 상태 (반응식 1에서 2)를 들 수 있다. 물론 이 외에도 여러 반응들이 있지만 반응식 1에서 2 과정을 거치면서 점진적으로 태양 내측 온도가 상승하며, 이와 더불어 생성되는 무거운 물질들은 태양 내부 층으로 더 이동하고 이들은 상층부보다 더 높은 고온 상태에서 핵융합을 일으키게 된다. 하지만 여기서 발생하는 핵융합은 초고온 상태에서나 반응이 가능한 고온 핵융합의 예이다.
핵융합을 통해 에너지를 빼내 쓸 수 있으려면, 강한 자기장을 걸어준 진공용기 속에 107 ~ 108(K)에 달하는 고온의 플라즈마가 고밀도로 유지되도록 충분한 시간동안 구속(confine)되어야 하는데, 이를 위해서는 수억도에 달하는 초고온 상태의 플라스마를 가두어 두는 극한기술이 필요하고, 현재의 기술수준으로는 장치의 구현에 한계가 있다.
또한, 종래의 열 핵융합에 의한 원자로에서는 핵반응의 연속적인 순환이 조성되지 못한다. 왜냐하면, 플라즈마의 온도(T)가 상승함에 따라 원자로 내의 열손실이 T7 /2에 비례하여 빠르게 증가하고, 에너지원이 급격하게 감소하기 때문이다.
따라서, 상기 원자로 내의 핵반응은 일시적인 것에 그치고, 쿨롱 장벽을 극복하여 핵 사이의 상호작용을 유지시키기 위하여 필요한 충분한 에너지를 공급할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 고온의 플라즈마를 고밀도로 구속하기 위한 강력한 자기장을 발생시킬 필요 없이 상온에서 핵반응을 일으키도록 쿨롱장벽을 극복할 수 있는 상황을 조성하고, 상기 핵반응을 지속시킬 수 있는 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 작동유체를 이온화시키고, 양이온인 원자핵 사이에 핵융합 반응을 일으켜서 그 반응 에너지로부터 열 및 전기 에너지를 얻는데 적합한 플라즈마 발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 플라즈마 생산장치는, 경수나 1 ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 혼합유체를 최소 106이상의 고순도로 정수하는 정수부; 정수부를 통해 고순도로 정수된 경수나 1 ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 고순도 혼합유체, 혹은 점성도가 5 ~ 30인 미네랄 오일 등을 공급하는 작동유체 공급부; 공동방출현상에 대하여 내구성이 강한 유전체로 형성되고, 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 통로가 구비된 몸체; 상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 마찰에 의한 열교환을 통하여 전자를 방출하는 금속성 삽입물; 상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 공동방출현상에 의한 핵융합 반응에 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및 상기 몸체내의 통로를 관통하여 자력을 이용해 이온화된 작동유체의 극성을 조절하고 전기를 포집하는 금속막대 등을 포함한다.
그리고 상기 몸체는 공업용 플라스틱, 파이렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성된다.
또한 상기 금속성 삽입물은 열에너지에 의해 전자 방출이 용이한 구리, 알루미늄, 알루미늄 포일, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈 혹은 기타 금속 중 어느 하나나, 합금 형태로 형성된다.
그리고 상기 유전성 삽입물은 유전성이 강한 재료들 중에서 공업용 플라스틱, 파이 렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성된다.
또한 상기 금속막대는 전기 전도성이 우수한 구리, 철 및 기타 금속 등 중 어느 하나로 형성된다.
그리고 상기 작동유체 공급부는 정수된 상기 작동유체에 파동을 가하고 1bar-200bar의 압력으로 가압하여 공급하는 출력펌프를 포함한다.
또한 상기 작동유체 공급부는 상기 출력펌프 후단에 연결되어 임의의 주파수를 가진 파동을 가하는 펄스 발생기를 더 포함한다.
그리고 상기 작동유체 중에서 경수:중수의 혼합비가 100:1 ~ 100:30 사이의 혼합유체나 경수, 혹은 점성도가 5 ~ 30사이의 미네랄 오일이다.
