KR20220134690A - 충전 가능한 원자 배터리 및 활성화 충전 생산 방법 - Google Patents

충전 가능한 원자 배터리 및 활성화 충전 생산 방법 Download PDF

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KR20220134690A
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마이클 존 이즈
크리스토퍼 모리슨
파올로 프란체스코 베네리
웨슬리 디즌
마크 리드
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울트라 세이프 뉴클리어 코포레이션
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Abstract

충전 가능한 원자 배터리(CAB)는 복수의 CAB 유닛 및 복수의 CAB 유닛을 유지하는 CAB 하우징을 포함한다. CAB 유닛 각각은 캡슐화 재료 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자를 포함하는 전구체 콤팩트로 형성된다. 전구체 재료 입자는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료로 변환 가능한 전구체 재료로 형성된 전구체 커널을 포함한다. 전구체 재료가 변환될 때, 전구체 재료는 부분적으로 고갈된 상태에 있고, 그에 따라 전구체 재료의 초기 부분이 고갈되며 전구체 재료의 재충전 부분이 충전 가능한 원자 배터리를 재충전하기 위해 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태로 변환될 수 있다.

Description

충전 가능한 원자 배터리 및 활성화 충전 생산 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 2월 7일자로 출원된 "Chargeable Atomic Batteries (CABs) enabled by ceramic encapsulation and activation charging production methods enabling cost-effective and scalable radioisotope heaters, electric generators, and x-ray sources"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제62/971,898호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전문은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 출원은 2021년 2월 7일자로 출원된 "Chargeable Atomic Battery with Pre-Activation Encapsulation Manufacturing"라는 명칭의 국제 출원 제PCT/US2021/XXXXXX호에 관한 것으로, 상기 출원의 전문은 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 청구 대상은 일반적으로 비-방사성 동위 원소로 구성된 충전 가능한 원자 배터리(chargeable atomic battery)(CAB), 및 방출된 방사선 에너지를 제공하기 위해, 입자 방사선 소스를 통해 CAB를 조사하여 CAB가 입자 방사선 소스로부터 원격으로 방사선을 방출하게 하는 방법의 예에 관한 것이다.
때때로 핵 배터리 또는 방사성 동위 원소 발생기라고 지칭되는 종래의 원자 배터리는 통상적으로 핵무기를 제조하는 데 이용할 수 있는 플루토늄-238(Pu-238) 또는 유사한 "특수 핵 물질"을 포함한다. Pu-238 방사성 동위 원소가 붕괴됨에 따라, 핵 에너지로부터 전기를 생성할 수 있다. 그러나, 원자 배터리의 대량 상업화는, (1) 안전; (2) 기술/제조; (3) 규제 기틀 준수; (4) 시장성을 비롯하여 여러 주요 과제에 직면해 있다.
전력 생산을 위한 방사성 동위 원소는 거의 60년 동안 사용되어 왔고, 예를 들어 1960년대-1980년대에, 플루토늄-238 및 프로메튬-147을 사용하여 저전력 심장 박동 조절 장치를 개발하였다. 악티늄족 원자가 분열할 때, 스트론튬-90은 일반적인 부산물이다. 이에 따라, 소련은 핵연료를 처리하여 스트론튬-90을 대량 생산하고 지구 전역과 우주에 1,500개 초과의 스트론튬-90 파워 유닛을 배치하였다. 미해군도 스트론튬-90을 배치하였다. 그러나, 스트론튬-90 파워 유닛은 안전 과제에 직면하였다. 소련에 의해 생산된 노후화되고 손상된 파워 유닛으로부터 상당한 방사성 물질이 방출되는 사례가 여러 번 있었다. 오늘날, 소련에 의해 생산된 것과 같은 파워 유닛은 여전히 안전 책임이 있으며 실행 가능한 상용 기술로서 고려되지 않고 있다.
현재 상업화를 방해하고 있는 원자 배터리 분야의 기술적 문제점 중 몇몇은 다음과 같다. 환경 방출로부터 핵 물질을 캡슐화하고 격리하는 강력한 방법은 없다. 핵 물질 격납의 생산 및 복잡도에 관한 과제가 또한 원자 배터리의 적용을 제한하였다. 전통적인 원자 배터리 해결책은 고성능과 엄청나게 비싼 플루토늄-238을 기초로 한다. 플루토늄-238의 비용, 필연적으로 제어된 특성, 및 제한된 공급으로 인해 원자 배터리에 대한 광범위한 상업적 채택이 방지된다.
안전 문제, 까다로운 제조 요구 사항, 및 높은 규제 때문에, 플루토늄-238을 갖는 원자 배터리의 제조 및 배치는 복잡하다. 플루토늄-238의 생산은 넵투늄-237 중성자 조사 타겟을 필요로 한다. 넵투늄-237은 제어된 특수 핵 물질인 인공 원소이다. 넵투늄-237 타겟의 작은 부분만이 각각의 조사 사이클로 변환된다. 이는 플루토늄-238을 용해 및 수집하기 위해 화학적 방법을 사용해야 하며 플루토늄-238을 생산하기 위해서는 상당한 방사선 등급과 보안 설비가 필요하다. 제조 프로세스의 모든 단계는 우발적인 방사선 노출을 피하기 위해 인간 작업자와 인간 및 기타 생물체의 주변 커뮤니티의 안전을 보장하도록 면밀히 모니터링된다. 또한, 모든 단계는 승인되지 않은 사람이 특수 핵 물질을 취득하는 것을 방지하기 위해 국가 안보 목적으로 모니터링된다. 이러한 우려로 인해 원자 배터리를 제조하고 운송할 수 있는 당사자의 수가 실질적으로 제한된다. 고객이나 다른 사용자와 같이 원자 배터리를 배치하는 최종 수령인은 플루토늄-238을 둘러싼 규제를 준수하기 위한 보안 프로토콜 뿐만 아니라 원자 배터리에 연료를 공급하거나 활성화하는 데 필요한 임의의 농축 설비를 마련해야 한다. 플루토늄-238은 정부 활용을 위한 오랫동안 성공적인 배치 이력을 갖는 고성능 원자 배터리이지만, 전술한 문제로 인해, 상용 기술로서 배치될 수 없고 플루토늄-238의 비용은 그 사용을 가장 도전적인 문제로만 제한한다.
플루토늄-238로 작동하는 것과 같은 종래의 원자 배터리는 플루토늄-238을 생산하는 데 필요한 시드 물질을 전혀 또는 거의 포함하지 않고 대신에 방사성 물질을 수집하기 위해 방사성 화학 방법을 사용한다. 따라서, 전통적인 원자 배터리 해결책은 일회용(충전 능력 없음)이다 - 방사성 연료 캡슐은, 연료 캡슐 내의 방사성 물질이 실질적으로 안정화될 때까지 아원자 입자를 방출하여 에너지를 제공한다. 안정화되면, 방사성 물질은 더 이상 충분한 에너지를 방출하지 않아, 원자 배터리의 수명(유효 기간)을 효과적으로 종료한다. 고갈되면, 전통적인 원자 배터리는 원자로의 핵연료와 유사한 폐기물 문제가 있으며 원자 배터리에 남아 있는 미량의 플루토늄-238 및 기타 반응성 물질 때문에 안전하게 보호되고 적절하게 보관되어야 한다.
플루토늄-238을 이용하면 원자 배터리의 수명이 매우 특정한 기간으로 제한된다. 플루토늄-238은 약 88년의 반감기를 갖기 때문에, 플루토늄-238 기반 원자 배터리의 크기와 조성을 44년보다 훨씬 짧거나 긴 수명으로 최적화하고 일관된 방사선 출력을 유지하는 것은 어렵다. 결과적으로, 전통적인 원자 배터리는, 상대적으로 짧은 임무가 완료된 후, 그러나 방사성 배터리가 실질적으로 방사선 방출을 중단하기 훨씬 전에 서비스에서 조기에 폐기해야 할 수도 있다. 일반적으로, 방사성 물질은 약 10-20 반감기 후에 불활성이 되게 된다. 이는 플루토늄-238이 약 1-2000년 동안 방사능 안전 문제가 있다는 것을 의미한다. 단기 적용의 경우, 이는 이상적이지 않으며 플루토늄-238의 활용도를 제한한다.
전통적인 원자 배터리 내의 플루토늄-238은 주로 알파 입자를 방출한다. 이러한 알파 방출은, 예를 들어 베타 및 감마 입자 방출과 비교하여 상이한 적용 및 위험 프로파일을 갖고 있다. 베타 및 감마 방출은 일반적으로 알파 방출보다 더 깊이 침투하지만, 베타 방출은 일반적으로 흡입되거나 섭취될 때 생체 조직에 덜 손상을 준다. 베타 및 감마 물질은 특정 사용 사례에 유용할 수 있는 침투 x-선을 방출한다.
본 명세서에 개시된 다양한 예는 우주, 지구상(예를 들어, 육지 또는 바다) 용례를 위한 충전 가능한 원자 배터리(190)를 포함하는 충전 가능한 원자 배터리 시스템(192)을 위한 핵 기술에 관한 것이다. 안전성 및 재사용성을 개선하기 위해, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)로 형성된 CAB 유닛(104A-G)을 포함한다. 종래의 플루토늄-238과 달리, 전구체 재료 입자는 전구체 재료(159)로 형성된 전구체 커널(153)을 포함한다. 전구체 재료(159)는 플루토늄-238과 같은 특수 핵 물질이 아니며, 플루토늄-238과 달리, 전구체 재료(159)는 초기에 비-방사성인 안정 상태로 제조된다. 전구체 재료(159)는 입자 방사선 소스(예를 들어, 원자로 노심)(101)에 의해 재충전 가능하다.
충전 가능한 원자 배터리(190)는 최신 기술의 화학 배터리 및 화석 연료의 100만 배의 에너지 밀도를 보유할 수 있다. 태양 또는 다른 에너지 소스에 대한 접근을 보유하지 않은 위치의 경우, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 열, 전기 에너지, 및 수동 x-선 방사선 소스를 비교적 많은 양과 작은 폼 팩터로 생성할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 관련 사용 사례는 태양에서 멀리 떨어져 작동하는 소형 위성, 달의 밤에 생존을 시도하는 달의 전자 기기, 해양의 깊이를 탐사하기 위한 수중 비히클, 및 캐나다, 북유럽, 및 아시아와 같은 원격 지역의 저전력 열을 포함한다.
충전 가능한 원자 배터리(190)를 충전하고 사용하기 위해, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101)에 근접하게 배치된다. 입자 방사선 소스(101)로부터의 아원자 입자(160A-N)는 충전 가능한 원자 배터리(190) 내의 CAB 유닛(104A-G)에 충격을 가하고, 아원자 입자(160A-N) 충격 하에 방사성 상태로 변환하는 성향으로 인해 선택된 전구체 재료(159)를 조사한다. 전구체 재료(159)는 방사성 상태의 방사선 입자(161A-N)를 방출한 후 비-방사성 상태로 변환하는 성향 및 입자 방사선 소스(101)로부터의 추가 아원자 입자(160A-N) 충격 시에도 다시 방사성 상태로 변환하지 않는 성향으로 인해 추가로 선택된다. 예를 들어, 충전 가능한 원자 배터리(190)는, 방사성 상태(예를 들면, 활성화된 상태)의 활성화된 재료(162)의 붕괴에 의해 방출되는 열을 제벡 효과(Seebeck effect)에 의해 전기로 변환하기 위한 열전 소자(305)(예를 들면, 열전대의 어레이)를 포함하는 방사성 동위 원소 열전 발전기(radioisotope thermoelectric generator)(RTG)로서 이용될 수 있다. 예를 들어, RTG는 우주 탐사 용례에서 사용될 수 있다.
예시적인 충전 가능한 원자 배터리(190)는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 포함한다. CAB 유닛(104A-G) 각각은 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)를 포함하는 전구체 콤팩트(158)로 형성된다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환 가능한 전구체 재료(159)로 형성된 전구체 커널(153)을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 유지하기 위한 충전 가능한 원자 배터리(191) 하우징을 더 포함한다.
다른 예시적인 충전 가능한 원자 배터리(190)는 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료(159)로 형성된 적어도 하나의 CAB 유닛(104A)을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 적어도 하나의 CAB 유닛(104A)을 유지하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 더 포함한다. 전구체 재료(159)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환될 수 있다.
예시적인 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 복수의 전구체 재료 입자(151A-N)를 제공하는 단계(단계 605)를 포함한다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환 가능한 전구체 재료(159)로 형성된 전구체 커널(153)을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 복수의 전구체 재료 입자(151A-N)를 세라믹 분말과 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(단계 610)를 더 포함한다. 추가로, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 다이에 혼합물을 배치하는 단계(단계 615), 다이에서 혼합물을 가압하여 소결되지 않은 그린 형태(green form)를 형성하는 단계(단계 616), 및 소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛(104A)으로 소결하는 단계(단계 620)를 더 포함한다.
예시적인 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)를 입자 방사선 소스(101)에 근접하게 배치하는 단계(단계 710)를 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 충전 가능한 원자 배터리(190)의 초기 충전 사이클 동안, 안정 상태로부터 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료의 초기 부분을 입자 방사선 소스(101)를 통한 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환하는 단계(단계 715)를 더 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 충전 가능한 원자 배터리(190)의 활성화된 재료(162)로부터 방사선을 방출하는 단계(단계 720)를 더 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 활성화된 재료(162)로부터 방출된 방사선을 충전 가능한 원자 배터리(190)의 열전 소자(305)를 통해 전력으로 변환하는 단계(단계 725)를 더 포함한다.
예의 추가 목적, 이점 및 신규 특징은 다음 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 부분적으로는 다음 및 첨부 도면을 검토함으로써 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해지거나 또는 예의 생산 또는 작동에 의해 학습될 수 있다. 본 청구 대상의 목적 및 이점은 첨부된 청구범위에서 특히 언급된 방법론, 수단 및 조합에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
도면은 제한이 아니라 단지 예로서 하나 이상의 구현을 도시한다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
도 1a는 원자로 노심에 의해 방출되는 자유 중성자 플루언스(free neutron fluence)에 의해 충전되는 다수의 CAB 유닛을 갖는 충전 가능한 원자 배터리를 예시한다.
