KR20190062786A - 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질로 전달하여 열 에너지로 변환하는 중성자-붕소 반응로; 및 상기 중성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈을 포함한다.

Description

중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM USING NEUTRON BORON NUCLEAR REACTION}
본 발명은 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 중성자 발생 장치를 이용한 중성자-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 중성자(n)와 붕소(B)를 이용한 중성자(n)-붕소(10B) 핵반응이 고려될 수 있다. 중성자(n)-붕소(10B) 핵반응은 1개의 알파 입자(4He), 1개의 리튬 입자(7Li), 감마선(γ) 및 2.79MeV의 에너지를 발생한다. 일반적으로 알파 입자 및 감마선은 방사선으로 취급하지만, 그 투과 능력은 수 ㎝의 납만으로 완벽하게 차폐 가능하므로, 인체의 피폭 측면에서 알파 입자 및 감마선의 위험성은 무시할 수 있는 수준이다. 따라서, 중성자(n)-붕소(10B) 핵반응은 핵 발전 연구에서 방사선을 최소화할 수 있는 새로운 에너지원으로 고려되고 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 중성자 발생 장치를 이용하여 중성자와 붕소 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 베릴륨(Be) 및 붕소(B)를 포함한 화합물을 핵반응 연료로 사용하여 중성자와 붕소 간의 연쇄반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 중성자-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, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질(medium)로 전달하여 열 에너지로 변환하는 중성자-붕소 반응로; 및 상기 중성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈;을 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템을 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템은 중성자와 붕소 간의 핵반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 발전 시스템은 중성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 리튬 입자를 배출하는 리튬 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 발전 시스템은 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 발전 시스템은, 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 기반으로 중성자-붕소 반응로에 주입할 가스 매질을 압축시키는 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 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 중성자-붕소 반응로는 중성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 분포된 매질, 상기 챔버 내에 위치하는 핵반응 연료, 및 상기 챔버 내의 핵반응 연료로 중성자 빔을 조사하는 중성자 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 중성자 발생 장치는 이온 가속 튜브와 타겟(target)으로 구성된 튜브형 중성자 발생기임을 특징으로 한다. 또한, 상기 중성자 발생 장치는 D-D 반응 또는 D-T 반응을 통해 중성자를 생성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 핵반응 연료는, 챔버 내부에 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 핵반응 연료는, BexBy 계열의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 미리 결정된 에너지를 갖는 중성자 빔을 생성하는 중성자 발생 장치; 및 상기 중성자 발생 장치에서 조사된 중성자와 핵반응 연료에 포함된 붕소 간의 원자 핵반응이 이루어지도록 하며, 상기 원자 핵반응을 통해 생성된 에너지가 가스 매질로 전달되도록 하는 챔버를 포함하는 중성자-붕소 반응로를 제공한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 중성자-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 중성자 발생 장치의 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 있고, 설치된 중성자 발생 장치를 발전 용도뿐만 아니라, 치료 목적 및 자연과학 연구 등 다양한 분야에 활용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 베릴륨 및 붕소를 포함한 화합물을 핵반응 연료로 사용함으로써, 중성자-붕소 핵 반응에 필요한 중성자를 지속적으로 공급할 수 있고, 중성자와 붕소 간의 연쇄반응을 유도할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 중성자-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 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2는 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3 및 도 4는 BexBy 계열의 핵반응 연료를 이용한 중성자-붕소 연쇄반응을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도;
도 8은 중성자-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 중성자 발생 장치를 이용하여 중성자와 붕소 간의 핵반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 베릴륨(Be) 및 붕소(B)를 포함하는 화합물을 핵반응 연료로 사용하여 중성자와 붕소 간의 연쇄 반응을 유도할 수 있는 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클을 통해 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템을 제안한다. 이하, 본 명세서에서는, 설명의 편의상, '중성자(n)-붕소(10B) 핵반응'을 '중성자-붕소 핵반응'으로 간략히 지칭하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템(100, 이하 설명의 편의상, '중성자-붕소 발전 시스템'이라 칭함)은, 중성자-붕소 반응로(110), 터빈(120), 발전기(130), 가스 배출기(140), 냉각기(150) 및 압축기(160) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 중성자-붕소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~160)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
중성자-붕소 발전 시스템(100)은 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 열 에너지로 변환하고, 발전 사이클(power cycle)을 이용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
중성자-붕소 반응로(또는 중성자-붕소 반응기, 110)는 중성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되는 핵반응 연료, 상기 챔버 내에 분산된 열 전달 매질, 미리 결정된 에너지를 갖는 중성자 빔을 생성하는 중성자 발생 장치 등을 포함할 수 있다.