한편 본 발명의 플라즈마 생성장치는, 1% ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 혼합유체나 경수를 전기저항이 최소 106 로 정수하는 작동유체 정수부; 최소 106의 고순도로 정수된 1% ~ 30%의 중수 경수의 혼합유체나 경수, 혹은 점성도 5 ~ 30 사이의 미네랄 오일을 공급하는 작동유체 공급부; 유전체로 형성되고, 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 통로가 구비된 몸체; 구리, 알루미늄, 알루미늄 포일, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈 혹은 기타 금속 중 어느 하나나, 합금형태로 형성되고 상기 몸체의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키고 대량의 전자 방출을 유도하여 작동유체의 이온화를 가속화시키고 대량의 기포를 발생시키는 금속성 삽입물; 공업용 플라스틱, 파이렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성되고, 상기 몸체내의 통로에 삽입되며, 상기 작동유체를 통과시키고 내경이 일정하거나 혹은 입구 및 출구 측에 내경이 확대되는 팽창부가 형성된 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하며, 이와는 별도로 관통구멍의 입구 안쪽 면이 매끄럽거나 혹은 스크류 형상을 가지며, 상기 관통구멍을 통과하는 작동유체에서 공동방출현상에 의한 핵융합 반응이 발생하는데 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및 구리, 철 등 전기 전도성이 강한 재료들 중 어느 하나로 형성되고, 이온화된 작동유체의 이온들을 분리하는 자력을 제공하거나 이온화된 작동유체 내의 전기를 포집하는 금속막대를 포함한다.
그리고 상기 몸체는 유전성 삽입물과 동일하거나 탄화수소 소결체로 형성된다.
또한 상기 작동유체 공급부는 작동유체를 1bar ~ 200bar의 압력으로 가압하여 공급하는 출력펌프를 포함한다.
그리고 상기 작동유체 공급부는 상기 출력펌프 후단에 연결되어 임의의 주파수를 가진 압력파(펄스)를 가하는 펄스 발생기를 더 포함한다.
또한 상기 작동유체는 경수:중수의 혼합비가 100:1 ~ 100:30 사이의 혼합유체나 경수 또는 점성도가 5 ~ 30 사이의 미네랄 오일인 플라즈마 발생장치.
본 발명에 따르면, 고온의 플라즈마를 고밀도로 구속하기 위한 강력한 자기장을 발생시킬 필요 없이 용기에 가두어진 액체상태의 작동유체로부터 상온에서 이온화 반응 및 핵반응을 일으키도록 하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명은 금속성 삽입물의 관통구멍에서 발생하는 이온화 과정, 유전체 몸체의 통로를 흐를 때 압력차로 인해 생성된 이온화된 작동유체의 미세 기포화과정, 유전성 삽입물의 관통구멍에서 집중적으로 일어나는 공동방출현상에 의해서 발생하는 막대한 양의 전자 방출 및 고전위를 이용하여 기 이온화된 작동유체를 더욱더 이온화시키고 상기 고전위로 인한 전기적 임펄스에 의해 양이온들 사이에서 쿨롱장벽을 극복하고 핵융합 반응이 지속적으로 일어나도록 하게 하는 과정을 포함하는 장치를 통해 열 및 전기 에너지를 입력에너지 대비 수백에서 수천 %를 획득하는 효과가 있다.
본 발명은 장치의 구성이 단순하고, 장치를 구성하는 설비의 가격이 저렴하다. 또한, 경수와 중수의 혼합유체인 경우 상기 장치의 작동에 소요되는 수소동위원소는 지구상에서 무한정 얻을 수 있는 것이므로 뛰어난 경제성을 가지는 효과가 있다. 아울러 플라즈마 발생과정에서 생기는 부산물이 환경에 미치는 영향이 작아서 친환경적인 에너지를 발생장치를 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 발생하는 중성자 및 -ray의 양도 고온 핵융합이나 핵분열에 비하여 상당히 미미한 양으로서 이들은 유전체 몸체(1)의 1M 범위에 1CM 두께의 플라스틱 평판을 배치함으로써 쉽게 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 유전체 몸체의 내, 외부를 도시한 사시도 및 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 금속성 삽입물을 도시한 사시도 및 단면도.
도 3 및 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 유전성 삽입물을 도시한 사시도 및 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 유전체 몸체를 관통하여 삽입된 자력 전달 및 전기 유도를 위한 금속 막대의 배치도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 작동유체가 경수나 경수 및 중수 혼합유체인 경우에 필요한 고순도 정수를 위한 정수부를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 작동유체 공급부를 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는, 작동유체가 경수나 경수와 중수의 혼합유체인 경우 이를 고순도로 정수시키는 정수장치(작동유체가 미네랄 오일인 경우에는 이 장치가 필요 없음); 작동유체를 공급하고 순환시키는 작동유체 공급부; 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 이들을 연결하는 통로가 구비된 몸체; 상기 몸체에 삽입되어 상기 통로를 흐르는 상기 작동유체를 이온화시키는 금속성 삽입물; 상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 공동방출현상에 의한 핵융합 반응에 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및 상기 작동유체 내의 이온화 및 핵융합 과정에서 발생한 전자를 집속함으로써 전기에너지를 유도하고 이온화된 작동유체의 이온들을 분리하는 금속막대 등을 포함한다.