도 1b는 전구체 재료 입자를 둘러싸는 캡슐화 매트릭스로 구축된 도 1a의 충전 가능한 원자 배터리의 단일 CAB 유닛, 뿐만 아니라 예시적인 전구체 재료 입자의 상세도를 예시한다.
도 1c는 도 1b로부터의 자유 중성자 플루언스로 충격을 받는 예시적인 전구체 재료 입자를 예시한다.
도 1d는 도 1c로부터의 자유 중성자 플루언스에 의해 충격을 받는 것에 응답하여 아원자 입자를 방출하는 도 1c로부터의 이제 활성화된 전구체 재료 입자를 예시한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1b 내지 도 1d로부터의 예시적인 전구체 재료 입자로부터의 원자가 자유 중성자에 의해 충격을 받아, 이온화를 변경시킨 다음, 나중에 아원자 입자를 방출하고 다른 원소로 변환되는 것을 예시한다.
도 3a 내지 도 3d는 미사용 CAB 유닛이 원자로 노심에 의해 충전된 다음, 전기를 생성하는 것, 뿐만 아니라 CAB 유닛 내의 선택 원소들의 상대적 백분율을 예시한다.
도 4a 내지 도 4d는 이전에 사용되었지만 고갈된 CAB 유닛이 원자로 노심에 의해 완전히 재충전된 다음, 배터리가 완전하고 영구적으로 소모될 때까지 전기를 생성하는 것, 뿐만 아니라 CAB 유닛 내의 선택 원소들의 상대적 백분율을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 충전 가능한 원자 배터리의 하우징과 별개로 원자로 노심에 의해 충전된 개별 CAB 유닛을 갖는 열전 소자가 결합된 충전 가능한 원자 배터리를 예시한다.
도 5c 및 도 5d는 충전 가능한 원자 배터리로의 충전된 CAB 유닛의 복귀 및 방사선 차폐물의 부착을 예시한다.
도 6은 사용되지 않은, 충전되지 않은, 충전 가능한 원자 배터리를 제조하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 충전 가능한 원자 배터리를 초기 충전, 사용, 재충전 및 재사용하기 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 선택, 제조, 활성화 및 전력 생산 단계를 예시하기 위해 도 6 및 도 7을 간소화하는 흐름도이다.
도 9는 활성화된 동위 원소, 반감기, 모 동위 원소, 및 일 범위에 걸친 전력 출력의 차트이다.
부품 목록
101 입자 방사선 소스(예를 들어, 원자로 노심)
101A-N 입자 방사선 소스
104A-G CAB 유닛
107 원자로
112 충전재
150 캡슐화 매트릭스
151A-N 전구체 재료 입자
152 캡슐화 재료
153 전구체 커널
154 제1 전구체 캡슐화 코팅
155 제2 전구체 캡슐화 코팅
156 제3 전구체 캡슐화 코팅
157 제4 전구체 캡슐화 코팅
158 전구체 콤팩트
159 전구체 재료
160A-N 아원자(예를 들어, 중성자) 입자
161A-N 방사선(예를 들어, 베타) 입자
162 활성화된 재료 또는 방사성 핵종(예를 들어, 툴륨-170)
163 붕괴된 재료
190 충전 가능한 원자 배터리
191 충전 가능한 원자 배터리 하우징
192 충전 가능한 원자 배터리 시스템
201 전구체 원자(예를 들어, 툴륨-169)
203 고갈된 원자(예를 들어, 이테르븀-170)
305 열전 소자
505 방사선 차폐물
600 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법
700 충전 가능한 원자 배터리 방법
800 충전 가능한 원자 배터리 수명 사이클 방법
900 전구체 재료 성능 차트
다음의 상세한 설명에서, 관련 교시의 철저한 이해를 제공하기 위해 예로서 다수의 특정 세부 사항이 기재된다. 그러나, 본 교시가 이러한 세부 사항 없이 실시될 수 있음이 본 기술 분야의 숙련자에게 명백하다. 다른 경우에, 본 교시의 양태를 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 널리 알려진 방법, 절차, 구성요소, 및/또는 회로는 세부 사항 없이 비교적 높은 수준으로 설명하였다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "결합된"은 임의의 논리적, 물리적 또는 전기적 연결을 지칭한다. 달리 설명되지 않는 한, 결합된 요소 또는 디바이스는 서로 직접 연결될 필요가 없으며 중간 구성요소, 요소 등에 의해 분리될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 아래의 청구범위를 포함하여 본 명세서에 기재된 모든 측정치, 값, 등급, 위치, 규모, 크기, 각도 및 기타 사양은 정확한 것이 아니라 개략적인 것이다. 그러한 양은, 관련된 기능 및 해당 기술 분야에서 통상적인 것과 일치되는 합리적인 범위를 갖도록 의도된다. 예를 들어, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 파라미터 값 등은 언급된 양으로부터 ± 5%만큼 또는 ± 10%만큼 달라질 수 있다. "대략", "상당히" 또는 "실질적으로"라는 용어는 파라미터 값 등이 언급된 양으로부터 ± 25%까지 달라진다는 것을 의미한다.
임의의 도면에 도시된 바와 같은 충전 가능한 원자 배터리(190), 관련 구성요소, 및/또는 충전 가능한 원자 배터리(190), CAB 유닛(104A-G), 또는 전구체 재료 입자(151A-N)를 통합한 임의의 충전 가능한 원자 배터리 시스템(192)의 배향은 단지 예로서 예시 및 설명 목적으로 제공된다. 특정 충전 가능한 원자 배터리(190)에 대한 작동에서, 구성요소는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 특정 용례에 적절한 임의의 다른 방향, 예를 들어 직립, 측방향, 또는 임의의 다른 배향으로 배향될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 정도로, 임의의 방향성 용어, 예컨대 측방향, 길이방향, 위, 아래, 상부, 하부, 상단, 하단, 및 측면은 단지 예로서 사용되고, 본 명세서에서 달리 설명되는 바와 같이 구성된 임의의 충전 가능한 원자 배터리(190) 또는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 구성요소의 방향 또는 배향에 관해서 제한되지 않는다.
원소의 질량수는 2개의 교환 가능한 형식으로 표시된다. 하나의 질량수 형식에서, 질량수는 하이픈을 통해 원소 이름 또는 기호에 추가된다(예를 들어, 플루토늄-238 또는 Pu-238). 제2 질량수 형식에서, 질량수는 윗첨자로 원소 이름 또는 기호의 전방에 추가된다(예를 들어, 238플루토늄 또는 238Pu). 두 형식 모두 동일한 도면 및 관련 상세한 설명 단락에 나타날 수 있고, 특정 질량수 형식의 사용에 특별한 의미를 두어서는 안된다. 혼합된 질량수 형식(예를 들어, "Pu-238" 라벨이 붙은 도면 원소와 "238플루토늄"을 인용하는 관련 상세한 설명 단락)은 혼합되지 않은 질량수 형식과 비교할 때 특별한 의미나 관계를 나타내지 않는다.
도 1a는 충전 가능한 원자 배터리(190)를 포함하는 충전 가능한 원자 배터리 시스템(192)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 복수의 CAB 유닛(104A-G) 및 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 포함한다. 도 1a의 예에 도시된 바와 같이, 7개의 CAB 유닛(104A-G)은 CAB 유닛(104A-G)을 유지하는 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191) 내에 배치된다. 충전 가능한 원자 배터리(191)는 CAB 유닛(104A-G)을 (예를 들어, 부분적으로 또는 전체적으로) 둘러싸거나 달리 덮을 수 있고, (i) CAB 유닛(104A-G)의 전구체 재료(159)가 안정 상태에 있을 때 초기 충전하는 동안; 및 (ii) CAB 유닛(104A-G)의 전구체 재료(159)가 부분적으로 고갈된 상태에 있고 입자 방사선 소스(101)에 의한 조사를 받음으로써 활성화된 상태로 여전히 변환될 수 있을 때 재충전하는 동안 선택적으로 개방될 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 CAB 유닛(104A-G)의 전구체 재료(159)가 충전되고 활성화된 상태에 있을 때 선택적으로 폐쇄될 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 CAB 유닛(104A-G)의 수는 달라질 수 있고, 예를 들어, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 또는 그 이상의 CAB 유닛(104A-G)을 포함할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 CAB 유닛(104A-G)으로부터 에너지를 저장, 운송, 확보 및 회수하는 것을 돕기 위해 사용되는 구조이다. 추가로, 이후 도면은 전기 요소(예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같은 열전 소자(305)) 및 도 5에 도시된 것과 같은 방사선 차폐물(505)를 부착하기 위한 적절한 위치로서 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 도시한다. 방사선 차폐물(505)은 열, 방사선, 압력 등으로부터 보호하기 위해 강성 열 차폐 쉘을 포함할 수 있는 보호 덮개이다. 하나의 예에서, 방사선 차폐물(505)은 페놀계 허니콤(예를 들어, 벤젠)의 층에 의해 덮인 흑연-에폭시 면 시트 사이에 끼워진 알루미늄 허니콤(예를 들어, 육각 프리즘 벽) 형상 구조로 형성될 수 있다. 페놀계 허니콤은 코르크 나무, 바인더 및 많은 작은 석영 유리 구체와 같이 열을 발산하는 절제 재료로 채워져 있다. 백쉘(backshell)은 열 차폐물과 같이 형성될 수 있지만, 백쉘은 열 차폐물보다 얇을 수 있다.
비히클(예를 들어, 우주선)은 충전 가능한 원자 배터리(190) 및 비히클의 대기 진입 또는 재진입 동안 항력에 의해 생성될 수 있는 열, 방사선, 압력 등으로부터 보호하기 위해 비히클에 부착된 에어로쉘을 포함할 수 있다. 에어로쉘은 방사선 차폐물(505)을 포함할 수 있다.
충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101)에 의해 방출되는 아원자 입자(160A-N)의 범위 내에 배치된다. 이 예에서, 입자 방사선 소스(101)는 원자로(107)의 원자로 노심이다(도 5b 참조). 충전 가능한 원자 배터리(190)는 원자로(107) 내의 원자로 노심 옆에 도시되어 있다. 예에서, 입자 방사선 소스(101)는 원자로(101)이고, 충전 가능한 원자 배터리(190)가 입자 방사선 소스(101)에 의해 방출되는 아원자 입자(160A-N)의 범위 내에 존재함에 따라, CAB 유닛(104A-G)은 아원자 입자(160A-N)에 의해 충격을 받는다. 대안적인 입자 방사선 소스(101A-N)는 보다 일반화된 핵분열 원자로, 핵융합 원자로 및 입자 가속기를 포함할 수 있다. 핵분열 원자로는 무거운 핵을 2개 이상의 가벼운 핵으로 분할하여, 운동 에너지, 감마 방사선, 및 자유 중성자를 방출한다. 핵융합 원자로는 2개의 가벼운 원자핵을 조합하여 더 무거운 핵을 형성하면서 에너지를 방출한다. 입자 가속기는 전자기장을 사용하여 하전 입자를 매우 빠른 속도와 에너지로 추진하고, 하전 입자를 명확한 빔에 함유하는 기계이다.
충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 일부 예에서 중성자 반사체 재료로 부분적으로 라이닝됨으로써 자유 중성자(160A-N) 충격(도 1c 참조)을 유도할 수 있다. 대안적으로, CAB 유닛(104A-G)은 CAB 유닛(104A-G)의 아원자 입자(160A-N)에 대한 보다 직접적인 노출을 용이하게 하거나 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)이 입자 방사선 소스(101)로부터의 아원자 입자(160A-N)에 과도하게 노출되고 잠재적으로 방사선 취성을 겪는 것으로부터 보호하도록 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)으로부터 제거될 수 있다. CAB 유닛(104A-G)이 아원자 입자(160A-N)에 노출됨에 따라, 전구체 재료 입자(151A-N)(도 1b 참조) 내의 전구체 재료(159)는 동일한 아원자 입자(160A-N)(도 1c 참조)에 노출된다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 흑연, 탄소 섬유, 탄소 결합 탄소 섬유, 또는 알루미늄과 같은 비-방사성 물질로 형성된 본체 및 뚜껑을 포함할 수 있다.
초기 충전 사이클과 재충전 사이클 동안, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101) 내부에 배치된다. 전술한 바와 같이, 입자 방사선 소스(101)는 압력 용기 내부에 원자로 노심을 포함하는 경수 원자로 또는 중수 원자로와 같은 원자로(107)일 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 압력 용기의 중간(예를 들어, 원자로 노심 내부) 또는 압력 용기의 반사체 영역(예를 들어, 내부 반사체 영역 또는 외부 반사체 영역)에 배치될 수 있다. 경수 원자로에서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 원자로의 중간(예를 들어, 중앙)에 배치될 수 있고, 예를 들어 충전 가능한 원자 배터리(190)는 원자로 노심의 CAB 유닛과 산재될 수 있다. 다른 예에서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 초기 충전 사이클과 재충전 사이클 동안 압력 용기의 주연부에서 외부 반사체 영역 내에 배치될 수 있다. 입자 방사선 소스(101)로서 적합하고 압력 용기, 원자로 노심, 연료 요소, 내부 반사체 영역, 및 외부 반사체 영역을 포함하는 예시적인 원자로(107)는 2020년 1월 23일자로 공개되었고 "Composite Moderator for Nuclear Reactor Systems"라는 명칭의 미국 특허 공개 제2020/0027587에 개시되어 있고, 그 전문은 본 명세서에 참조로 포함된다.
전통적인 원자 배터리와 달리, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 유리하게는 초기 충전 사이클 전에 핫 셀(hot cell)에 배치될 필요가 없다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 초기 충전 사이클 후에, 재충전 사이클 사이에 충전 가능한 원자 배터리(190)의 검사 및 취급을 위해 핫 셀이 이용될 수 있다. 그러나, 재충전 사이클 사이의 간극 시간이 전구체 재료(159)의 방사선 붕괴를 안전 레벨로 가능하게 하기에 충분히 길도록 대기 기간(예를 들어, 지속 기간)이 선택되면, 핫 셀은 충전 가능한 원자 배터리(190)의 취급에 필요하지 않을 수 있다.