중성자-붕소 반응로(110)는 중성자 발생 장치를 이용하여 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 원자 핵반응을 발생시킬 수 있다. 즉, 중성자-붕소 반응로(110)는 중성자 발생 장치를 통해 가속된 중성자 빔을 붕소 원자를 포함하는 핵반응 연료에 조사하여 중성자-붕소 핵반응을 유도할 수 있다.
중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응은, 아래 화학식 1과 같이, 전체 반응의 약 94% 비율로, 하나의 알파 입자(즉, 헬륨 입자), 하나의 리튬 입자, 감마선 및 2.79MeV(Mega electron volts)의 에너지를 발생하게 된다. 또한, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응은, 전체 반응의 약 6% 비율로, 하나의 알파 입자, 하나의 리튬 입자 및 2.79MeV의 에너지를 발생하게 된다.
Figure pat00001
가령, 도 2에 도시된 바와 같이, 중성자 발생 장치를 통해 입사된 중성자(Neutron, 210)는 5개의 양성자(Proton)와 5개의 중성자(Neutron)로 이루어진 붕소 원자(220)와 충돌하여 핵반응을 일으킨다. 이러한 핵반응의 생성물로 1개의 헬륨 입자(4He, 230), 1개의 리튬 입자(7Li, 240), 감마선(γ, 250) 및 2.79MeV의 에너지를 발생하게 된다.
여기서, 알파 입자 및 감마선은 방사선으로 취급하지만, 그 투과 능력은 수 ㎝의 납으로 완벽하게 차폐 가능하므로, 인체의 피폭 측면에서 알파 입자 및 감마선의 위험성은 거의 무시할 수 있는 수준이다. 붕소10은 전체 붕소의 약 20% 정도를 차지하고 있기 때문에 자연계에 존재하는 자원의 양이 상당히 풍부하여, 신규 에너지 자원으로서의 매력이 충분하다.
중성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 중성자 발생 장치는, 이온 가속 튜브와 타겟(target)으로 구성된 튜브형 중성자 발생기로서, 중수소(Deuterium: D)를 고 에너지로 가속하여 삼중수소(Tritium: T) 혹은 중수소 타겟과 충돌시켜 일어나는 핵반응에 의해 중성자를 방출시키는 장치이다.
중수소(D)와 삼중수소(T) 간의 핵반응과 관련된 D-T 반응식은 아래 화학식 2와 같이 정의될 수 있고, 중수소(D)와 중수소(D) 간의 핵반응과 관련된 D-D 반응식은 아래 화학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
동일한 에너지로 가속된 중수소에 대해 D-T 중성자는 D-D 중성자에 비해 그 선속이 약 100배 정도 크다. 따라서, D-T 중성자 발생기는 고 에너지 중성자원으로 사용될 수 있고, D-D 중성자 발생기는 상대적으로 저 에너지 중성자원으로 사용될 수 있다. 특히, D-D 중성자의 에너지는 일반적인 핵 물질의 핵분열에 의한 중성자의 평균 에너지(~ 2MeV)와 비슷하여 핵 물질 계량을 목적으로 하는 중성자 계수기에 활용성이 높다. 따라서, 본 실시 예에서는 D-D 중성자 발생기를 사용하는 것이 바람직하다.