작동유체 공급부를 거친 작동유체를 이용하여 작동하는 플라즈마 발생장치의 몸체는 그 내부에서 발생하는 공동방출현상(Cavitation emission)에 대해 내구성이 강한 유전체로 만들어진다. 상기 몸체의 작동유체가 흐르는 통로에 적어도 하나 이상의 관통구멍이 있어 그 구멍을 통해 작동유체가 통과하도록 한 금속성 삽입물은 몸체내의 통로를 흐르는 작동유체와의 마찰에 의한 열교환을 통해 전자를 방출시키고 방출된 전자들은 작동유체의 이온화 과정을 촉진시킨다.
다음으로 작동유체에 포함된 막대한 수의 기포(Bubble)들이 공동방출현상을 일으키는 환경을 제공하는 유전체 물질로 이루어진 유전성 삽입물이 설치된다.
이러한 유전성 삽입물에는 적어도 하나 이상의 관통구멍이 있고, 상기 관통구멍의 내경은 일정하거나 입구와 출구 측에는 구멍의 내경이 일부 확대되는 팽창부가 형성된다.
유전성 삽입물의 관통구멍의 내면은 매끄럽게 가공되거나 좀 더 작동유체와의 마찰 효과 및 작동 유체의 유동성을 높이기 위해 입구측만 스크류 형상으로 가공된다.
상기 작동유체 공급부에서는 작동유체를 공급하고 순환시킨다. 상기 작동유체는 상기 작동유체 공급부의 출구 측에 구비된 펌프에 의하여 일정한 압력으로 가압되어 상기 몸체의 입구로 공급된다.
이때 작동유체가 흐르는 배관에 펄스 발생기를 연결하여 소정 주파수의 펄스를 가할 수 있고, 상기 주파수는 상기 작동유체, 금속성 삽입물, 유전성 삽입물의 고유진동수 들에 의해 결정된다.
상기 작동유체는 상기 몸체 내부의 통로로 유입되고, 상기 통로 내에 설치된 금속성 및 유전성 삽입물의 관통구멍 들을 빠른 속도로 통과한다. 금속성 삽입물의 관통구멍을 통과하며 이온화된 작동유체는 내경이 금속성 삽입물의 관통구멍보다 큰 유전체 몸체(1)의 통로(4)를 흐르며 압력의 급격한 저하로 인하여 대량의 미세한 기포(Bubble)를 발생시키고 다시 유전성 삽입물의 관통구멍을 통과한 직후 유전체 몸체(1)의 통로들(3,2)을 통과하면서 압력이 급격히 떨어지게 되어 끓는점이 낮아진다.
따라서 이로 인하여 이미 이온화된 작동유체의 흐름 내에 막대한 수의 미세한 기포(Bubble)가 더 발생하고, 상기 기포들을 포함한 작동유체는 출력펌프에 의해 지속적으로 반복 순환되어 유전체 몸체의 통로를 흐르면서 금속성 삽입물에 의해 이미 반복적으로 이온화가 충분히 진행된 상태에서 존재하는 막대한 양의 미세한 기포들은 유전성 삽입물의 관통구멍을 통과할 때 공동방출현상(Bubble Cavitation)을 일으키며 터지게 된다.
상기 미세한 기포들이 상기 관통구멍의 입구 측을 통과하면서 터지므로 순간적으로 약 10,000 기압에 이르는 매우 높은 압력파와 열에너지가 발생하고, 상기 압력파 및 열에너지가 상기 관통구멍을 가진 유전성 삽입물에 영향을 미친다.
좀 더 자세하게 기술하면, 상기 유전성 삽입물의 표면의 온도는 상승하고 여전히 빠른 속도로 흐르는 이온화된 작동유체와의 마찰에 의해 방출되는 전자량이 더욱더 증가하고 이에 따라 유전성 삽입물의 내측 표면과 이온화된 작동유체에서 공동 방출 효과에 의해 분리된 수소들은 양전하를 띠게 되며 방출된 전자가 상기 작동유체 내에서 확산되면서 소위 Vavilov-Cherenkov 방사현상이 일어나고 이는 사진을 통하여 확인될 수도 있다.