핫 셀은 차폐된 핵 방사선 격납 챔버이며 입자 방사선 소스(101)와 별개이다. 핫 셀은 스테인리스강 316, 폴리염화비닐(PVC), Corian®, 콘크리트 등으로 형성될 수 있다. 전구체 재료(159)의 방사성 동위 원소에 존재하는 방사능의 양과 침투력은 핫 셀의 차폐가 얼마나 두꺼운 지를 규정한다. 집게와 같은 매니퓰레이터, 또는 원격 매니퓰레이터(예를 들어, 텔레 매니퓰레이터)는, 핫 셀이 사용되는 경우, 재충전 사이클 동안 핫 셀 내부의 충전 가능한 원자 배터리(190)의 원격 취급에 이용된다. 텔레 매니퓰레이터는 작업자가 높은 방사선 환경에서 원격으로 작업하게 한다. 텔레 매니퓰레이터 방사선 소스(101)에서 조사된 후 CAB 유닛(104A-G)의 서브세트 또는 전체를 로딩하기 위해 충전 가능한 원자 배터리(190)의 뚜껑을 개방하거나 폐쇄하도록 작동 가능하다. 텔레 매니퓰레이터는 또한 방사선 소스(101)에 의한 조사를 위해 CAB 유닛(104A-G)의 서브세트 또는 전체를 언로딩하도록 작동 가능하다.
텔레 매니퓰레이터는 초기 충전 사이클 또는 재충전 사이클 후에 충전 가능한 원자 배터리(190)의 뚜껑(예를 들어, 도어)을 제어하도록 작동 가능한 기계적, 전기적, 유압 제어 디바이스, 또는 그 조합(예를 들어, 전기 기계적 제어 디바이스)을 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 텔레 매니퓰레이터는 작업자가 개방/폐쇄 신호를 부여함으로써 뚜껑을 개방하고 폐쇄할 수 있게 하도록 작동 가능한 액추에이터(예를 들어, 전기 기계적 액추에이터)를 포함할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)가 조사를 위해 입자 방사선 소스(101) 내부에 배치되고 조사하고 초기 충전 사이클 또는 재충전 사이클이 실제로 완료된 후, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101)로부터 제거된 다음 핫 셀로 이동된다. 충전 가능한 원자 배터리(190)가 핫 셀 내부에 있으면, 작업자는, 예를 들어 전기 기계식 액추에이터 유형의 텔레 매니퓰레이터를 통해 폐쇄 신호를 전송함으로써 충전 가능한 원자 배터리(190)의 뚜껑을 폐쇄하도록 텔레 매니퓰레이터를 이용할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)가 고갈된 후, 재충전 사이클 전에, 작업자는 충전 가능한 원자 배터리(190)를 입자 방사선 소스(101) 내에 배치하기 전에 뚜껑을 개방하는 개방 신호를 충전 가능한 원자 배터리(190)에 부여하기 위해 재충전 사이클 전에 텔레 매니퓰레이터를 다시 이용할 수 있다.
전구체 재료(159)가 초기에 안정 상태로 제조되고 그에 따라 제조 직후에 방사성이 아니지만, 초기 충전 사이클 후에, 전구체 재료(159)의 일부 또는 전부가 방사성인 활성화된 재료(162)로 변환된다. 핫 셀 및 매니퓰레이터는 뚜껑이 원격으로 개방 또는 폐쇄될 수 있게 함으로써 충전 가능한 원자 배터리(190)의 초기 충전 사이클 및 재충전 사이클 후에 방사선 노출을 피하여 인간 작업자에게 안전을 제공할 수 있다. 핫 셀 및 매니퓰레이터는 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)이 작업자에 의해 원격으로 CAB 유닛(104A-F)을 드러내도록 개방될 수 있게 한다. 또한, 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은, 예를 들어 초기 충전 사이클 전에 핫 셀 없이 CAB 유닛(104A-G)을 드러내기 위해 수동 방식으로 작업자에 의해 기계적으로 개방 가능할 수 있다. 작업자는 초기 충전 사이클 전에 또는 재충전 사이클 사이의 간극 시간이 전구체 재료(159)의 방사선 붕괴를 안전 레벨로 가능하게 하기에 충분히 긴 경우 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 수동으로 개방할 수 있다.
전구체 재료 입자(151A-N)에 전구체 재료(159)를 통합한 충전 가능한 원자 배터리(190)는 전통적인 원자 배터리의 다음 결점을 개선할 수 있다. 방사성 화학과 관련하여, 전통적인 원자 배터리를 제조하는 것은 상당한 양의 방사성 화학 노력이 필요한 경우가 많다. 전통적인 재료는 방사선 인증을 받은 실험실에서 조사하고 분리해야 한다. 폐기물은 적절한 처리가 필요하다. 플루토늄과 같은 일부 물질은 특수 핵 물질로 분류되어 상당한 보안을 필요로 한다. 이러한 복잡성으로 인해 비용이 증가하고, 특히 제조하는 데 수년이 걸릴 수 있는 설비에 대한 자본 지출이 증가한다.
도 1b는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 단일 CAB 유닛(104A)의 예시이다. 일반적으로, 충전 가능한 원자 배터리(190)의 CAB 유닛(104A-G) 각각은 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)를 포함하는 전구체 콤팩트(158)로 형성된다. 예에서, 고온 캡슐화 매트릭스(150)는 캡슐화 재료(152)로 형성된다. 따라서, 단일 CAB 유닛(104A)은 캡슐화 재료(152)로 형성된 캡슐화 매트릭스(150) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)로 구성된 것으로 도시되어 있다. 캡슐화 재료(152)는 고온 탄화물일 수 있다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 하나 이상의 임의적인 전구체 캡슐화 코팅(154-157)(예를 들어, 층)에 의해 둘러싸인 전구체 커널(153)을 포함할 수 있다. 도 1b의 예에서, 전구체 재료 입자(151A-N)는 삼중구조-등방성(tristructural-isotropic)(TRISO) 전구체 재료 입자를 포함한다. 대안적으로 또는 추가로, 전구체 재료 입자(151A-N)는 이중구조-등방성(bistructural-isotropic)(BISO) 전구체 재료 입자를 포함할 수 있다. TRISO와 같은 코팅은 안전 관련 및 제조 실현 가능성에 따라 단순화되거나 제거될 수 있다. TRISO 전구체 재료 입자와 같은 전구체 재료 입자(151A-N)는 원자로 내부에 축적되는 핵분열 생성물을 견디도록 설계되었으며 방사성 동위 원소 배터리 상황에서 항상 유리한 것은 아니다. 예에서 전구체 재료 입자(151A-N)는 TRISO 전구체 재료 입자 또는 BISO 전구체 재료 입자와 같은 코팅된 전구체 재료 입자를 포함하지만, 전구체 재료 입자(151A-N)는 코팅되지 않은 전구체 재료 입자를 포함할 수 있다.
전구체 재료(159)는 캡슐화 재료(152)로 형성된 캡슐화 매트릭스(150) 내부에 임베딩된 하나 이상의 전구체 재료 입자(151A-N)의 일부로서 형성될 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다. 2021년 2월 7일자로 출원된 "Chargeable Atomic Battery with Pre-Activation Encapsulation Manufacturing"라는 명칭의 국제 출원 제PCT/US2021/XXXXXX호(그 전문은 본 명세서에 참조로 포함됨)에 설명된 바와 같이, 전구체 재료(159)는 캡슐화 재료(152)의 내부 체적(예를 들어, 공동) 내부의 충전재(112) 내에 있을 수 있다. 하나 이상의 캡슐화 벽을 포함하는 본체는 캡슐화 재료(152)로 형성될 수 있다. 캡슐화 벽은 하나 이상의 외부(예를 들어, 외측) 캡슐화 벽 및 하나 이상의 내부(예를 들어, 내측) 캡슐화 벽을 포함한다. 내부 캡슐화 벽은, 전구체 재료(159)(및 활성화된 상태로 변환된 경우 활성화된 재료(162) 및/또는 붕괴된 재료(163))로 형성된 충전재(112)와 인터페이싱한다. 내부 캡슐화 벽은 전구체 재료(159)(및 활성화된 상태로 변환된 경우 활성화된 재료(162) 및/또는 붕괴된 재료(163))로 채워지거나 라이닝된 캡슐화 재료(152)의 내부 체적을 둘러싼다. 임의적인 하나 이상의 외부 캡슐화 벽 및 내부 캡슐화 벽은 연속적이거나 불연속적인 표면일 수 있다. 캡슐화 벽의 본체는 원형 또는 타원형 형상(예를 들어, 회전 타원체, 실린더, 튜브 또는 파이프)일 수 있다. 캡슐화 벽의 본체는 정사각형 또는 직사각형 형상(예를 들어, 입방체) 또는 다른 다각형 형상일 수 있다. 캡슐화 재료(152)의 하나 이상의 내부 캡슐화 벽은 전구체 재료(159)(및 활성화된 상태로 변환된 경우 활성화된 재료(162) 및/또는 붕괴된 재료(163))의 충전재를 둘러싸는 하나의 연속적인 내부 캡슐화 벽일 수 있다. 대안적으로, 캡슐화 재료(152)로 형성된 하나 이상의 내부 캡슐화 벽은, 캡슐화 재료(152)의 내부 체적에서 충전재(112)의 형상에 따라 달라지는 복수의 불연속적인 내부 캡슐화 벽일 수 있다. 충전재(112)가 3차원 공간에서 회전 타원체이면, 전구체 재료(159)를 둘러싸는 내부 체적에 캡슐화 재료(152)의 하나의 연속적인 내부 캡슐화 벽이 있다. 충전재(112)가 3차원 공간에서 입방체 또는 다각형 형상인 경우, 전구체 재료(159)를 둘러싸는 내부 체적에 캡슐화 재료(152)의 복수의 연속적인 내부 캡슐화 벽이 존재한다.
따라서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료(159)로 형성된 적어도 하나의 CAB 유닛(104A)을 포함할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 적어도 하나의 CAB 유닛(104A)을 유지하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 더 포함한다. 전구체 재료(159)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환될 수 있다.
도 1b의 좌측에서, CAB 유닛(104A)은 캡슐화 매트릭스(150)의 내부를 보여주는 전구체 콤팩트(158)의 절취 섹션, 뿐만 아니라 캡슐화 매트릭스(150) 내에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)와 함께 도시되어 있다. 전구체 콤팩트(158)가 예에서 실린더 형상으로 도시되어 있지만, 전구체 콤팩트(158)는 다양한 상이한 기하학적 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전구체 콤팩트(158)는 타일, 예를 들어 다각형 형상(예를 들어, 입방체), 회전 타원체, 또는 평면 표면, 비구면 표면, 구면 표면(예를 들어, 실린더, 원추형, 2차 곡면 표면), 그 조합, 또는 그 일부(예를 들어, 그 절두 부분)을 포함할 수 있는 다른 형상일 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 전구체 콤팩트(158)는 평면, 비구면 또는 구면 표면과 같은 규칙적인 표면과 달리 강성 반경방향 치수를 갖지 않는 하나 이상의 자유형 표면을 포함할 수 있다. 도 1b의 우측에서, 개별 전구체 재료 입자(151A)는 전구체 재료 입자(151A) 내의 성분을 예시하기 위해 절취 부위가 더 큰 축척으로 도시되어 있다.
예로서, CAB 유닛(104A)은 전구체 콤팩트(158)의 외부 주연부를 형성하기 위해 불연속적인 복수의 연료 측방향 패싯을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, "불연속적인"은 집합체로 연료 측방향 패싯에 의해 형성된 외부 주연부가 연속적인 라운드형(예를 들어, 원형 또는 타원형) 둘레를 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 외부 주연부는 복수의 평면, 비구면, 구면 또는 자유형 표면을 포함한다. 본 명세서에 사용될 때, "자유형 표면"은 평면 표면; 또는 비구면 또는 구면 표면(예를 들어, 실린더, 원추형, 2차 곡면 표면)과 같은 규칙적인 표면과 달리 강성 반경방향 치수를 갖지 않는다.
캡슐화 재료(152)는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 그 조합을 포함한다. 실리콘 탄화물은 다른 재료에 비교하여 캡슐화 재료(152)를 형성하는 데 유리할 수 있는 데, 그 이유는 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴이 너무 큰 활성화 단면적을 가질 수 있기 때문이다. 전구체 재료 입자(151A-N) 각각은 예에서 전구체 커널(153)과 같은 충전재(112) 둘레에 하나 이상의 임의적인 전구체 캡슐화 코팅(154-157)을 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 전구체 재료 입자(151A-N)는 제1 전구체 캡슐화 코팅(예를 들어, 다공성 탄소 버퍼층)(154), 제2 전구체 캡슐화 코팅(예를 들어, 내부 열분해 탄소층)(155), 제3 전구체 캡슐화 코팅(예를 들어, 세라믹층)(156), 및 제4 전구체 캡슐화 코팅(예를 들어, 외부 열분해 탄소층)(157)에 의해 둘러싸인 전구체 커널(153)로서 도시된 충전재(112)를 포함한다.
핵연료 타일(104A-G)을 형성하는 전구체 재료 입자(151A-N)를 임베딩하기 위한 가능한 캡슐화 재료(152) 중에서, 실리콘 탄화물(SiC)은 양호한 조사 거동 및 양호한 제조 거동을 제공한다. SiC는 고온에서 공기에 노출될 때 조밀하고 접착력이 있는 이산화규소(SiO2) 표면 스케일이 빠르게 형성되기 때문에 우수한 내산화성을 갖고, 이는 추가의 산화를 방지한다.