중성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 핵반응 연료는, 붕소 원자만을 포함하는 물질이거나 혹은 붕소 원자와 다른 원자를 결합한 붕소 화합물일 수 있다. 일 예로, 핵반응 연료는 화학적 안정성이 높고 녹는점도 약 3000도 정도로 높은 BN(Boron Nitride) 화합물일 수 있다. 다른 예로, 핵반응 연료는 베릴륨 및 붕소 원자를 포함하는 BexBy 계열의 화합물일 수 있다.
중성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 열 전달 매질은, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환할 수 있는 모든 형태의 매질을 포함할 수 있다.
상기 열 전달 매질로는 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 매질로는, 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.
중성자-붕소 반응로(110)는 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 챔버 내에 존재하는 가스 매질에 그대로 전달하여 열 에너지로 변환시킨다. 중성자-붕소 반응로(110)는 열 에너지로 변환된 고온/고압의 가스 매질을 터빈(120)의 입력 단으로 배출하게 된다.
터빈(120)은 중성자-붕소 반응로(110)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈(120)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
터빈(120)에는, 압축기(160)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(160)에서 가스 매질을 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.
가스 배출기(또는 헬륨 분리기, 140)는 중성자-붕소 반응로(110) 및 터빈(120)을 통과한 유체(fluid)에서 핵반응 생성 물질만을 분리하여 배출할 수 있다. 여기서, 핵반응 생성 물질은 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 헬륨 가스(He)일 수 있다. 한편, 터빈(120)을 구동하기 위한 가스 매질로 헬륨 가스가 사용되는 경우, 상기 중성자-붕소 발전 시스템(100)은 가스 배출기(140)를 구비하지 않을 수 있다.
가스 배출기(140)를 통한 가스 배출 결과, 중성자-붕소 반응로(110)의 출력 단에서 가스 배출기(140)의 입력 단까지의 발전 사이클 상에는 가스 매질과 헬륨 가스를 포함하는 제1 유체가 흐를 수 있고, 가스 배출기(140)의 출력 단에서 중성자-붕소 반응로(110)의 입력 단까지의 발전 사이클 상에는 가스 매질만을 포함하는 제2 유체가 흐를 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 중성자-붕소 발전 시스템(100)은 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 리튬(Li)을 제거하기 위한 리튬 분리기를 더 포함할 수 있다.
냉각기(또는 열 교환기, 150)는 터빈(120) 및 가스 배출기(140)를 통과한 고온의 가스 매질을 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 냉각기(150)는 터빈(120)의 블레이드 장치를 냉각시키는 기능을 수행할 수도 있다.
냉각기(150)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 또한, 냉각기(150)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
냉각기(150)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(160)는 터빈(120)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 냉각기(150)를 통과한 가스 매질을 압축시키고, 압축된 고압의 가스 매질을 중성자-붕소 반응로(110)에 제공할 수 있다.
압축기(160)로는 축류 압축기 또는 원심 압축기 등이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 축류 압축기가 사용될 수 있다. 이때, 압축기(160)는 터빈(120)과 축(또는 로터(rotor), 170)으로 연결되어 회전 구동한다. 압축기(160)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과, 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.
이처럼, 가스 매질은 중성자-붕소 반응로(110), 터빈(120), 발전기(130), 가스 배출기(140), 냉각기(150) 및 압축기(160)를 순차적으로 순환하면서 에너지를 생산하게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 열원이 그대로 전달된 가스 매질이 발전 사이클을 반복적으로 순환하는 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, 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템은, 기존 원자력 발전소에 비교하여 중성자 발생 장치의 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 있고, 기 설치된 중성자 발생 장치를 발전 용도뿐만 아니라, 치료 목적 및 자연과학 연구 등 다양한 분야에 이용할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 중성자 발생 장치를 이용한 중성자-붕소 핵반응에서 발전을 위한 충분한 열에너지를 얻기 위해서는 중성자와 붕소 간의 반응율이 높아야 한다. 상기 반응율을 높이기 위한 가장 중요한 요소는, 붕소 원자와 반응할 수 있는 중성자의 개수가 많아야 한다는 점이다.