위와 같이 음전하를 띤 전자를 방출함으로써 상기 유전성 삽입물의 관통구멍 의 작동유체 접촉부위는 양전하로 대전된다. 상기 유전성 삽입물은 그 재료의 특성에 의하여 방전을 일으키지 않고 매우 높은 전위로 대전될 수 있다.
이런 과정을 통하여 발생한 높은 전위의 전기적 충격에 의하여 상기 작동유체의 일부가 이온화되고, 이들 중 양이온은 상기 관통구멍의 접촉부위에 형성된 고전위로 인해 중심축 방향으로 가속된다.
전술한 바와 같이 공동방출현상에 의하여 형성된 상기 관통구멍의 접촉부위의 순간적 고전위가 백만볼트 정도에 이르면, 경수와 중수의 작동유체인 경우, 중수소(deuterium, 2H) 원자의 양이온들은 그 전기적 임펄스에 의하여 쿨롱장벽(Coulomb barrier)을 극복하고 핵융합을 일으킬 수 있을 정도로 가속되어 충돌하게 된다. 이와 같은 현상은 다량의 수소를 가진 분자들로 구성된 여타 작동 유체에서의 경우에도 먼저 작동유체의 이온화와 초기의 미세한 공동방출현상을 통해 발생한 수소와 수소의 반응에서 발생된 중수소가 다시 수소와 반응하는 과정을 작동유체의 순환을 통해 지속적으로 반복하게 함으로써 지속적으로 발생시킬 수 있다.
이때의 대표적인 핵융합 반응식은 이미 반응식 1과 2에서 기술하였다. 상기 핵융합 반응에서 발생하는 에너지에 의해서 중성자 및 -ray 방사가 수반되고, 열과 전기 에너지가 방출되며, 이는 실험적으로 입증된 바 있다. 또한, 상기 반응 에너지가 상기 작동유체에 포함된 수소 또는 중수소 원자 혹은 반응식 1을 통해 발생된 중수소 원자를 이온화시킴으로써 이러한 핵융합 반응은 지속적으로 일어날 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치에서 작동유체가 통과하는 유전체로 구성된 몸체 외형을 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치는 중공의 환봉 또는 사각봉 등의 다채로운 형상을 가지는 몸체(1)와 상기 몸체의 양단에 연결되는 입구(5)측 배관과 출구(6)측 배관을 구비한다.
상기 몸체(1)는 상기 입, 출구 측 배관과 플랜지 및 볼트로 결합(7)되어 고압의 작동유체, 즉 작동유체가 누출되지 않도록 한다. 상기 플랜지 연결부(7)에는 고압 씰링 부재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 몸체(1)는 공동방출현상에 대하여 내열성이 강하며 공동방출현상의 발생 시까지 작동유체 내의 이온화를 유지하기 위한 유전체 재료로 형성되는데, 예를 들면 유전성이 강한 재료들 중에서 공업용 플라스틱, 파이렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 등이 사용될 수 있다. 몸체(1) 내부에는 직경이 서로 다른 하나의 통로(2,3,4)가 있어서 작동유체가 흐르도록 되어있다.
몸체(1)의 길이는 50mm ~ 500mm, 통로(4)의 직경은 5mm ~ 490mm, 통로(3)의 직경은 3mm ~ 488mm, 통로(2)의 직경은 4mm ~ 489mm 사이 치수를 각각 사용할 수 있으나 바람직한 치수로는 몸체(1)의 길이는 180mm, 통로(4)의 직경은 22mm, 통로(3)의 직경은 12mm, 통로(2)의 직경은 16mm이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치에서 작동유체가 흐르는 유전체 몸체(도 1) 내부의 통로(4)에 삽입되는 금속성 삽입물(21)을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치는 작동유체가 흐를 수 있는 통로가 구비된 몸체(1)와, 상기 몸체(1) 내에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍(22)을 1개 이상 가진 금속성 삽입물(21)을 포함한다.
이 금속성 삽입물(21)의 재료로는 열에너지에 의해 전자 방출이 용이한 구리, 알루미늄, 알루미늄 포일, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈 혹은 기타 금속들이나 금속합금들도 사용할 수 있다.
또한 전자 방출을 극대화시키기 위해 단일 혹은 여러 개의 금속성 삽입물(21)을 연이어 적층시켜 삽입하거나 혹은 약간의 간격을 두고 연속적으로 도 1의 유전체 몸체(1) 내부의 통로(4)에 삽입한다.