따라서, 전구체 재료 입자(151A-N)는 하나 이상의 등방성 물질을 둘러싸는 하나 이상의 층으로 코팅된 전구체 커널(153)을 포함할 수 있다. 종래의 TRISO 전구체 재료 입자와 달리, 이들 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 방사성-불안정 동위 원소가 아닌 전구체 재료(159) 내의 방사성-안정 원소로 제조된다. 예를 들어, 노심 전구체 재료와 같이 우라늄을 갖는 대신, 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 안정 상태로 제조되고 전구체 재료(159)로서 안정한 동위 원소를 포함한다. 예를 들어, 전구체 재료(159)는 툴륨, 코발트, 에르븀, 루테튬, 또는 탈륨을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 전구체 재료(159)는 스칸듐, 은, 하프늄, 탄탈륨, 이리듐, 프로메튬, 유로퓸, 가돌리늄, 및 테르븀을 포함할 수 있다. 전구체 재료(159)는 변경되지 않은 요소를 포함할 수 있거나, 요소는 화학적 안정성을 위해 탄화물 또는 산화물로 합성되고 캡슐화 재료(152) 내에 고정될 수 있다. 추가로, 잠재적인 방사선을 안정 상태(이는 일반적으로 전구체 재료(159)가 안정한 동위 원소 비율을 가짐을 의미함)로 방출할 수 있는 외부 중성자를 흡수하는 것과 같은 반응 경로를 통해 외부 방사선과 상호 작용할 수 있는 임의의 동위 원소가 선택될 수 있다. 동위 원소는 전구체 재료(159)를 제조하는 동안 선택되는 탄화물, 산화물 또는 분자의 일부일 수 있는 원소의 일부일 수 있으며, 안정 상태이지만, 선택은 일반적으로 일부 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통한 활성화된 재료(162)로서 활성화된 상태로 변환될 수 있다. 활성화된 재료(162)는 방사성 핵종, 방사성 동위 원소 또는 방사능 동위 원소라고도 지칭되는 방사성 핵종이다. CAB 유닛(104A)을 형성하는 전구체 재료(159)는 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191) 내의 복수의 CAB 유닛(104A-G) 사이에 유지된다.
또한, 전체 충전 가능한 원자 배터리(190)의 임무 지속 기간에 기초하여 원소, 탄화물, 산화물 또는 분자가 선택될 수 있다. 일반적으로, 선택된 활성화된 재료(162)의 반감기는 대략 임무 지속 기간만큼 길 수 있다: 이는 전체 임무 동안 일관된 에너지 방출을 보장할 것이고, 일반적으로 활성화될 때 고려 중인 전구체 재료(159)는 100일 내지 1,200년 범위의 반감기를 갖고 고객의 성능 요구에 부응할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 반감기는 활성화된 상태의 불안정한 원자의 절반이 방사성 붕괴를 겪은 지속 기간을 의미한다.
임무 지속 기간은 충전 가능한 원자 배터리(190)가 완료하도록 특별히 만들어진 과제를 완료하는 데 필요한 시간의 길이이다. 예를 들어, 큐리오시티 화성 탐사선의 임무 지속 기간은 화성 표면에 도달한 후 23개월이었다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 활성화되면 고갈될 때까지 지속적으로 방사선을 방출하기 때문에, 임무 지속 기간은 전구체 재료(159)의 활성화가 완료된 날짜로부터 계산될 수 있다. 계속해서 큐리오시티 화성 탐사선의 예에서, 화성 탐사선에 충전 가능한 원자 배터리(190)가 장착되어 있다면, 충전 가능한 원자 배터리(190)의 임무는 화성 탐사선의 임무가 완료될 때까지 화성 탐사선에 전력을 제공하는 것이다. 필요한 임무 지속 기간은 최소 31개월이어야 한다: 화성에서 화성 탐사선의 임무를 완료하는 데 23개월, 그리고 활성화된 충전 가능한 원자 배터리(190)가 장착된 화성 탐사선이 지구에서 화성까지 여행하는 추가 8개월이 소요된다. 또한, 충전 가능한 원자 배터리(190)가 지구에서 화성 탐사선과 함께 발사되기 전에 활성화 후 6개월을 기다려야 할 예정이었다면, 임무 지속 기간은 최소 37개월이 되었을 것이다.
중성자 흡수를 개선하기 위해, 선택된 전구체 재료(159)는 반응을 자극하기에 충분히 크지만 자기 차폐를 방지하기에 충분히 작은 중성자 흡수 단면적을 가질 수 있다. 단면적이 15 반(barn) 내지 120 반이면 성능이 양호하고 25 반 내지 60 반의 단면적이 이상적일 수 있다. 코발트와 같이 열 단면적 흡수가 더 낮은 재료가 매우 효과적일 수 있는데, 열 중성자 흡수 단면적은 37 반이다. 그러나, 이 규칙에는 많은 예외가 있다. 예를 들어, 유로퓸과 리튬은 훨씬 더 큰 단면적(1,000 + 반)을 가지며 잘 수행할 수 있다. 활성화된 재료(162)의 열 중성자 단면적이 너무 크면, 전구체 재료(159)는 통상적으로 반감기가 일치하지 않는 다른 방사성 핵종으로 변환될 수 있다. 이 변환은 이중 활성화로서 알려져 있으며, 원하는 방사성 동위 원소의 양을 감소시키고 통상적으로 원하는 것보다 훨씬 짧거나 훨씬 긴 반감기를 갖는 새로운 동위 원소를 도입하므로 일반적으로 바람직하지 않다. 그러나, 예를 들어 유로퓸과 리튬은 훨씬 더 큰 단면적을 가지며 일부 예에서는 잘 수행될 수 있다.
선택된 전구체 재료(159)는 제조 동안 소결될 수 있고, 따라서 양호한 전구체 재료(159)는 소결 동안 용융을 겪지 않고 적어도 1,500 켈빈의 온도를 견딘다: 이는 전구체 재료(159)가 안정 상태로 유지되는 것을 보장한다. 작동 온도 측면에서, 충전 가능한 원자 배터리(190) 예는 광범위한 온도 - 결빙 온도 훨씬 아래로부터 최대 1000 켈빈(726℃ 또는 1340℉) 초과 - 에 걸쳐 이용될 수 있다.
선택된 전구체 재료(159)는 바람직하게는 상대적으로 풍부하다는 이점이 있는: 일부 천연 원소는 각각 고유한 단면적 및 활성화 동위 원소를 갖는 여러 동위 원소를 갖는다. 전구체 재료(159)는 화학적 독성 측면에서 상대적으로 작업하기 쉬워야 한다. 더욱이, 전구체 재료(159)의 총 질량은 전구체 콤팩트(158)의 총 질량에 비교하여 상대적으로 작을 수 있다. 하나의 예에서, 동위 원소에 따라, 전구체 재료(159)의 질량은 CAB 유닛(104A) 내의 전구체 콤팩트(158)의 질량의 1 퍼센트(1%) 이하일 수 있다. 일부 전구체 재료(159)는 성능을 개선시키기 위해 농축될 수 있다. 여기에 제시된 모든 전구체 콤팩트(158)는 천연 비-동위 원소 농축 천연 전구체 재료(159)를 사용한다. 그러나, 동위 원소 농축 전구체 재료를 사용하여 원하는 활성화 동위 원소의 더 높은 농도를 획득할 수 있다. 이후의 도면은 전구체 재료(159)가 어떻게 방사성 안정 상태로부터 활성화된 재료(162)인 중성자-방출 방사성 상태로 변환되는 지를 입증할 것이다.
전구체 재료 입자(151A-N)가 TRISO 전구체 재료 입자로서 구현될 때, TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)는 3개의 등방성 물질의 4개의 전구체 캡슐화 코팅(예를 들어, 층)을 포함한다. 예를 들어, 4개의 전구체 캡슐화 코팅은, (1) 탄소로 제조된 다공성 버퍼층(154); 이어서 (2) 조밀한 내부 열분해 탄소(PyC)층(155); 이어서 (3) 고온에서 핵분열 생성물을 유지하고 TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)에 강한 구조적 무결성을 제공하기 위한 이원 탄화물층(예를 들어, SiC의 세라믹층(156) 또는 내화성 금속 탄화물층); 이어서 (4) 조밀한 외부 PyC층(157)을 포함한다. TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)의 내화 금속 탄화물층은 티타늄 탄화물(TiC), 지르코늄 탄화물(ZrC), 니오븀 탄화물(NbC), 탄탈륨 탄화물, 하프늄 탄화물, ZrC-ZrB2 복합물, ZrC-ZrB2-SiC 복합물, 또는 그 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 캡슐화 재료(152)는 TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)의 이원 탄화물층과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)는 1,600℃ 초과의 온도에서 응력 또는 핵분열 가스 압력으로 인해 균열이 발생하지 않도록 설계되고, 따라서 최악의 사고 시나리오에서 전구체 재료(159)로 형성된 전구체 커널(153)을 함유할 수 있다. TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)는 원자로 노심으로서 입자 방사선 소스(101)를 포함하고 LWR의 온도보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동하는 고온 가스 냉각형 원자로(high-temperature gas-cooled reactor)(HTGR)에서 사용하도록 설계된다. TRISO 전구체 재료 입자(151A-N)는 1500℃ 미만에서 매우 낮은 파손을 갖는다. 더욱이, 캡슐화 재료(152)의 존재는 방사성 생성물 방출에 대한 추가적인 강력한 장벽을 제공한다.
캡슐화 재료(152), 및 전구체 재료 입자(151A)의 임의의 전구체 캡슐화 코팅(154-157)은 모두 상이한 화학적 화합물로 구성될 수 있다. 그러나, 이들 화학적 화합물은 다음 기준 중 하나 이상을 충족해야 한다: 고온 능력; 제조, 충전 또는 작동 중 화학적 비반응성; 기계적 강도; 균열 전파 내성; 결정립계 내성에 대한 결정립을 통한 확산 또는 기타 방사성 핵종 전달 수단; 조사 또는 충전 내성 동안 재료 특성의 현저한 저하; 유리한 열역학적 특성(예를 들어, 열 전도성); 또는 낮은 핵 활성화 단면적. 이러한 기준은 완전하지 않으며, 충전 가능한 원자 배터리(190)의 용례에 따라 다른 기준이 있을 수 있다.
입자 방사선 소스(101)는 도 2c 및 2020년 1월 23일자로 공개되었고 "Composite Moderator for Nuclear Reactor Systems"라는 명칭의 워싱턴주 시애틀 소재의 Ultra Safe Nuclear Corporation의 미국 특허 공개 제2020/0027587호의 관련 텍스트에 설명된 원자로 노심과 같이 구현될 수 있으며, 상기 특허의 전문은 본 명세서에 참조로 포함된다.
대안적으로, 입자 방사선 소스(101)는 핵분열 원자로일 수 있다: 현재 이용가능한 핵분열 원자로는 열(약 0.253 eV의 에너지)에서 중성자의 높은 플럭스를 제공할 수 있고 최대 1 MeV의 더 높은 에너지에서 더 적은 정도로 제공할 수 있다. HFIR 및 ATR은 Pu-238과 같은 동위 원소를 생성하였다. 저에너지 중성자에 의해 유도될 수 있는 핵 반응의 경우, 핵분열 원자로가 탁월한 선택이다. 핵융합 원자로도 고려된다: 에너지 이득의 측면에서도 제동이 아니지만, 그럼에도 불구하고 현재 사용 가능한 D-T 핵융합 원자로는 적당한 플럭스에서 14.1 MeV 중성자를 제공할 수 있다. 일부 경우에, 핵융합과 핵분열이 하이브리드 원자로로 조합되어 더 높은 중성자 플럭스를 제공할 수 있다. 또한, 가속기는 하전 입자를 엄청나게 높은 에너지로 가속할 수 있는 잘 알려진 기술이다. 가속기는 광범위한 에너지를 제공할 수 있으며, 원하는 반응의 올바른 활성화 에너지에 맞춤화된 빔 에너지를 제공할 수 있다. 가속된 양성자, 중수소 및 알파 입자는 많은 방사성 핵종을 생성하는 데 직접 사용될 수 있다. 가속된 전자는 제동 복사를 통해 예측 가능하고 제어 가능한 레벨의 x-선 및 감마 광자를 생성할 수 있다. 이러한 광자 반응은 핵 반응을 유도하고 핵 배터리 재료를 생산하는 데 사용될 수 있다. 가속기는 매우 유연하지만, 일반적으로 낮은 플럭스로 어려움을 겪는다. 그러나, 최근 중간 방사성 동위 원소 산업의 수요에 따른 가속기 기술의 발전은 상당한 양의 방사성 동위 원소에 대한 잠재적인 생산 방법을 초래하였다.
도 1c는 아원자 입자(160A-N)에 노출되는 개별 전구체 재료 입자(151A)를 도시한다. 아원자 입자(160A-N)는 캡슐화 재료(152), 및 전구체 재료 입자(151A)의 임의의 외부 전구체 캡슐화 코팅(154-157)을 통해 전구체 콤팩트(158)로 나아가 전구체 재료(159)에 충돌한다. 아원자 입자(160A-N)를 흡수하도록 선택된 전구체 재료(159)는 아원자 입자(160A-N)의 일부 또는 전부를 흡수하고 전구체 재료(159)의 일부가 활성화되어 방사성이 된다. 입자 방사선 소스(101)에 의해 방출된 모든 자유 중성자가 전구체 재료(159)를 조사하는 것은 아니다: 일부는 전구체 콤팩트(158) 내의 다른 재료에 의해 차단, 편향 또는 흡수될 수 있다. CAB 유닛(104A-G)은 입자 방사선 소스(101)의 방사선 범위 내에 완전히 배치되도록 설계된다: 전구체 재료 입자(151A) 및 전구체 재료(159)는 이 방사선 노출 프로세스 동안, 캡슐화 재료(152), 전구체 콤팩트(158), 또는 CAB 유닛(104A-G)으로부터 분리되지 않는다. 전구체 재료(159)로의 아원자 입자(160A-N)의 이러한 충격이 충전 사이클이다: 충전 사이클은 가변적인 양의 시간, 예를 들어 1개월 동안 지속될 수 있다. CAB 유닛(104A-G)은 다중 사이클 동안 또는 더 높은 성능 레벨을 위해 더 높은 방사 플럭스로 충전될 수 있다. 이 예에서, 충전 사이클은 통상적인 메가와트 규모의 원자로에서 1개월 동안의 조사로서 정의된다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 다중 사이클 동안 또는 더 높은 성능 레벨을 위해 더 높은 방사 플럭스로 충전될 수 있다.