하지만, 상술한 화학식 1에서와 같이, 중성자-붕소 핵반응의 생성물이 중성자가 아니라 알파 입자 및 리튬 입자이기 때문에, 중성자-붕소 핵반응 후에는 중성자의 개수가 계속적으로 감소하는 문제가 있다. 따라서, 중성자-붕소 핵반응의 생성물인 알파 입자를 이용하여 중성자를 지속적으로 공급할 수 있는 추가적인 반응 메커니즘이 필요하다. 이러한 추가적인 반응 메커니즘을 위해 베릴륨 및 붕소를 포함하는 화합물(BexBy)을 핵반응 연료로 사용할 수 있다.
도 3 및 도 4는 BexBy 계열의 핵반응 연료를 이용한 중성자-붕소 연쇄반응을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 좀 더 구체적으로, 도 3은 BexBy 계열의 핵반응 연료를 이용한 제1 중성자 증배 반응을 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 4는 BexBy 계열의 핵반응 연료를 이용한 제2 중성자 증배 반응을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
본 발명에 따른 중성자-붕소 발전 시스템(100)은 베릴륨(Be) 및 붕소(B)를 포함하는 물질을 핵반응 연료로 사용할 수 있다. 상기 중성자-붕소 발전 시스템(100)은 미리 결정된 에너지를 갖는 중성자와 BexBy 계열의 물질 간에 원자 핵반응을 발생시킬 수 있다.
중성자와 BexBy 계열의 물질 간 원자 핵반응은, 중성자(n)와 베릴륨(9Be) 간의 제1 원자 핵반응, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 제2 원자 핵반응, 알파 입자(4He)와 베릴륨 원자(9Be) 간의 제3 원자 핵반응으로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 원자 핵반응은 제1 중성자 증배 반응을 유도할 수 있고, 제3 원자 핵반응은 제2 중성자 증배 반응을 유도할 수 있다.
중성자(n)와 베릴륨(9Be) 간의 제1 원자 핵반응은, 아래 화학식 4와 같이, 하나의 베릴륨 원자(8Be, 340), 두 개의 중성자(n, 350) 및 1.67MeV의 에너지를 발생하게 된다.
Figure pat00004
가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 중성자 발생 장치를 통해 입사된 중성자(neutron, 310)는 BexBy 계열의 화합물(320)에 존재하는 베릴륨 원자(9Be, 330)와 핵반응을 일으킨다. 이러한 핵반응의 생성물로 하나의 베릴륨 원자(8Be, 340), 두 개의 중성자(n, 350) 및 1.67MeV의 에너지를 발생하게 된다. 즉, 중성자(n)와 베릴륨 원자(9Be) 간의 제1 원자 핵반응을 통해 중성자의 개수를 증가하는 제1 중성자 증배 반응을 유도할 수 있다.
중성자(n)와 붕소(10B) 간의 제2 원자 핵반응은, 아래 화학식 5와 같이, 알파 입자(4He)와 베릴륨 원자(9Be) 간의 제3 원자 핵반응을 유도할 수 있다.
Figure pat00005
가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 중성자 발생 장치를 통해 입사된 중성자(neutron, 410)는 BexBy 계열의 화합물(420)에 존재하는 붕소 원자(10B)와 핵반응을 일으켜 하나의 리튬 입자(7Li, 430), 하나의 알파 입자(4He, 440) 및 2.79MeV의 에너지를 발생하게 된다. 상기 중성자-붕소 핵반응의 생성물인 알파 입자(440)는 인접한 BexBy 계열의 화합물(450)에 존재하는 베릴륨 원자(9Be, 455)와 충돌하여 하나의 탄소 입자(12C, 460), 하나의 중성자(n, 470) 및 5.71MeV의 에너지를 발생하게 된다. 이를 통해 생성된 중성자(470)는 다시 인접한 BexBy 계열의 화합물(480)에 존재하는 붕소 원자(10B)와 핵반응을 일으켜 하나의 리튬 입자(7Li, 490), 하나의 알파 입자(4He, 495) 및 2.79MeV의 에너지를 발생하게 된다.