따라서 금속성 삽입물(21)의 두께는 0.01mm ~ 10mm, 관통구멍(22)의 직경은 1mm ~ 10mm 사이 치수를 각각 사용할 수 있으며 바람직한 치수로는 두께는 4mm, 관통구멍(22)의 직경은 2mm이다.
도 3은 상기 몸체(1)내의 통로(4)와 통로(3)에 걸쳐 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍(32)을 적어도 하나 이상 구비하여, 공동방출현상에 의한 핵융합 반응에 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물(31)에 대한 도시이다.
본 유전성 삽입물(31)은 도 1의 유전체 몸체(1)와 동일한 재료이거나, 혹은 석면, 또는 불소함유 합성 중합체 등과 같이 공동방출현상에 의하여 핵융합 반응으로 인한 전자들이 막대하게 방출될 때 이 전자들을 작동유체 내에서 유지하게 하는데 유리한 유전체로 이루어진다.
상기 유전성 삽입물(31)에는 적어도 하나 이상의 관통구멍(32)이 형성되어 있으며, 상기 관통구멍(32)은 실린더 형태로서 길이가 10 내지 100, 직경은 1~30 사이 치수를 각각 사용할 수 있으나 길이는 29mm, 직경은 2mm 가 바람직하다.
도 4는 유전성 삽입물(31)의 다른 예를 도시한 것이다.
도 3에서 예시한 관통구멍(32)은 일정한 직경을 가지고 있으나, 도 4에서 예시한 관통구멍(41)에서는 마찰 면을 증대시키고 작동유체의 유속을 증가시키기 위하여 관통구멍(41)의 입구(42)와 출구(43)의 직경을 0.5mm ~ 1mm 정도 확대할 수도 있고, 바람직한 직경은 각각 0.75mm로 동일하다.
또한 관통구멍(41) 입구(42) 내부에는 스크류 형상을 별도로 가지게 하여 마찰 효과와 기포 발생을 극대화시킬 수 있으나 이는 유체 속도를 감속시키는 단점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 도 1의 유전체 몸체(1)의 외부로부터 유전체 몸체(1)의 통로(2)에서 작동유체가 흐르는 축에 대한 직경 방향으로 구멍(51)을 두 개 내지 여러 개를 뚫은 후에 각 구멍(51)에 전기 전도성이 우수한 구리, 철 등으로 된 금속막대(52)를 통로(2)의 내부까지 관통시켜 통로(2)의 내부를 흐르는 이온화된 작동유체 내의 전기를 포집하거나 영구자석이나 전자석의 자기장을 이용하여 통로(2)를 흐르는 이온화된 작동유체 내의 수소이온들을 분리하여 다음 반복 순환 과정에서 수소간의 핵융합을 유도하도록 할 수 있는 금속막대(52)를 부착할 수 있도록 한 부분을 도시한다.
여기서 금속막대(52)가 삽입되는 유전체 몸체(1)의 구멍은 두 개가 한 조로서 작동유체 흐름 방향의 축에 대하여 서로 180o를 이루게 하여야 하며, 따라서 유전체 몸체(1)의 외부 면에서 통로(2)로 낼 수 있는 구멍의 수는 짝수 개이고, 각 상대 구멍은 축 방향에 대하여 180o로 마주하고 있어야 한다.
통로(2)의 내부까지 관통하여 통로(2)를 흐르는 이온화된 작동유체와 접촉하는 금속 막대(52)를 통해 이온화된 작동유체 내의 축적된 전기를 포집하거나 자기장을 이온화된 작동유체에 작용시킬 수 있도록 하는 금속막대(52)의 외부 끝단(53)은 포집된 전기를 축적시키는 장치로 연결되거나 혹은 이온화된 작동유체의 이온들을 분리하기 위한 영구자석이나 전자석으로 연결된다.
도 6은 작동유체가 경수이거나 경수와 중수의 혼합유체를 사용할 경우에 한해서 추가되는 고순도의 정수 장치도면으로서 입구(61)를 통해 외부로부터 경수를 입력 받아 1차적으로 정수하는 1차 정수부(71), 상기 1차 정수부를 거친 경수를 저장하고, 중수 투입구(62)를 통해 공급된 순수한 중수와 소정 비율로 혼합하는(경수만을 쓸 경우에는 저수만 함) 제1저수조(72), 상기 제1저수조에 일시적으로 저장된 혼합유체를 2차적으로 정수하는 2차 정수부(73), 상기 2차 정수부(73)를 거친 고순도의 경수나 혼합유체를 일시적으로 저장하는 제2저수조(74), 및 상기 제2저수조의 출구 측에 구비되고, 상기 고순도의 경수나 혼합유체를 1bar - 200bar의 압력으로 가압하여 출구(63)를 통해 상기한 도 1의 유전체 몸체(1)의 입구(5)로 공급하는 출력펌프(75)를 포함한다. 작동유체가 미네랄 오일인 경우에는 정수부가 불필요하므로 출력펌프(75)는 작동유체 공급부에 바로 연결되어 있다.