전구체 재료(159)가 CAB 유닛(104A)에 처음으로 충전될 때가 초기 충전 사이클이다: 입자 방사선 소스(101)는 전구체 재료(159)의 초기 부분을 활성화된 방사선-방출 상태로 변환한다. 초기 충전 사이클 이전에, 전구체 재료(159)는 방사성 물질이 아니므로, 공급망 및 유통망 모두에서 충전 가능한 원자 배터리(190)의 취급을 단순화 한다. 전구체 재료(159)는 초기 충전 사이클 이전에 방사성이 아니기 때문에, 충전 가능한 원자 배터리(190)의 취급, 보관 등에 관한 적용 가능한 정부 규제가 감소된다. 변환된 부분은 관찰자가 쉽게 확인할 수 없다: 아원자 입자(160A-N)는 원소, 이상적으로는 전구체 재료(159) 내의 원소와 충돌할 때까지 전구체 콤팩트(158)를 통과한다. 따라서, CAB 유닛(104A)은 위에서 아래로, 전방에서 후방으로, 또는 내부에서 외부로 충전되지 않는다. 전체 CAB 유닛(104A)은 활성화되고 활성화된 재료(162)로 변환되는 전구체 재료 입자(151A-N) 및 수반되는 전구체 재료(159)의 백분율, 및 안정된 전구체 재료 입자(151A-N) 및 수반되는 전구체 재료(159)의 백분율을 갖는다. 통상적으로, 활성화된 부분과 안정된 부분은 의미 있게 식별, 격리 또는 분리될 수 없다. 더욱이, 전구체 커널(153)의 활성화된 재료(162)는 궁극적으로 방사성 붕괴되어 붕괴된 재료(163)로 된다.
CAB 유닛(104A)의 연속적인 충전은 재충전 사이클이다. 재충전 사이클에서, 입자 방사선 소스(101)는 전구체 재료(159)의 재충전 부분을 활성화된 방사선-방출 상태로 변환시킨다. 이 재충전 부분은 초기 부분과 별개이다. 재충전 사이클은 활성화된 적이 없는 전구체 재료(159)의 부분만을 조사할 수 있다: CAB 유닛(104A)의 모든 전구체 재료 입자(151A-N) 내의 모든 전구체 재료(159)는 완전히 충전된 다음 고갈되어야 한다. 그러면, CAB 유닛(104A)은 완전히 고갈되고 다시 재충전될 수 없다.
입자 방사선 소스(101)의 상이한 구현은 중성자 반응, 양성자/이온 반응, 광자 반응, 핵분열과 같은 충전 가능한 원자 배터리(190)를 조사하기 위한 다양한 반응 경로를 사용할 수 있다. 중성자 활성화는 중성자를 흡수하여 방사성(n,γ)이 되는 핵종의 반응 경로 프로세스이다. (n,2n) 또는 (n,p)와 같은 다른 반응이 있다. 도 2a의 전구체 원자(201)는 핵종의 예이고, 도 2c의 활성화된 재료(162)는 방사성이 되는 핵종(방사성 핵종)의 예이다. 저에너지 중성자(0-1 MeV)는 고플럭스 핵분열 원자로에서 생성될 수 있으며 더 높은 에너지 중성자는 핵융합(< 14.1 MeV)에 의해 또는 가속기를 사용하여 생성될 수 있고, 이는 더 낮은 플럭스 레벨에서도 매우 높은 에너지 맞춤형 중성자 스펙트럼을 생성할 수 있다. 또한, 고에너지 양성자, 중수소 및 알파 입자 반응은 전구체 원자(201)의 핵과 상호 작용하여 흡수, 핵파쇄 또는 기타 수단을 통해 방사성 동위 원소를 생성할 수 있다. 또한, 광핵 반응은 전구체 재료(159) 내에서 새로운 방사성 동위 원소를 생성할 수 있는 또 다른 가능한 원자 반응 세트를 제공한다. 전자 가속기의 최근 발전은 제동 복사 방사선을 통해 고플럭스 고에너지 감마 환경을 생성할 수 있다. 이 방법을 사용하여 의료 동위 원소를 생산하는 여러 방법이 밝혀졌다. 또한, 핵분열 반응은 2개의 방사성 동위 원소를 생성한다. 생성된 정확한 방사성 동위 원소는 핵분열되는 핵종과 입사 중성자 에너지에 따라 달라진다. 핵분열이 가능하고 상이한 방사성 동위 원소 세트를 생성하는 많은 무거운 핵이 있어, 방사성 동위 원소 생산을 위한 많은 잠재적인 옵션을 제공한다.
도 1d는 이제 아원자 입자(160A-N)에 노출되고 조사되어 활성화된 전구체 재료 입자(151A)가 된, 도 1c의 개별 전구체 재료 입자(151A)를 도시한다. 조사되면, 전구체 재료 입자(151A) 내의 활성화된 재료(162)는 방사선 입자(161A-N)를 방출한다. 이 예에서, 전구체 재료 입자(151A)는 베타 입자를 방출하지만, 전구체 재료(159)에 대해 어떤 원소 또는 분자가 선택되는 지에 따라 알파 입자, 감마 입자 및 x-선이 모두 방출될 수 있다. 일부 방사선 입자(161A-N)(알파, 베타, 감마, x-선)는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 배치에 따라 바람직할 수 있다. 상이한 활성화된 재료(162)를 선택하는 것은 주어진 전구체 재료(159)가 활성화될 때 변환되는 넓은 범위의 알파, 베타 및 감마 방사성 동위 원소로부터 전력 형식 및 반감기 지속 기간의 맞춤화를 허용한다.
방사선 입자(161A-N)는 열전 소자(305), 스털링 전력 변환기, 냉각수 가열, 또는 핵 펄스 추진을 통해 일부 에너지 변환 수단에 의해 CAB 유닛(104A)으로부터 멀리 이동한다. 이러한 방사선 입자(161A-N)는 위성, 달 전자 기기, 수중 비히클, 또는 원격 가열 디바이스와 같은 에너지를 필요로 하는 외부 시스템에 열, 전기 또는 충격력을 부여한다. 이들 에너지 변환 수단 및 임의의 결합된 전자 구성요소의 방사선에 대한 공차에 따라, 도 5에서와 같이 요구되는 임의의 방사선 차폐물(505)의 질량이 더 클 수 있다. 전자 기기의 공차에 대한 보수적인 추정치는 실리콘에서 25 킬로라디안(krad)이다. 일부 전자 기기는 밀리라디안(Mrad) 범위의 선량 레벨을 견딜 수 있다. 전자 기기를 CAB 유닛(104A)으로부터 더 멀리 이동시키는 것과 같은 기술은 필요한 방사선 차폐물(505) 질량을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
따라서, 도 1a는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 포함하는 충전 가능한 원자 배터리(190)를 도시한다. CAB 유닛 각각은 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)를 포함하는 전구체 콤팩트(158)로 형성된다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환 가능한 전구체 재료(159)로 형성된 전구체 커널(153)을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 유지하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 더 포함한다.
전구체 재료(159)가 변환될 때, 전구체 재료(159)는 부분적으로 고갈된 상태에 있고, 그에 따라 전구체 재료(159)의 초기 부분이 고갈되며 전구체 재료(159)의 재충전 부분이 충전 가능한 원자 배터리(190)를 재충전하기 위해 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태로 변환될 수 있다. 초기 충전 사이클 동안, 입자 방사선 소스(101)는 전구체 재료(159)의 초기 부분을 활성화된 상태로 변환시킨다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 재충전 사이클 동안, 입자 방사선 소스(101)는 초기 부분과 상이한 전구체 재료(159)의 재충전 부분을 활성화된 상태로 변환시킨다. 초기 충전 사이클 후, 활성화된 재료(162)는 대략 충전 가능한 원자 배터리(190)의 임무 지속 기간만큼 긴 반감기를 갖는다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 안정 상태는 안정 동위 원소 비율이고, 활성화된 상태는 방사성 핵종이다.
충전 가능한 원자 배터리(190) 내에서, 안정 상태 또는 부분적으로 고갈된 상태에서, 전구체 재료(159)는 15 내지 120 반 사이의 열 중성자 흡수 단면적을 포함할 수 있고, 전구체 재료(159)는 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 그 조합을 더 포함한다. 다른 예에서, 전구체 재료(159)는 적어도 10 반의 열 중성자 흡수 단면적을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 전구체 재료(159)는 적어도 50 반의 열 중성자 흡수 단면적을 포함할 수 있다. 추가로, 전구체 재료(159)는 소결 동안 용융을 겪지 않고 적어도 1,500 켈빈의 온도를 견딘다.
입자 방사선 소스(101)는 아원자 입자(160A-N)를 방출하고, 아원자 입자(160A-N)는 중성자, 양성자, 중수소, 알파 입자, 고플럭스 고에너지 감마 입자, 핵분열성 원자, 또는 그 조합을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 시스템(192)은 충전 가능한 원자 배터리(190) 및 입자 방사선 소스(101)를 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101)에 근접하게 배치되고, 입자 방사선 소스(101)는 복수의 CAB 유닛(104A-G)이 입자 방사선 소스(101) 내의 아원자 입자(160A-N)에 노출되는 동안 전구체 재료(159)를 활성화된 재료(162)로 변환시킨다. 입자 방사선 소스(101)는 도 5에서와 같은 원자로(107)를 포함한다. 따라서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 원자로(107) 내에 배치되고, 원자로(107)는 복수의 CAB 유닛(104A-G)이 원자로(107) 내에 배치되는 동안 전구체 재료(159)의 일부를 활성화된 상태로 변환시킨다. 활성화된 상태는 방사성 동위 원소이다. 입자 방사선 소스(101)는 반응 경로에 기초하여 전구체 재료(159)를 활성화된 재료(162)로 변환시키고, 반응 경로는 핵파쇄에 의해 유도된 중성자 활성화이다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191), 방사선 차폐물(505) 등은 초기 충전 사이클 또는 재충전 사이클 동안 CAB 유닛(104A-G) 단독으로 원자로(107)에 배치될 수 있게 하는 제거 가능한 구성요소일 수 있다.
전구체 재료(159)는 방사성-안정 핵종일 수 있고, 일부 예에서, 안정 상태에서 전구체 재료(159)는 툴륨-169(169Tm)를 포함한다. 활성화된 상태에서, 전구체 재료(159)는 활성화된 재료(162)로 변환된다. 활성화된 재료(162)는 툴륨-170(170Tm)을 포함한다. 활성화된 상태에서, 전구체 재료(159)는 알파 방출 동위 원소, 베타 방출 동위 원소, 감마 방출 동위 원소, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 알파, 베타, 또는 감마 방출 동위 원소는 방사선 입자(161A-N)를 방출한다. 하나의 예에서, 전구체 재료(159), 활성화된 재료(162), 및 붕괴된 재료(163)의 충전재(112)의 전구체 재료 질량은 전구체 콤팩트(158)의 전체 질량의 1 퍼센트(1%) 이하일 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리(190)의 캡슐화 재료(152)는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
도 2a는 전구체 재료(159)의 단일 전구체 원자(201)에 대한 세부 사항을 갖는 전구체 재료 입자(151A)의 도시이다. 전구체 재료(159) 내에 다수의 유사한 전구체 원자(201)가 모두 유사하게 거동하지만, 단일 전구체 원자(201)의 거동이 예시 목적으로 도시되어 있다. 이 예에서, 전구체 재료(159)는 툴륨이고, 따라서 전구체 재료(159)의 전구체 원자(201)는 툴륨의 원자이다. 툴륨-169는 툴륨의 안정 동위 원소이므로, 툴륨-169로 이루어진 전구체 재료(159)는 안정 상태에 있고, 방사성이 아니며, 방사선 입자(161A-N), 에너지 또는 힘을 방출하지 않고, 안전하게 취급 및 보관될 수 있다. 툴륨은 예시적인 원소이며 다양한 원소 및 분자가 충전 가능한 원자 배터리(190)에 사용될 수 있고 도 2에서 강조된 특징과 관련하여 유사한 방식으로 거동할 것이다.
도 2b는 툴륨-169의 특정 전구체 원자(201)에 충격을 가하는 도 1c의 아원자 입자(160A-N)의 아원자 입자(160A) 중 하나를 도시한다. 아원자 입자(160A)는 입자 방사선 소스(101)로부터 방출된 중성자이며, 전구체 원자(201)에 충돌할 때, 아원자 입자(160A)는 전구체 원자(201)의 핵에 결합하여 전구체 원자(201)를 툴륨-169에서 툴륨-170으로 변환시킨다. 툴륨-170은 방사성 동위 원소 또는 방사성 핵종이며, 툴륨-169보다 중성자가 하나 더 많다. 일부 지점에서 현재 활성화된 재료(방사성 핵종)(162)로 변환된 전구체 원자(201)는 툴륨-170의 활성화된 재료(162)의 반감기에 기초하여 투영된 방사선을 방출할 것이다. 충전 가능한 원자 배터리(190)가 전구체 재료 입자(151A) 내에 실질적인 양의 툴륨-170을 가질 때, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 결합된 시스템, 예를 들어 도 3에서와 같은 열전 소자(305)에 외부 전력을 제공하기에 충분한 에너지를 생성할 것이다. 열전 소자(305)는 서모파일(thermopile)을 포함할 수 있으며, 서모파일은 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고 일반적으로 직렬로 또는 덜 일반적으로 병렬로 연결된 어레이로서 여러 열전대를 포함하는 전자 디바이스이다. 열전 소자(305)는 고농도로 도핑된 반도체, 즉 자유 전자가 너무 많아서 열전 효과를 통해 온도 구배의 적용으로 또는 그 반대로 전기를 생성할 수 있는 많은 특성을 갖는 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소자(305)는 열을 직접 전기로 변환하는 솔리드 스테이트 디바이스인 열전 발전기를 포함할 수 있다.