즉, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 제2 원자 핵반응을 통해 알파 입자(4He)와 베릴륨(9Be) 간의 제3 원자 핵반응을 유도할 수 있고, 상기 제3 원자 핵반응을 통해 중성자의 개수를 증가하는 제2 중성자 증배 반응을 유도할 수 있다.
이처럼, 중성자(n)와 베릴륨(9Be) 간의 제1 원자 핵반응, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 제2 원자 핵반응, 알파 입자(4He)와 베릴륨 원자(9Be) 간의 제3 원자 핵반응이 랜덤하게 수행됨으로써, 중성자-붕소 핵반응에 필요한 중성자를 지속적으로 공급하게 되고, 중성자와 붕소 간의 연쇄 반응을 일으키게 된다.
한편, 중성자-붕소 발전 시스템(100)에 사용되는 핵반응 연료는, 중성자-붕소 반응로(110)의 온도 및 압력 조건에서 고체 형태로 존재하는 BexBy 계열의 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 BexBy 계열의 화합물은 베릴륨 보라이드(Be2B)일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
중성자-붕소 반응로(110)는, 중성자 발생 장치의 종류 및 핵반응 연료의 종류 등에 따라 그 구조가 변경되도록 설계할 수 있다. 이하에서는, 다양한 구조를 갖는 중성자-붕소 반응로(110)에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로(500)는 중성자 발생 장치와 고체 형태의 핵반응 연료를 이용하여 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 발생시킬 수 있다.
이러한 중성자-붕소 반응로(500)는 중성자 발생 장치(510), 중성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(520), 챔버(520) 내에 분포된 가스 매질(530) 및 챔버(520) 내에 배치된 고체 형태의 핵반응 연료(540) 등을 포함할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 중성자-붕소 반응로(500)는, 중성자-붕소 핵반응 시, 챔버(520)의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대를 포함할 수 있다. 또한, 중성자-붕소 반응로(500)는, 챔버(520) 내부로 입사되는 중성자 빔을 여러 방향으로 분산시키기 위한 중성자 산란 장치를 포함할 수 있다. 또한, 중성자-붕소 반응로(500)는, 중성자 빔이 챔버(520) 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 중성자 차폐 장치를 포함할 수 있다.
중성자 발생 장치(510)는 이온 가속 튜브와 타겟(target)으로 구성된 튜브형 중성자 발생기로서, 중수소(Deuterium: D)를 고 에너지로 가속하여 삼중수소(Tritium: T) 혹은 중수소 타겟과 충돌시켜 일어나는 핵반응에 의해 중성자를 방출시키는 장치이다. 이러한 중성자 발생 장치(510)는 챔버(520)와 연결되도록 구성되며, 빔 윈도우를 통해 중성자 빔을 챔버(520) 내부로 조사할 수 있다. 중성자(Neutron)는 양성자(proton)와 함께 원자핵을 구성하는 소립자의 하나로 전하를 띠지 않는다. 중성자는 그 속도 및/또는 그 에너지에 따라 물질의 성질을 변화시키거나, 혹은 새로운 물질을 생성할 수 있다.
중성자 발생 장치(510)로 인가되는 전원이 차단되면, 중성자 발생 장치(510)에서 중성자 빔이 더 이상 조사되지 않고, 그에 따라 중성자-붕소 반응로(500)에서 일어나는 중성자-붕소 핵반응이 중지하게 된다. 따라서, 예상치 못한 사고가 발생하거나 긴급 정지가 필요한 경우, 중성자 발생 장치(510)의 동작을 정지함으로써, 발전 시스템에서의 열원 발생을 안전하게 정지시킬 수 있다.
챔버(520)는 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(520)는 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파 입자 및 감마선을 완벽하게 차폐하면서, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 챔버(520)의 재질로는 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 스테인리스 강(stainless steel) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
챔버(520)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 중성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 챔버(520)는 두 개의 밑면이 수평 방향으로 배치되는 원통 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.