출력펌프(75)의 바람직한 압력은 경수나 경수와 중수의 혼합유체인 경우는 80bar 이고 여타 작동유체의 경우에는 50bar이다.
상기 1차 및 2차 정수부를 거치고 제2저수조에 저장된 경수나 경수와 중수의 혼합유체는 고순도로서, 최소 106O? 정도의 전기저항을 갖는 것이 바람직하다. 상기 1차 및 2차 정수부는 통상의 초정수 장치와 같이 마이크로 필터, 역삼투압 필터, 또는 컴비네이션 필터를 포함하여 구성되고, 하나 또는 수개의 중간가압펌프(76)를 더 포함할 수 있다. 상기 중간가압펌프(76)로는 로터리펌프, 왕복펌프, 또는 원심펌프 등 다양한 펌프를 적용할 수 있고, 상기 출력펌프(75)로는 일정한 파동을 작동유체에 압력과 동시에 줄 수 있는 기어(Gear)펌프, 피스톤(Piston) 펌프, 베인(Vane) 펌프 등을 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 고순도로 정수된 경수나 고순도로 정수된 경수와 중수의 혼합유체, 혹은 미네랄 오일을 이용하는 플라즈마 발생장치는 상기 출력펌프(75)를 통하여 가압된 작동유체가 도 7의 작동장치 공급부에 있는 상기 도1의 유전체 몸체(1)의 입구(5)로 공급되는 경로에는 펄스(Pulse) 발생기(미도시)를 더 포함시킬 수 있다.
상기 펄스 발생기는 상기 몸체(1)로 공급되는 작동유체에 일정한 주파수의 펄스를 가할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 경수나 경수와 중수의 혼합유체를 고순도로 정수하는 정수부의 작동을 설명한다.
도 6에서와 같이 경수와 중수 혼합유체를 작동유체로 사용하는 경우 정수부에서 경수와 중수가 100:1 내지 100:30 정도의 비로 혼합되는데, 본 플라즈마 발생장치의 실험을 통하여 조사한 결과 최대 약 2000%의 열에너지의 발생 효율을 얻을 수 있는 핵융합 반응을 위해 100:3의 비로 혼합되는 것이 바람직하다. 이들이 혼합된 후 혼합유체는 전기저항이 최소 106인 상태로 정수되고, 경수만을 사용할 경우에도 전기저항이 최소 106인 상태로 정수된다.
도 7은 작동유체의 공급부와 열교환기가 설치된 개략도이다.
작동유체는 도 7에 도시된 작동유체 공급부의 출력펌프(75)를 통하여 1bar - 200bar의 압력으로 가압되고, 유전체 몸체(1)로 연결되는 배관에 설치된 별도의 펄스 발생기(미도시)에 의하여 일정한 주파수의 펄스를 배관을 통과하는 작동유체에 가하여 작동유체가 상기 유전체 몸체(1) 내의 금속성 삽입물(21) 및 유전성 삽입물(31)을 통과하는 과정에서 이온화 및 핵융합과정을 지속적으로 가속화시킬 수 있다. 이 과정을 통하여 작동유체는 지속적으로 반복 순환되면서 이온화되고, 이온화가 극대화되는 시점에서 핵융합이 지속적으로 발생한다. 이와 같은 가압, 이온화, 핵융합, 순환과정은 폐회로 형태의 작동유체 공급부 경로를 따라 반복한다.
상기 압력파의 주파수(펄스)는 도 3의 유전성 삽입물(31)의 재료, 상기 유전성 삽입물(31)에 형성된 상기 관통구멍(32)의 길이와 지름 및 상기 작동유체의 물성치에 의존하는 공진주파수와 일치시키는 것이 바람직하고, 상기 펄스 발생기(미도시)의 가진 주파수를 점진적으로 변화시키면서 실험적으로 구할 수 있다. 대략적인 주파수 범위는 1Khz에서 100Mhz 정도이나 바람직한 주파수의 범위는 경수가 포함된 경우에는 1000 Khz, 기타 작동유체는 20 Mhz 정도이다.