열적 특성과 전기적 특성 사이의 이러한 결합을 활용함으로써, 열전 소자(305)는 열 유동으로부터 전기를 생성한다. 열전 디바이스는 양쪽의 온도가 상이할 때 전압을 생성한다. 원자 규모에서, 적용된 온도 구배는 재료의 전하 캐리어가 고온쪽에서 저온쪽으로 확산되게 하여 전기를 생성하도록 한다.
도 2c는 전구체 원자(201)가 변환된 활성화된 재료(방사성 핵종)(162)로서의 전구체 원자(201)를 도시한다. 전구체 원자(201)는 툴륨-169이고, 아원자 입자(160A)를 흡수하면, 전구체 원자(201)는 툴륨-170 동위 원소인 활성화된 재료(162)로 변환된다. 이 상태에서, 활성화된 재료(162)는 결국 핵 외부로 방사선, 따라서 에너지를 방출할 것이다.
도 2d는 활성화된 재료(162)가 방사선 입자(161A)를 방출한 후의 활성화된 재료(방사성 핵종)(162)을 도시한다: 이 예에서, 툴륨-170은 주로 베타 방사선을 방출하므로, 활성화된 재료(162)는 1차 방사선 입자(161A)로서 빠르게 움직이는 전자를 방출한다. 활성화된 재료(162)가 방사선 입자(161A)를 방출할 때, 활성화된 재료(162)는 붕괴된 재료(163)의 고갈된 원자(203)로 변경된다. 이 예에서 고갈된 원자는 툴륨-170과 동일한 수의 중성자 및 툴륨-169와 동일한 수의 전자를 갖는 이테르븀-170(170Yb)의 붕괴된 재료(163)이다. 이테르븀-170(170Yb)은 이테르븀의 안정 동위 원소이며 더 이상 방사선을 방출하지 않을 것이다. 추가로, 이테르븀-170의 붕괴된 재료(163)는 입자 방사선 소스(101)에서 재충전될 수 없으며, 따라서 전구체 재료 입자(151A-N)의 충전재(112)가 붕괴된 재료(163)로 실질적으로 채워지면, CAB 유닛(104A)은 더 이상 재충전될 수 없다.
도 3a는 CAB 유닛(104A) 레벨에서의 초기 충전 프로세스를 도시한다. 도 3a는 초기 제조 후의 CAB 유닛(104A)을 도시한다. 라벨은 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료 입자(151A-N) 내의 충전재(112)가 이때 전구체 재료(159)(툴륨-169)의 100%임을 예시한다. 이는 CAB 유닛(104A)이 방사성이 아니지만 입자 방사선 소스(101)에 의해 방사성으로 될 수 있음을 의미한다.
도 3b는 아원자 입자(160A-N)에 의해 충격을 받는 입자 방사선 소스(101) 근방의 CAB 유닛(104A)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 초기 충전 사이클 동안, 충전재(112) 구성은 100% 전구체 재료(159)(툴륨-169)로부터 80% 전구체 재료(159)(툴륨-169) 및 20% 활성화된 재료(162)(툴륨-170)로 변경되었다.
도 3c는 CAB 유닛(104A)이, 예를 들어 특히 열전 소자(305)로, 더 특히 서모파일로 방사선 입자(161A-N)를 방출하는 것을 예시한다. 따라서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 방사선 입자(161A-N)와 같은 활성화된 재료(162)의 방사성 방출을 전력으로 변환하기 위해 CAB 유닛(104A)에 결합된 열전 소자(305)를 더 포함하고; 열전 소자(305)는 전력의 출력을 조절한다. 그런 방식으로, 열전 소자(305)에 결합된 임의의 전기 시스템은 충전 가능한 원자 배터리(190)의 임무 지속 기간 동안 균일한 전기 출력을 수신한다. 도 3c에서, 충전재(112) 구성은 80% 전구체 재료(159)(툴륨-169), 10% 활성화된 재료(162)(툴륨-170) 및 10% 붕괴된 재료(163)(Yb-170)로 변경되었다.
도 3d는 임무 지속 기간이 경과된 후 CAB 유닛(104A)을 설명한다. Tm-170의 활성화된 재료(162)는 이제 Yb-170의 약 20% 붕괴된 재료(163)로 상당히 고갈되고, 전체 CAB 유닛(104A)은 감소된 충전 상태에 있다. 반감기에 기초한 잔류 방사능이 존재한다. 10-20 반감기 후에, 활성화된 재료(162)는 무시할 수 있을 것이고 배터리는 고갈될 것이며, 이는 임무 지속 기간보다 훨씬 더 길 것이다. 그러나, 초기에 안정 상태는 100% 전구체 재료(159)(툴륨-169)인 반면, 이제 10-20 반감기 후 충전재(112)는 약 80% 전구체 재료(159)(툴륨-169) 및 약 20% 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)이다. 이 상태에서, CAB 유닛(104A)의 영구 용량의 20%가 사용되었고 전구체 재료(159)는 부분적으로 20% 고갈되었다. 그러나, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 여전히 재충전 동안 활성화될 수 있는 나머지 전구체 재료(159)(툴륨-169) 80%를 포함한다.
도 4는 CAB 유닛(104A) 레벨에서의 재충전 프로세스를 도시한다. 도 4a는 도 3d의 효과 이후의 CAB 유닛(104A)을 도시한다: 라벨은 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료 입자(151A-N) 내의 충전재(112)가 위치 설정되는 곳을 예시하고; 이번에는 80%의 전구체 재료 159(툴륨-169)와 20%의 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)을 소유한다. 이는 CAB 유닛(104A)이 방사성이 아니지만(10-20 반감기 이후), 입자 방사선 소스(101)에 의해 방사성으로 될 수 있음을 의미한다. CAB 유닛(104A)은 또한 완전히 고갈되기 전에(10-20 반감기 미만) 입자 방사선 소스(101)에 배치될 수 있으며 비트는 소량의 잔류 방사능을 함유할 것이다.
도 4b는 아원자 입자(160A-N)에 의해 충격을 받는 입자 방사선 소스(101) 근방의 CAB 유닛(104A)을 도시한다. 재충전 사이클 동안, 충전재(112) 구성은 80% 전구체 재료(159)(툴륨-169) 및 붕괴된 재료(163)(20% 이테르븀-170)로부터 5% 전구체 재료(159)(툴륨-169), 75% 활성화된 재료(162)(툴륨-170) 및 20% 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)로 변경되었다.
도 4c는 CAB 유닛(104A)이, 예를 들어 특히 열전 소자(305)로, 더 특히 서모파일로 방사선 입자(161A-N)를 방출하는 것을 예시한다. CAB 유닛(104A)이 방사선 입자(161A)를 방출함에 따라, 활성화된 재료(162)(툴륨-170)의 양이 감소하고 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)의 양이 동일한 비율로 증가한다: 도 3c의 시기에, CAB 유닛(104A) 내에 45% 활성화된 재료(162)(툴륨-170) 및 50% 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)가 존재한다. 일부 예에서, 이는 충전 가능한 원자 배터리(190)가 충전 가능한 원자 배터리(190)의 전체 수명의 대략 절반임을 나타낼 수 있다. 그러나, 전구체 재료(159)가 고갈됨에 따라, 존재하는 만큼의 원자가 없기 때문에 전구체 재료(159)도 마찬가지로 충전되지 않는다. 제한 요인은 조사에 따라 저하되는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 기계적 무결성일 수 있다.
도 4d는 임무 지속 기간이 경과된 후의 CAB 유닛(104A)을 설명한다: 활성화된 재료(162)는 이제 고갈되었고, 전체 CAB 유닛(104A)은 안정 상태에 있다. 그러나, 충전재(112)는 5% 전구체 재료(159)(툴륨-169), 1% 활성화된 재료(162)(툴륨-170), 및 94% 붕괴된 재료(163)(이테르븀-170)이다. 충전 가능한 원자 배터리(190)가 여전히 약간 방사성이고 조사될 수 있는 소량의 전구체 재료(159)를 갖고 있지만, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 그럼에도 불구하고 폐기될 수 있다. 전체 충전 가능한 원자 배터리(190)는 폐기하기 전에 완전히 고갈될 필요가 없으며, 실제 사용 시나리오에서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 완전히 소진될 것 같지 않다.
도 5a는 CAB 유닛(104A-G)을 분리할 수 있는 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 갖는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 충전 프로세스를 도시한다. 도 5a는 열전 소자(305)에 결합된 다중 CAB 유닛(104A-G)을 갖는 충전 가능한 원자 배터리(190)를 도시한다. CAB 유닛(104A)이 고갈되어 재충전이 필요하다.
도 5b는 단일 CAB 유닛(104A)이 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)으로부터 제거되고 충전 가능한 원자 배터리 시스템(192)의 입자 방사선 소스(101) 근방의 원자로(107) 내에 배치되는 것을 도시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 단일 CAB 유닛(104A)은 입자 방사선 소스(101)로서 작용하는 원자로 노심에 의해 방출된 중성자인 아원자 입자(160A-N)에 의해 충격을 받는다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 CAB 유닛(104A)이 충전되는 동안 CAB 유닛(104A)을 유지하는 데 적합하지 않을 수 있다. 이는 입자 방사선 소스(101)로부터의 방사선에 대한 감도를 갖는 열전 소자(305) 때문이거나 방사선 차폐물(505)을 갖는 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191) 때문일 수 있다. 방사선 차폐물(505)은 CAB 유닛(104A-G)이 근방의 물체를 방사선에 노출시키는 것을 방지할 수 있지만, 동일한 방사선 차폐물(505)은 입자 방사선 소스(101)로부터의 아원자 입자가 CAB 유닛(104A)에 효율적으로 도달하는 것을 억제할 가능성이 높다. 방사선 차폐물(505)은 x-선 방사선 차단에 최적인 고밀도 재료를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 재료는 텅스텐과 천연 또는 감손 우라늄을 포함할 수 있다. 낮은 질량이 우선시되지 않는 용례의 경우, 다른 재료를 사용할 수 있다. 이러한 차폐물은 CAB 유닛(104A-G)이 내부, 예를 들어 중앙에 배치되도록 공동을 갖는 대략 구형일 수 있다.
도 5c는 CAB 유닛(104A)이 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191), 및 그에 의해 충전 가능한 원자 배터리(190)로 복귀한 것을 예시한다. 이제, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 입자 방사선 소스(101)에 직접 노출될 필요 없이 재충전된 CAB 유닛(104A)의 이점을 갖는다.
도 5d는 충전 가능한 원자 배터리(190) 상에 방사선 차폐물(505)을 배치하는 것을 설명한다. 우주 비행 배치에서, 우주선은 로켓 발사 실패와 같은 이벤트 동안 우발적인 대기 재진입 시에 CAB 유닛(104A-G)이 해제되는 것을 방지하기 위해 에어로쉘을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 에어로쉘은 대기 진입 중에 우주선을 추가로 보호할 수 있다. 이러한 에어로쉘은 충전 가능한 원자 배터리(190)에 의해 방출되는 방사선으로부터 임의의 사람 또는 장비를 보호하는 방사선 차폐물(505)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 방사선 차폐물(505)은 방사능 차폐 에어로쉘만큼 특별히 제조되지 않을 수 있으며, 특히 전구체 재료(159)가 X-선을 방출하면, 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 둘러싸는 클래딩으로서 형성되는 방사선 차폐물(505)과 같이 작용할 수 있다. 일부 경우에, 에어로쉘은 주 방사선 차폐물(505)을 감소시키거나 제거하는 추가 방사선 차폐물의 역할을 할 수 있다.
일부 충전 가능한 원자 배터리(190)는 방사선 차폐물(505)을 필요로 하는 x-선 또는 감마선 방사선을 방출한다. 다른 유형의 충전 가능한 원자 배터리(190)의 경우, 차폐물이 필요하지 않다. 차폐를 필요로 하는 전구체 재료(159)는 더 높은 전력 레벨에서 더 높은 성능을 갖는다. 전술한 바와 같이, 우주 용례를 위해, 방사선 차폐물(505)은 에어로쉘의 두 배가 될 수 있다. 차폐를 필요로 하는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 경우, 2개의 선량 레벨이 평가되었다: (a) 시간당 5 밀리렘(mrem/시간); 및 (b) 100 mrem/시간. 5 mrem/hr의 선량률은 NRC의 방사선 영역 정의보다 더 낮고 ISS의 선량과 유사하다. 100 mrem/시간의 선량 레벨은 접근이 통제된 고방사선 영역에 대한 NRC 정의보다 더 낮지만, 전자 기기와의 접촉에 적합하고 기술자가 한 시간 동안 접근할 수 있다. 일부 용례(예를 들어, 우주)의 경우, 방향성 차폐물을 사용하여 차폐물의 질량을 크게 감소시킬 수 있다.
강력한 x-선 소스를 갖는 충전 가능한 원자 배터리(190)는 원격 감지 또는 방사선이 유용할 수 있는 다른 용례를 위해 x-선 형광을 이용할 수 있다. 추가로, 이러한 충전 가능한 원자 배터리(190)에서, 방사선 차폐물(505)을 갖는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 일체형 설계는 높은 플럭스, 잘 시준된 입자 소스를 가능하게 할 수 있다. 예에서, 비히클은 충전 가능한 원자 배터리(190) 및 에어로쉘을 포함한다. 에어로쉘은 방사선 차폐물(505)을 포함한다.