챔버(520)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(530)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(520)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(530)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(520)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(520)의 좌측 상단에 배치되고, 챔버(520)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(520)의 우측 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다.
가스 매질(530)은, 열 전달 매질로서, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 흡수할 수 있다. 상기 가스 매질(530)로는 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
핵반응 연료(540)는, 중성자-붕소 반응로(500)의 온도 및 압력 조건에서 고체 형태를 갖는 물질로서, 대표적으로 베릴륨 보라이드(Be2B)가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
상기 핵반응 연료(540)는 챔버(520)의 내 측면 상에 미리 결정된 형태로 코팅될 수 있다. 일 예로, 원 모양으로 코딩된 핵반응 연료(540)가 챔버(520)의 길이 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 한편, 다른 실시 예로, 핵반응 연료(540)는 챔버(520) 내에 설치된 열전대 또는 연료 거치 장치 등에 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로(600)는 중성자 발생 장치(610), 중성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(620), 챔버(620) 내에 분포된 가스 매질(630) 및 챔버(620) 내에 배치된 고체 형태의 핵반응 연료(640) 등을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서, 상기 중성자-붕소 반응로(600)의 중성자 발생 장치(610) 및 가스 매질(630)은 도 5에서 설명한 중성자-붕소 반응로(500)의 중성자 발생 장치(510) 및 가스 매질(530)과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
챔버(620)는 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(620)는 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파 입자 및 감마선을 완벽하게 차폐하면서, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
챔버(620)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 중성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 챔버(620)는 두 개의 밑면이 수직 방향으로 배치되는 원통 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.
챔버(620)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(630)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(620)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(630)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(620)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(620)의 상단에 배치되고, 챔버(620)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(620)의 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다.
핵반응 연료(640)는, 중성자-붕소 반응로(600)의 온도 및 압력 조건에서 고체 형태를 갖는 물질로서, 대표적으로 베릴륨 보라이드(Be2B)가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
핵반응 연료(640)는 막대(rod) 형상으로 형성될 수 있으며, 챔버(620) 내부에 수직 방향으로 배치될 수 있다. 상기 막대 형상을 갖는 핵반응 연료(640)는 복수개가 존재할 수 있으며, 이들 각각은 일정 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 챔버(620)는 핵반응 연료(640)를 지지 및 고정하기 위한 연료 거치 장치(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로를 나타내는 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중성자-붕소 반응로(700)는 중성자 발생 장치와 기체 형태의 핵반응 연료를 이용하여 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 발생시킬 수 있다.
이러한 중성자-붕소 반응로(700)는 중성자 발생 장치(710), 중성자-붕소 핵반응이 이루어지는 챔버(720), 챔버(720) 내에 분포된 가스 매질(730) 및 챔버(720)로 기체 형태의 핵반응 연료를 주입하는 연료 공급 장치(740), 챔버(720) 내에 존재하는 기체 형태의 핵반응 연료(750) 등을 포함할 수 있다.
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 중성자-붕소 반응로(700)는, 중성자-붕소 핵반응 시, 챔버(720)의 내부 온도를 측정하기 위한 열전대를 포함할 수 있다. 또한, 중성자-붕소 반응로(700)는 챔버(720) 내부로 입사되는 중성자 빔을 여러 방향으로 분산시키기 위한 중성자 산란 장치를 포함할 수 있다. 또한, 중성자-붕소 반응로(700)는 중성자 빔이 챔버(520) 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 중성자 차폐 장치를 포함할 수 있다. 또한, 중성자-붕소 반응로(700)는 챔버(720) 내부로 주입되는 기체 형태의 핵반응 연료를 골고루 확산시키기 위한 기체 확산 장치를 포함할 수 있다.