하지만 이 주파수 범위도 작동 시간의 경과, 온도, 전하량, 사용 유전체 및 금속성 삽입물 등에 따라 변하므로 플라즈마 발생장치를 작동 중에 시간 함수에 따르는 주파수 값을 변화시켜야 한다.
작동유체는 상기 유전성 삽입물(31)의 좁은 관통구멍(32)을 통과하면서 가속되고, 그 출구를 통과하면서 압력이 급격히 떨어져서 비교적 낮은 온도에서도 작동유체가 끓으면서 막대한 수의 기포가 발생된다.
이때 발생한 미세한 기포들이 발생초기에 팽창하며 순환하다가 다시 유전체 몸체(1)의 통로(4)로 유입되고, 유입된 작동유체는 다시 금속성 삽입물(21)의 좁은 구멍(22) 통과하면서 이온화과정과 좁은 구멍(22)을 통과한 후에 다시 통로(4)에 의해 팽창하는 과정에서 또 다른 기포발생 과정을 거치게 되며, 이어서 유전체 삽입물(31)을 통과하는 동안 이온화된 작동유체 내의 막대한 수의 초미세 기포들이 터지면서, 국소적으로 고압의 압력파가 발생하고 이로 인해 공동방출현상(cavitation emission)이 일어남은 전술한 바와 같다. 이온화된 작동유체에서 발생한 열에너지는 작동유체 공급부의 열교환기(미도시)를 거치면서 방출되고, 이온화된 작동유체는 다시 출력펌프(75)를 통해 가압되어 재순환된다.
출력펌프(75)에 의해 이미 파동이 가해진 작동유체의 흐름에 주파수 발생기에 의해 공진 주파수의 파동이 더해지면 상기 공동방출현상을 가속화시킬 수 있다. 이러한 과정을 통하여 상기 관통구멍(32)과 작동유체와의 접촉 부위는 약 1MV의 고전위를 띠게 되는데, 이 현상은 전술한 바와 같이 상기 유전성 삽입물(31)의 유전적 성질에 기인한다.
상기 작동유체는 작동 초기에는 반응식 1에 의한 핵반응을 일으키고 (모든 작동유체의 경우), 그 결과로 수소 동위원소를 생성하게 되는데, (경수와 중수를 포함한 작동유체인 경우에는 이미 이 과정 이전에 수소 동위원소가 포함됨) 상기 고전위에 의해서 다시 수소 원자와 수소 동위원소는 전자를 잃어 이온화되고, 이들 중 수소 동위원소(deuterium)의 양이온들은 상기 전기적 임펄스에 의하여 쿨롱장벽을 극복하고 반응식 2의 핵융합 반응을 일으킬 수 있게 된다.
상기 핵반응의 결과, 중성자 및 -ray의 방사를 관측할 수 있고, 열 및 전기 에너지가 방출된다. 상기 본 발명에 따른 실시 예를 통하여 입력 에너지가 약 7.5Kw일 때, 평균적으로 약 37.5Kw에 해당하는 열에너지를 얻을 수 있으며, 이는 약 500%에 해당하는 에너지 효율인데, 중수의 포함비율에 따라서는 평균 2000%까지 얻을 수 있다. 전기에너지의 경우 입력 전기량이 약 7.5Kw일 때, 평균적으로 약 45Kw (30A, 1500V)의 전기가 발생한다.
이때 발생하는 중성자의 양은 바람직한 치수를 가진 유전체 몸체의 표면에서 측정한 결과 평균 3.3mRem/hour로서 이는 보통의 사람이 1년간 허용할 수 있는 중성자 총량인 100mRem/year 보다 엄청나게 많은 양임을 알 수 있다. 본 발명의 플라즈마 발생장치는 다수의 유전체 몸체(1)를 함께 가동시킴으로써 더 많은 열 및 전기 에너지를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.
즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.