도 6은 충전 가능한 원자 배터리(190)를 제조하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)을 도시하는 흐름도이다. 단계 605에서, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 복수의 전구체 재료 입자(151A-N)를 제공하는 단계를 포함한다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스(101)에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료(162)로 변환 가능한 전구체 재료(159)로 형성된 충전재(112)(예를 들어, 전구체 커널(153))을 포함한다. 이 단계 605에서, 그리고 안정 상태에 있는 동안, 전구체 재료(159)는 방사성-안정 핵종이며, 툴륨-169이고 - 일단 활성화되면, 활성화된 상태에서, 전구체 재료(159)는 활성화된 재료(162)로 변환된다. 활성화된 재료(162)는 툴륨-170을 포함한다. 전구체 재료 입자(151A-N)는 삼중구조-등방성(TRISO) 전구체 재료 입자 또는 이중구조-등방성(BISO) 전구체 재료 입자를 포함한다.
충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 단계 610에서 복수의 전구체 재료 입자(151A-N)를 세라믹 분말과 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함한다. 세라믹 분말은 캡슐화 재료(152)를 형성하는 재료이고, 혼합물은 전구체 콤팩트(158)이다. 캡슐화 재료(152)는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 그 조합을 포함할 수 있고, 따라서 세라믹 분말도 마찬가지이다.
단계 615에서, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 혼합물을 다이에 배치하는 단계를 포함한다. 다이는 최종 CAB 유닛(104A)의 원하는 형상으로 원료 전구체 콤팩트(158)인 혼합물을 형성한다. 전구체 재료(159)의 질량은 원료 전구체 콤팩트(158)를 구성하는 전체 혼합물의 질량의 1% 이하만큼 작을 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)에 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 패키징하는 단계 이전의 임의의 지점에서, CAB 유닛(104A)이 결국 수행되는 충전 가능한 원자 배터리(190)의 임무 지속 기간만큼 대략 긴 반감기를 갖는 활성화된 재료(162)를 선택하는 것이 수행될 수 있다. 이 선택은 특정 충전 가능한 원자 배터리(190) 및 임무 지속 기간이 알려진 경우 수행될 수 있다. 추가로, 복수의 전구체 재료 입자(151A-N)를 제공하는 단계(605) 이전에, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은, 안정 상태에서, 전구체 재료(159)가 15 내지 120 반의 열 중성자 흡수 단면적을 가질 수 있도록 전구체 재료(159)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 전구체 재료(159)는 적어도 10 반(예를 들어, 코발트는 37 반)의 열 중성자 흡수 단면적을 갖는다. 또 다른 예에서, 전구체 재료(159)는 적어도 50 반의 열 중성자 흡수 단면적을 갖는다. 또한, 복수의 전구체 재료 입자(605)를 제공하는 단계(605) 이전에, 전구체 재료(159)를 선택하는 단계는 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 그 조합을 선택하는 것을 포함할 수 있다.
단계 616에서, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 다이에서 혼합물을 가압하여 소결되지 않은 그린 형태를 형성하는 단계를 더 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛(104A)으로 소결하는 단계(620), 예를 들어 다이에 전류를 인가하여 혼합물을 CAB 유닛(104A)으로 소결하는 단계를 더 포함한다. 스파크 플라즈마 소결(예를 들어, 직류 소결)과 같은 소결 기술이 단계 620에서 소결을 위한 옵션이지만, 용광로, 열간 가압, 열간 등방압 프레스(HIP), 냉간 소결 등이 또한 단계 620에서 소결에 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 단계 620은 원료 전구체 콤팩트(158)를 형성된 CAB 유닛(104A)으로 변환한다. 특히, 혼합물을 CAB 유닛(104A)으로 소결하는 것은 전구체 재료 입자(151A-N)를 세라믹 분말로 구성된 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩하고, CAB 유닛(104A)은 캡슐화 재료(152) 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자(151A-N)를 포함한다. 소결은 공융 소결을 수행하기 위해 직류 소결을 이용하는 스파크 플라즈마 소결을 포함할 수 있다. 소결 동안, 전구체 재료(159)는 용융을 겪지 않고, 전구체 재료(159)는 용융을 겪는 일 없이 적어도 1,500 켈빈의 온도를 견딘다.
단계 625에서, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)은 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)에 CAB 유닛(104A)을 포함하는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 패키징하여 충전 가능한 원자 배터리(190)를 형성하는 단계, 예를 들어 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 복수의 CAB 유닛(104A-G)에 결합하는 단계를 포함한다. 하나의 예에서, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 단일 CAB 유닛(104A)을 포함할 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)에 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 패키징하여 충전 가능한 원자 배터리(190)를 형성하는 단계(625)는, 복수의 CAB 유닛(104A-G)이 입자 방사선 소스(101) 내의 아원자 입자(160A-N)에 노출되는 동안 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)이 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 드러내기 위해 개방될 수 있도록 충전 가능한 원자 배터리(190)를 복수의 CAB 유닛(104A-G)에 결합하는 것을 포함한다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)은 복수의 CAB 유닛(104A-G)에 결합되어, 복수의 CAB 유닛(104A-G)이 입자 방사선 소스(101) 내의 아원자 입자(160A-N)에 노출되는 동안, 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)이 개방되어 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 드러낼 수 있게 한다. 충전 가능한 원자 배터리 하우징(191)을 개방하는 동작은 작업자가 뚜껑(예를 들어, 힌지, 활주 메커니즘 또는, 푸시/풀 메커니즘에 의해 연결됨)을 개방 또는 폐쇄하는 것에 의해 수동으로 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 뚜껑 또는 도어는 작업자가 핫 셀 및 기계, 전기, 유압 제어 디바이스, 또는 그 조합, 예컨대 전기 기계를 포함할 수 있는 매니퓰레이터(예를 들어, 텔레 매니퓰레이터)를 이용하는 것에 의해 원격 개방 또는 폐쇄되어, 전술한 바와 같이 초기 충전 사이클 후에 방사선에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)의 단계 630에서, 서모파일과 같은 열전 소자(305)가 복수의 CAB 유닛(104A-G)에 결합되어, 일단 CAB 유닛(104A-G)이 초기에 충전되면, 열전 소자(305)가 방사성 에너지를 전기 시스템이 이용할 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600)의 단계 635는 복수의 CAB 유닛(104A-G)을 둘러싸는 방사선 차폐물(505)로 충전 가능한 원자 배터리(190)를 클래딩하는 것을 포함한다.
도 7은 도 6의 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법(600) 이후에 충전 가능한 원자 배터리(190)를 초기 충전 및 재충전하기 위한 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)을 도시하는 흐름도이다. 일단 제조되면, 충전 가능한 원자 배터리(190)는 초기에 비-방사성이다. 초기 충전 사이클은 단계 705에서 시작되고, 이어서 단계 710에서 입자 방사선 소스(101)에 근접하게 CAB(190)의 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)를 배치한다.
단계 715로 이동하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은, CAB(190)의 초기 충전 사이클 동안, 안정 상태로부터 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)의 초기 부분을 입자 방사선 소스(101)를 통해 활성화된 재료(162)로 변환시키는 단계를 더 포함한다. 안정 상태로부터 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)의 초기 부분을 입자 방사선 소스(101)를 통해 활성화된 재료(162)로 변환하는 단계는 반응 경로를 통해 입자 방사선 소스(101) 내의 아원자 입자(160A-N)에 전구체 재료(159)를 노출시키는 것을 포함한다. 활성화된 재료(162)는 대략 CAB(190)의 임무 지속 기간만큼 긴 반감기를 가질 수 있다.
단계 720으로 계속하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 CAB 유닛(104A)의 활성화된 재료(162)로부터 방사선을 방출하는 것을 포함한다. 단계 720에서, CAB(190)는 충전 후 작동하며, 방사선 입자(161A-N)로서 방출되는 방사선은 알파 입자, 베타 입자, 또는 감마 입자를 포함한다.
다음 단계 725에서, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 활성화된 재료(162)로부터 방출된 방사선을 CAB(190)의 열전 소자(305)를 통해 전력으로 변환하는 단계를 포함한다. 열전 소자(305)는 활성화된 재료(162)로부터 방출된 방사선을 전력으로 변환할 수 있고, CAB(190)의 열 에너지를 필요로 하는 외부 전기 시스템에 전기 에너지를 제공할 수 있다.
단계 730으로 이동하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 활성화된 재료(162)가 붕괴된 재료(163)로 변환될 때까지 활성화된 재료(162)를 방전하는 단계를 포함한다. 단계 755로 진행하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 CAB(190)가 재충전 사이클을 완료할 수 있다면 재충전 사이클을 시작하는 단계를 더 포함한다. 전구체 재료(159)가 활성화된 재료(162)로 변환될 때, 전구체 재료(159)는 부분적으로 고갈된 상태에 있다. 부분적으로 고갈된 상태에서, 전구체 재료(159)의 초기 부분은 고갈되고 전구체 재료(159)의 재충전 부분은 CAB 유닛(104A)을 재충전하기 위해 입자 방사선 소스(101)를 통해 여전히 활성화된 상태로 변환될 수 있다. 다시 말해서, 충전재(112)에 충분한 전구체 재료(159)가 남아 있고 충전재(112)가 단순히 붕괴된 재료(163)가 아니기 때문에 CAB(190)는 재충전 사이클을 완료할 수 있다.
단계 760으로 계속하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은 입자 방사선 소스(101)에 근접하게 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)를 배치하는 단계를 더 포함한다. 단계 765로 진행하여, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)은, CAB(190)의 재충전 사이클 동안, 전구체 재료(159)의 초기 부분과 상이한 CAB 유닛(104A)의 전구체 재료(159)의 재충전 부분을 입자 방사선 소스(101)를 통해 안정 상태로부터 활성화된 상태로 변환시키는 단계를 더 포함한다. 단계 770, 775, 및 780은 단계 720, 725, 및 730과 동일하다. 마지막으로, 충전 가능한 원자 배터리 방법(700)의 단계 780에서, 이전에 활성화 상태로 변환된 재충전 부분이 붕괴된 재료(163)로 바뀌면, 단계 755에서 재충전 사이클이 다시 시작된다. CAB(190)가 재충전될 수 있도록 충전재(112)에 충분한 전구체 재료(159)가 남아 있는 한, 재충전 사이클은 계속될 것이다. 충전재(112)가 약 100% 붕괴된 재료(163)를 포함하는 경우, CAB(190)는 수명의 끝에 도달한 것이다.
도 8은 선택, 제조, 활성화 및 전력 생산 단계를 예시하기 위해 도 6 및 도 7의 단계를 간소화하는 충전 가능한 원자 배터리 수명 사이클 방법(800)의 흐름도이다. 충전 가능한 원자 배터리 수명 사이클 방법(800)의 동작(805)에서, 자연 발생 동위 원소인 툴륨-169가 전구체 재료(159)의 일부로 선택된다. 산화물(Tm2O3)로 제조할 경우, 툴륨-169(전구체 재료(159))는 고온에서 안정할 뿐만 아니라 자연 발생 동위 원소로서 비교적 풍부하며, 적어도 50 반의 열 중성자 흡수 단면적을 갖고, Tm-170의 활성화된 재료(162)로 변환될 때 약 100일의 반감기를 갖는다. 이 충전 가능한 원자 배터리(190) 예의 경우, 툴륨-169가 적합한 선택이다.
동작(810)에서, Tm2O3는 TRISO 유사 입자로 캡슐화된다: 이는 전구체 재료 입자(151A) 내에 전구체 재료(159)를 배치시키는 것이다. TRISO 유사 캡슐화는 방사성 동위 원소 보유를 허용하는 정립된 핵 기술이다. 이 예에서, TRISO 유사 입자 또는 전구체 재료 입자(151A)는 추가 방사성 동위 원소 보유를 위해 캡슐화 재료(152)에 배치된다.
동작(815)은 전구체 재료 입자(151A) 중성자가 활성화되는 것을 본다. 이러한 중성자 활성화는 입자 방사선 소스(101) 또는 원자로 또는 가속기 구동 핵파쇄 소스와 같은 중성자 소스에 의해 생성된다. 툴륨-169의 전구체 재료(159)는 이제 활성화된 재료(162)로 변환된다. 활성화된 재료(162)는 툴륨-170을 포함하고, 킬로그램당 5.9x107 와트-시를 생성하며, 활성화된 전구체 재료(159)가 방사선을 방출함에 따라 킬로그램당 13 킬로와트를 생성할 것이다.
동작(820)은 열을 만들기 위한 활성화된 재료(162)(툴륨-170)의 베타 붕괴의 이점을 도시한다. 베타 붕괴는 무인 수중 비히클(unmanned underwater vehicle)(UUV) 용례를 위한 자동 열전 전력 변환과 다른 용례에서 고효율 스털링 전력 변환기를 통해 기성품 전력 변환을 제공한다. 결국, 활성화된 재료(162)는 붕괴된 재료(163)가 된다.
도 9는 활성화된 동위 원소, 이들의 반감기, 모 동위 원소, 및 일 범위에 걸친 전력 출력의 전구체 재료 성능 차트(900)이다. 전구체 재료 성능 차트(900)의 열(901)은 충전 가능한 원자 배터리(190)로부터 에너지를 제공하는 활성화된 재료(방사성 핵종)(162)을 식별한다. 열(902)은 열(901)로부터 활성화된 재료(162)의 반감기를 디스플레이한다. 열(903)에서, 열(901)로부터의 활성화된 재료(162)의 모 전구체 원자(201)가 도시되어 있다. 열(904)은 열(903)의 화학 원소로부터 열(901)의 핵종을 생성하기 위한 열 중성자 단면적이다. 전구체 재료 성능 차트(900)의 열(905-908)은 다양한 시점에서 열(901)로부터의 활성화된 재료(162)의 전기 출력을 나타낸다. 열(905)은 조사 100일 후 출력 그램당 와트를 도시한다. 열(906)은 조사 1년 후 출력 그램당 와트를 도시한다. 열(907)은 조사 3년 후 출력 그램당 와트를 도시한다. 열(908)은 조사 10년 후 출력 그램당 와트를 도시한다.
보호 범위는 이하 뒤따르는 청구범위에 의해서만 제한된다. 그러한 범위는, 본 명세서 및 이하의 기재 기록에 비추어 해석될 때 청구항에서 사용된 언어의 일반적인 의미와 일치하는 것으로 그리고 모든 구조적 및 기능적 등가물을 포괄하는 것으로 의도되고 해석되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 어떠한 청구항도 특허법 시행령의 101, 102 또는 103 섹션의 요구 사항을 충족하지 못하는 청구 대상을 포함하지 않으며, 그러한 방식으로 해석되어서도 안된다. 그러한 청구 대상의 임의의 비의도적인 포함은 이에 의해 포기된다.