이하 본 실시 예에서, 상기 중성자-붕소 반응로(700)의 중성자 발생 장치(710) 및 가스 매질(730)은 도 5에서 설명한 중성자-붕소 반응로(500)의 중성자 발생 장치(510) 및 가스 매질(530)과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
챔버(720)는 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응이 일어나는 반응로이다. 상기 챔버(720)는 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 알파 입자 및 감마선을 완벽하게 차폐하면서, 중성자-붕소 핵반응을 통해 생성된 에너지를 견딜 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
챔버(720)는 다면체 형상, 원통 형상, 구 형상, 돔 형상 등과 같이, 양성자-붕소 핵반응에 적합한 다양한 입체 형상으로 구성될 수 있다. 이하 본 실시 예에서는, 상기 챔버(720)의 형상이 구 형상임을 가정하여 설명하도록 한다.
챔버(720)는 압축기(미도시)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 상기 압축기로부터 가스 매질(730)을 입력 받을 수 있다. 또한, 챔버(720)는 터빈(미도시)과 연결되도록 구성될 수 있으며, 열 에너지로 변환된 가스 매질(730)을 터빈으로 배출할 수 있다. 본 실시 예에서, 챔버(720)와 터빈을 연결하는 가스 배출 관이 상기 챔버(720)의 상단에 배치되고, 챔버(720)와 압축기를 연결하는 가스 입력 관이 상기 챔버(720)의 하단에 배치되는 것을 예시하고 있으나 이에 제한되지는 않는다.
연료 공급 장치(740)는 기체 형태의 핵반응 연료(750)를 저장할 수 있고, 제어 장치(미도시)의 제어 명령에 따라 핵반응 연료(750)를 챔버(720) 내로 주입할 수 있다. 이때, 연료 공급 장치(740)는 가스관을 통해 챔버(720)와 연결되도록 구성할 수 있다.
핵반응 연료(750)는, 중성자-붕소 반응로(700)의 온도 및 압력 조건에서 기체 형태를 갖는 물질일 수 있다. 상기 핵반응 연료(750)는 챔버(720) 내부에서 균일하게 분포될 수 있으며, 상기 챔버(720) 내부로 입사되는 중성자 빔과 충돌하여 중성자-붕소 핵반응을 일으키게 된다.
도 8은 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.
도 8을 참조하면, 중성자-붕소 발전 시스템은, 폐 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 중성자 붕소 반응로, 터빈, 발전기, 가스 배출기, 냉각기, 압축기 및 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제어 장치는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
중성자 붕소 반응로에 핵반응 연료의 주입이 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 중성자-붕소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S810).
먼저, 압축기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 중성자 붕소 반응로에 주입될 가스 매질을 압축할 수 있다(S820). 이때, 중성자 붕소 반응로에 주입되는 가스 매질로는, 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2) 등이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
중성자 발생 장치는, 제어 장치의 제어 명령에 따라 중성자 빔을 생성할 수 있고, 상기 생성된 중성자 빔을 챔버 내부에 위치하는 핵반응 연료로 조사할 수 있다(S830). 이때, 상기 핵반응 연료는 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 챔버 내부에 존재할 수 있다.
중성자 발생 장치에서 조사된 중성자 빔은 붕소 원자와 충돌하여 원자 핵반응이 중성자 붕소 반응로에서 발생할 수 있다(S840). 중성자-붕소 핵반응은 1개의 알파 입자(4He), 1개의 리튬 입자(7Li), 감마선(γ) 및 2.79MeV의 에너지를 발생하게 된다. 중성자-붕소 핵반응에서 발생하는 2.79MeV의 에너지는 챔버 내의 가스 매질에 그대로 전달되어 열 에너지로 변환된다.
한편, 베릴륨(Be) 및 붕소(B)를 포함하는 물질(BexBy)이 핵반응 연료로 사용되는 경우, 중성자-붕소 반응로에서는 중성자(n)와 베릴륨(9Be) 간의 제1 원자 핵반응, 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 제2 원자 핵반응, 알파 입자(4He)와 베릴륨(9Be) 간의 제3 원자 핵반응이 일어난다. 상기 제1 원자 핵반응을 통해 1.67MeV의 에너지가 발생하게 되고, 제2 원자 핵반응을 통해 2.79MeV의 에너지가 발생하게 되며, 제3 원자 핵반응을 통해 5.71MeV의 에너지가 발생하게 된다. 중성자-붕소 핵반응에서 발생하는 총 10.17MeV의 에너지는 챔버 내의 가스 매질에 그대로 전달되어 열 에너지로 변환된다.