1 : 몸체 5 : 입구
6 : 출구 2, 3, 4 : 통로
21 : 금속성 삽입물 22 : 금속성 삽입물 구멍
31 : 유전성 삽입물 32 : 유전성 삽입물 구멍
41 : 관통구멍 42 : 입구부
43 : 출구부 51 : 축직각 관통 구멍
52 : 금속막대 53 : 금속막대의 외측부
63 : 출구 75 : 출력펌프

Claims (13)

  1. 경수나 1 ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 혼합유체를 최소 106이상의 고순도로 정수하는 정수부;
    정수부를 통해 고순도로 정수된 경수나 1 ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 고순도 혼합유체, 혹은 점성도가 5 ~ 30인 미네랄 오일 등을 공급하는 작동유체 공급부;
    공동방출현상에 대하여 내구성이 강한 유전체로 형성되고, 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 통로가 구비된 몸체;
    상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 마찰에 의한 열교환을 통하여 전자를 방출하는 금속성 삽입물;
    상기 몸체내의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키는 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하여, 공동방출현상에 의한 핵융합 반응에 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및
    상기 몸체내의 통로를 관통하여 자력을 이용해 이온화된 작동유체의 극성을 조절하고 전기를 포집하는 금속막대 등을 포함하는 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체는 공업용 플라스틱, 파이렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성되는 플라즈마 발생장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속성 삽입물은 열에너지에 의해 전자 방출이 용이한 구리, 알루미늄, 알루미늄 포일, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈 혹은 기타 금속 중 어느 하나나, 합금 형태로 형성되는 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전성 삽입물은 유전성이 강한 재료들 중에서 공업용 플라스틱, 파이 렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성되는 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속막대는 전기 전도성이 우수한 구리, 철 및 기타 금속 등 중 어느 하나로 형성되는 플라즈마 발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체 공급부는 정수된 상기 작동유체에 파동을 가하고 1bar-200bar의 압력으로 가압하여 공급하는 출력펌프를 포함하는 플라즈마 발생장치.
  7. 제6항 있어서,
    상기 작동유체 공급부는 상기 출력펌프 후단에 연결되어 임의의 주파수를 가진 파동을 가하는 펄스 발생기를 더 포함하는 플라즈마 발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체 중에서 경수:중수의 혼합비가 100:1 ~ 100:30 사이의 혼합유체나 경수, 혹은 점성도가 5 ~ 30사이의 미네랄 오일인 플라즈마 발생장치.
  9. 1% ~ 30%의 중수를 포함하는 경수와 중수의 혼합유체나 경수를 전기저항이 최소 106 로 정수하는 작동유체 정수부;
    최소 106의 고순도로 정수된 1% ~ 30%의 중수 경수의 혼합유체나 경수, 혹은 점성도 5 ~ 30 사이의 미네랄 오일을 공급하는 작동유체 공급부;
    유전체로 형성되고, 상기 작동유체 공급부로부터 공급된 작동유체가 흐를 수 있는 입구와 출구 및 통로가 구비된 몸체;
    구리, 알루미늄, 알루미늄 포일, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈 혹은 기타 금속 중 어느 하나나, 합금형태로 형성되고 상기 몸체의 통로에 삽입되어 상기 작동유체를 통과시키고 대량의 전자 방출을 유도하여 작동유체의 이온화를 가속화시키고 대량의 기포를 발생시키는 금속성 삽입물;
    공업용 플라스틱, 파이렉스(pyrex), 수정(quartz), 세라믹, 사파이어, 또는 루비 등이 바람직하며, 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC) 소결체 중 어느 하나로 형성되고, 상기 몸체내의 통로에 삽입되며, 상기 작동유체를 통과시키고 내경이 일정하거나 혹은 입구 및 출구 측에 내경이 확대되는 팽창부가 형성된 관통구멍을 적어도 하나 이상 구비하며, 이와는 별도로 관통구멍의 입구 안쪽 면이 매끄럽거나 혹은 스크류 형상을 가지며, 상기 관통구멍을 통과하는 작동유체에서 공동방출현상에 의한 핵융합 반응이 발생하는데 필요한 환경을 제공하는 유전성 삽입물; 및
    구리, 철 등 전기 전도성이 강한 재료들 중 어느 하나로 형성되고, 이온화된 작동유체의 이온들을 분리하는 자력을 제공하거나 이온화된 작동유체 내의 전기를 포집하는 금속막대를 포함하는 플라즈마 발생장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 몸체는 유전성 삽입물과 동일하거나 탄화수소 소결체로 형성되는 플라즈마 발생장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 작동유체 공급부는 작동유체를 1bar ~ 200bar의 압력으로 가압하여 공급하는 출력펌프를 포함하는 플라즈마 발생장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 작동유체 공급부는 상기 출력펌프 후단에 연결되어 임의의 주파수를 가진 압력파(펄스)를 가하는 펄스 발생기를 더 포함하는 플라즈마 발생장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 작동유체는 경수:중수의 혼합비가 100:1 ~ 100:30 사이의 혼합유체나 경수 또는 점성도가 5 ~ 30 사이의 미네랄 오일인 플라즈마 발생장치.
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