본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은, 특정 의미가 본 명세서에서 달리 설명된 경우를 제외하고, 그들의 상응하는 각각의 조사 또는 연구 분야에 대해 그러한 용어 및 표현에 부여된 일반적인 의미를 갖는다는 것이 이해될 것이다. 제1 및 제2 등과 같은 관계 용어는, 해당 개체들 또는 작용들 간의 실제 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 암시하지 않으면서, 하나의 개체 또는 작용을 다른 개체 또는 작용과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "포함한다", "포함하는", "포괄한다", "포괄하는", "갖는다", "갖는", "함유하는", "함유한다", "함유하고", "이용한", "~로 형성된"이라는 용어, 또는 그 임의의 다른 변형된 용어는 비-배타적인 포함을 커버하기 위한 것이고, 그에 따라 요소 또는 단계의 목록을 포함하거나 포괄하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치는 이러한 요소 또는 단계만을 포함하는 것이 아니고, 그러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 대해서 명백하게 나열되지 않거나 내재되지 않은 다른 요소 또는 단계를 포함할 수 있다. 부정관사("a" 또는 "an")가 앞에 오는 요소는, 추가 제약 없이, 그러한 요소를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에서 추가적인 동일한 요소의 존재를 배제하지 않는다.
또한, 전술한 상세한 설명에서, 본 개시를 간소화하기 위해 다양한 피처가 다양한 예에서 함께 그룹화됨을 알 수 있다. 이 개시 방법은 청구된 예가 각 청구범위에 명시적으로 기재된 것보다 더 많은 피처를 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이하의 청구항이 반영하는 바와 같이, 청구 대상은 공개된 단일 예의 모든 특징보다 적다. 따라서, 다음의 청구범위는 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구범위는 그 자체로 개별적으로 청구된 청구 대상을 주장한다.
이상에서 최선의 모드 및/또는 다른 예라고 생각되는 것을 설명했지만, 그 안에서 다양한 수정이 이루어질 수 있고 여기에 개시된 청구 대상은 다양한 형태 및 예로 구현될 수 있으며, 그것들은 수많은 용례에서 적용될 수 있으며, 그 중 일부만이 여기에 설명되었다. 이하의 청구항은, 본 개념의 진정한 범위에 속하는 임의의 그리고 모든 수정 및 변형을 청구하기 위한 것으로 의도된 것이다.

Claims (47)

  1. 충전 가능한 원자 배터리(CAB)이며,
    복수의 CAB 유닛 - 각각의 CAB 유닛은 캡슐화 재료 내부에 임베딩된 전구체 재료 입자를 포함하는 전구체 콤팩트로 형성되고, 전구체 재료 입자는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료로 변환 가능한 전구체 재료로 형성된 전구체 커널을 포함함 -; 및
    복수의 CAB 유닛을 유지하는 충전 가능한 원자 배터리 하우징을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    전구체 재료가 변환될 때, 전구체 재료는 부분적으로 고갈된 상태에 있고, 그에 따라 전구체 재료의 초기 부분이 고갈되며 전구체 재료의 재충전 부분이 충전 가능한 원자 배터리를 재충전하기 위해 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태로 변환될 수 있는, 충전 가능한 원자 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    충전 가능한 원자 배터리의 초기 충전 사이클 동안, 입자 방사선 소스는 전구체 재료의 초기 부분을 활성화된 상태로 변환시키고;
    충전 가능한 원자 배터리의 재충전 사이클 동안, 입자 방사선 소스는 초기 부분과 상이한 전구체 재료의 재충전 부분을 활성화된 상태로 변환시키는, 충전 가능한 원자 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 초기 충전 사이클 후, 활성화된 재료는 대략 충전 가능한 원자 배터리의 임무 지속 기간만큼 긴 반감기를 갖는, 충전 가능한 원자 배터리.
  5. 제1항에 있어서,
    안정 상태는 안정 동위 원소 비율이고;
    활성화된 상태는 방사성 핵종인, 충전 가능한 원자 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 안정 상태 또는 부분적으로 고갈된 상태에서, 전구체 재료는 적어도 50 반의 열 중성자 흡수 단면적을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  7. 제6항에 있어서, 전구체 재료는 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 그 조합을 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  8. 제1항에 있어서, 전구체 재료는 소결 동안 용융을 겪지 않고 적어도 1,500 켈빈의 온도를 견디는, 충전 가능한 원자 배터리.
  9. 제1항에 있어서,
    입자 방사선 소스는 아원자 입자를 방출하고;
    아원자 입자는 중성자, 양성자, 중수소, 알파 입자, 고플럭스 고에너지 감마 입자, 핵분열성 원자, 또는 그 조합을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  10. 충전 가능한 원자 배터리 시스템이며,
    제9항의 충전 가능한 원자 배터리; 및
    입자 방사선 소스를 포함하고;
    충전 가능한 원자 배터리는 입자 방사선 소스에 근접하게 배치되며,
    입자 방사선 소스는 복수의 CAB 유닛이 입자 방사선 소스 내의 아원자 입자에 노출되는 동안 전구체 재료를 활성화된 재료로 변환시키는, 충전 가능한 원자 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    입자 방사선 소스는 원자로를 포함하고;
    충전 가능한 원자 배터리는 원자로 내부에 배치되며;
    원자로는 복수의 CAB 유닛이 원자로 내에 배치되는 동안 전구체 재료의 일부를 활성화된 재료로 변환시키고;
    활성화된 상태는 방사성 동위 원소인, 충전 가능한 원자 배터리 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 입자 방사선 소스는 반응 경로에 기초하여 전구체 재료를 활성화된 재료로 변환시키는, 충전 가능한 원자 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 반응 경로는 핵파쇄에 의해 유도된 중성자 활성화인, 충전 가능한 원자 배터리 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 안정 상태에서, 전구체 재료는 방사성-안정 핵종인, 충전 가능한 원자 배터리.
  15. 제14항에 있어서,
    안정 상태에서, 전구체 재료는 툴륨-169(169Tm)를 포함하고;
    활성화된 상태에서, 전구체 재료는 활성화된 재료로 변환되며;
    활성화된 재료는 툴륨-170(170Tm)을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  16. 제1항에 있어서,
    활성화된 상태에서, 전구체 재료는 활성화된 재료로 변환되며;
    활성화된 재료는 알파 방출 동위 원소, 베타 방출 동위 원소, 감마 방출 동위 원소, 또는 그 조합을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  17. 제1항에 있어서,
    CAB 유닛에 결합되어 활성화된 재료의 방사성 방출을 전력으로 변환시키는 열전 소자를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  18. 제7항에 있어서, 열전 소자는 전력의 출력을 조절하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  19. 제1항에 있어서,
    전구체 재료 입자는 코팅된 전구체 재료 입자를 포함하고;
    캡슐화 재료는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 그 조합을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  20. 제19항에 있어서,
    코팅된 전구체 재료 입자는 삼중구조-등방성(TRISO) 전구체 재료 입자 또는 이중구조-등방성(BISO) 전구체 재료 입자를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  21. 제20항에 있어서, 복수의 CAB 유닛을 둘러싸는 클래딩으로서 형성된 방사선 차폐물을 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리.
  22. 비히클이며,
    제21항의 충전 가능한 원자 배터리; 및
    방사선 차폐물을 포함하는 에어로쉘을 포함하는, 비히클.
  23. 충전 가능한 원자 배터리(CAB)이며,
    캡슐화 재료 내부에 임베딩된 전구체 재료로 형성된 적어도 하나의 CAB 유닛; 및
    적어도 하나의 CAB 유닛을 유지하는 충전 가능한 원자 배터리 하우징을 포함하고,
    전구체 재료는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료로 변환될 수 있는, 충전 가능한 원자 배터리.
  24. 충전 가능한 원자 배터리(CAB) 제조 방법이며,
    복수의 전구체 재료 입자를 제공하는 단계 - 전구체 재료 입자는 초기에 안정 상태로 제조되고 입자 방사선 소스에 의한 원자 조사를 통해 활성화된 상태인 활성화된 재료로 변환 가능한 전구체 재료로 형성된 전구체 커널을 포함함 -;
    복수의 전구체 재료 입자를 세라믹 분말과 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    혼합물을 다이에 배치하는 단계;
    다이에서 혼합물을 가압하여 소결되지 않은 그린 형태를 형성하는 단계; 및
    소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛으로 소결하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서, 소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛으로 소결하는 단계는:
    다이에 전류를 인가하여 혼합물을 CAB 유닛으로 소결시키는 단계; 및
    세라믹 분말로 구성된 캡슐화 재료 내부에 전구체 재료 입자를 임베딩하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    캡슐화 재료는 실리콘 탄화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물, 니오븀 탄화물, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 그 조합을 포함하고;
    전구체 재료 입자는 삼중구조-등방성(TRISO) 전구체 재료 입자 또는 이중구조-등방성(BISO) 전구체 재료 입자를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    CAB 유닛을 포함하는 복수의 CAB 유닛을 충전 가능한 원자 배터리 하우징에 패키징하여 충전 가능한 원자 배터리를 형성하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    충전 가능한 원자 배터리 하우징에 복수의 CAB 유닛을 패키징하여 충전 가능한 원자 배터리를 형성하는 단계는, 복수의 CAB 유닛이 입자 방사선 소스 내의 아원자 입자에 노출되는 동안 충전 가능한 원자 배터리 하우징이 복수의 CAB 유닛을 드러내기 위해 개방될 수 있도록 충전 가능한 원자 배터리를 복수의 CAB 유닛에 결합하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    열전 소자를 복수의 CAB 유닛에 결합하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    복수의 CAB 유닛을 둘러싸는 방사선 차폐물로 충전 가능한 원자 배터리를 클래딩하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    충전 가능한 원자 배터리 하우징에 복수의 CAB 유닛을 패키징하는 단계 이전에, 대략 충전 가능한 원자 배터리의 임무 지속 기간만큼 긴 반감기를 갖는 활성화된 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    충전 가능한 원자 배터리 하우징에 복수의 CAB 유닛을 패키징하는 단계는 복수의 CAB 유닛을 둘러싸도록 충전 가능한 원자 배터리 하우징을 복수의 CAB 유닛에 결합하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  33. 제24항에 있어서,
    소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛으로 소결하는 단계는 직류 소결, 공융 소결, 또는 스파크 플라즈마 소결을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  34. 제24항에 있어서, 안정 상태에서, 전구체 재료는 방사성-안정 핵종인, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    안정 상태에서, 전구체 재료는 툴륨-169(169Tm)를 포함하고;
    활성화된 상태에서, 전구체 재료는 활성화된 재료로 변환되며;
    활성화된 재료는 툴륨-170(170Tm)을 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  36. 제24항에 있어서, 전구체 재료의 전구체 재료 질량은 혼합물의 전체 질량의 1 퍼센트(1%) 이하인, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  37. 제24항에 있어서,
    복수의 전구체 재료 입자를 제공하는 단계 이전에, 안정 상태에서, 전구체 재료가 적어도 50 반의 열 중성자 흡수 단면적을 포함하는 전구체 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  38. 제37항에 있어서, 전구체 재료를 선택하는 단계는 산화물, 질화물, 탄화물, 또는 그 조합을 포함하는 전구체 재료를 선택하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  39. 제24항에 있어서, 소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛으로 소결하는 단계 동안, 전구체 재료는 용융을 겪지 않는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  40. 제39항에 있어서, 소결되지 않은 그린 형태를 CAB 유닛으로 소결하는 단계 동안, 전구체 재료는 용융을 겪지 않고 적어도 1,500 켈빈의 온도를 견디는, 충전 가능한 원자 배터리 제조 방법.
  41. 충전 가능한 원자 배터리(CAB) 방법이며,
    입자 방사선 소스에 근접하게 충전 가능한 원자 배터리의 CAB 유닛의 전구체 재료를 배치하는 단계;
    충전 가능한 원자 배터리의 초기 충전 사이클 동안, 안정 상태로부터 CAB 유닛의 전구체 재료의 초기 부분을 입자 방사선 소스를 통한 활성화된 상태인 활성화된 재료로 변환하는 단계;
    CAB 유닛의 활성화된 재료로부터 방사선을 방출하는 단계; 및
    활성화된 재료로부터 방출된 방사선을 충전 가능한 원자 배터리의 열전 소자를 통해 전력으로 변환하는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  42. 제41항에 있어서, 방출된 방사선은 알파 입자, 베타 입자, 또는 감마 입자를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  43. 제41항에 있어서,
    활성화된 재료가 붕괴된 재료로 변환될 때까지 활성화된 재료를 방전하는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  44. 제41항에 있어서,
    전구체 재료가 변환될 때, 전구체 재료는 부분적으로 고갈된 상태에 있고, 그에 따라 전구체 재료의 초기 부분이 고갈되며 전구체 재료의 재충전 부분이 CAB 유닛을 재충전하기 위해 입자 방사선 소스를 통해 활성화된 상태로 변환될 수 있는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    충전 가능한 원자 배터리의 재충전 사이클 동안, 안정 상태로부터 전구체 재료의 초기 부분과 상이한 CAB 유닛의 전구체 재료의 재충전 부분을 입자 방사선 소스를 통해 활성화된 상태로 변환시키는 단계를 더 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  46. 제41항에 있어서,
    활성화된 재료는 대략 충전 가능한 원자 배터리의 임무 지속 기간만큼 긴 반감기를 갖는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
  47. 제41항에 있어서,
    안정 상태로부터 CAB 유닛의 전구체 재료의 초기 부분을 활성화된 재료로 변환시키는 단계는 전구체 재료를 반응 경로를 통해 입자 방사선 소스 내의 아원자 입자에 노출시키는 단계를 포함하는, 충전 가능한 원자 배터리 방법.
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