터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 중성자 붕소 반응로에서 배출된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S850). 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.
가스 배출기(또는 헬륨 분리기)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 중성자-붕소 반응로 및 터빈을 통과한 유체(fluid)에서 헬륨 가스만을 분리하여 배출할 수 있다(S860).
냉각기(또는 열 교환기)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 터빈 및 가스 배출기를 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: 중성자-붕소 발전 시스템 110: 중성자 붕소 반응로
120: 터빈 130: 발전기
140: 가스 배출기 150: 냉각기
160: 압축기

Claims (16)

  1. 중성자(n)와 붕소(10B) 간의 핵반응을 유도하고, 상기 핵반응을 통해 생성된 에너지를 매질(medium)로 전달하여 열 에너지로 변환하는 중성자-붕소 반응로; 및
    상기 중성자-붕소 반응로에서 배출된 매질이 회전 날개를 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환하는 터빈;을 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 헬륨 가스를 배출하는 헬륨 분리기를 더 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중성자와 붕소 간의 핵 반응을 통해 생성된 리튬 입자를 배출하는 리튬 분리기를 더 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 기반으로 상기 중성자-붕소 반응로에 주입할 매질을 압축시키는 압축기를 더 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 매질을 냉각하는 냉각기를 더 포함하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각기의 냉매로 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 및 초임계 이산화탄소(S-CO2) 중 적어도 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  8. 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 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 중성자-붕소 반응로는,
    중성자와 붕소 간의 핵반응이 이루어지는 챔버, 상기 챔버 내에 분포된 매질, 상기 챔버 내에 위치하는 핵반응 연료, 및 상기 핵반응 연료로 중성자 빔을 조사하는 중성자 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 중성자 발생 장치는 이온 가속 튜브와 타겟(target)으로 구성된 튜브형 중성자 발생기임을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 중성자 발생 장치는 D-D 반응 또는 D-T 반응을 통해 중성자를 생성하는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 핵반응 연료는, BexBy 계열의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    중성자(n)와 베릴륨(9Be) 간의 핵반응에 따라, 상기 챔버 내에 존재하는 중성자의 개수가 증가하는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    알파 입자(4He)와 베릴륨 원자(9Be) 간의 핵반응에 따라, 상기 챔버 내에 존재하는 중성자의 개수가 증가하는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 핵반응 연료는, 상기 챔버 내부에 고체 화합물 또는 기체 화합물 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 중성자-붕소 핵반응을 이용한 발전 시스템.
  16. 미리 결정된 에너지를 갖는 중성자 빔을 생성하는 중성자 발생 장치; 및
    상기 중성자 발생 장치에서 조사된 중성자와 핵반응 연료에 포함된 붕소 간의 원자 핵반응이 이루어지도록 하며, 상기 원자 핵반응을 통해 생성된 에너지가 가스 매질로 전달되도록 하는 챔버를 포함하는 중성자-붕소 반응로.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0461690A2 (en) * 1990-06-13 1991-12-18 The Boeing Company Cold nuclear fusion thermal generator
US20110298332A1 (en) * 2008-12-17 2011-12-08 Florent Miller Electric generator excited by ionizing radiations

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0461690A2 (en) * 1990-06-13 1991-12-18 The Boeing Company Cold nuclear fusion thermal generator
US20110298332A1 (en) * 2008-12-17 2011-12-08 Florent Miller Electric generator excited by ionizing radiations

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020242233A1 (ko) 2019-05-28 2020-12-03 주식회사 엘지생활건강 폴리올 또는 금속이온 염화물을 포함하는 용해성 세탁용 시트

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