KR20230070467A - 무중성자 핵 연료 - Google Patents

무중성자 핵 연료 Download PDF

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KR20230070467A
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Abstract

핵 연료 전지는 순 중성자-생성 물질, 중성자-소모 물질 및 중성자-완화 물질을 포함한다. 순-생성 물질, 중성자-완화 물질, 및 중성자-소모 물질이 중성자 소스에 노출될 시, 순 중성자-생성 물질 대 (i) 중성자-소모 물질 및 (ii) 중성자-완화 물질의 비율은 순 중성자들을 생성하지 않고 중성자들을 하전 입자들로 변환하도록 동작가능하다.

Description

무중성자 핵 연료
본 PCT 국제출원은 2020. 9. 21. 출원된 미국 특허출원 일련번호 17/027,422에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 그 전문이 참조로 포함된다.
본 개시는 일반적으로 열을 전기 에너지로 직접 변환하기 위한 무중성자(aneutronic) 핵연료에 관한 것이다.
이 섹션은 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공하며 반드시 선행 기술은 아니다.
원자력 발전의 잠재적인 낮은 운영 비용 및 전반적인 경제적인 경쟁력은 전통적인 동적 열-전기 에너지 변환 방법들의 사용에 의해 가치가 떨어지게 된다. 이러한 보조시스템들의 사용은 전통적인 발전소의 운영 비용과 유지관리 비용을 크게하고, 그러한 발전소의 경제성과 효율성이 떨어지게 된다. 번거로운 동적 열-전기 에너지 변환 시스템들에 대한 하나의 대안은 열이온 에너지 변환(Thermionic Energy Conversion; TEC)이며, 이는 열이온 방출로부터 전기를 생성하는 직접 열-전기 에너지 변환 프로세스이다. TEC는 낮은 유지보수, 자율적인 전기 발전을 위한 기회를 제공하고 경제적으로 경쟁력있는 진보된 원자로에 대한 가능성을 예시한다.
TEC 시스템들의 일부 예들은 전극간 플라즈마를 이용하여 시스템의 "고온" 측(즉, 이미터)으로부터 시스템의 "저온" 측(즉, 콜렉터)으로 열이온-방출된 전자들을 전도한다. 모든 입증가능한 TEC 시스템들이 낮은 이온 전위(예를 들어, 세슘)의 플라즈마를 이온화하기 위해 방출된 전자들을 사용하지만, 이 방법은 디바이스 효율을 제한한다. 전극간 플라즈마를 이온화하기 위해 클래드되지 않은 연료 소자로부터의 핵분열 파편들(fission fragments)을 사용하여 이전의 노력들을 조사하였다. 그러나, 이러한 이전의 노력들은 연쇄 반응, 즉 중요 시스템을 지속하기 위해 충분한 연료를 필요로 하였다.
이 섹션은 본 개시의 일반적인 요약을 제공하며, 그 전체 범위 또는 그 특징들 전부에 대한 포괄적 개시가 아니다.
본 개시의 일 양태는 무중성자 핵 연료를 제공한다. 핵 연료는 순 중성자-생성 물질(net neutron-producing material), 중성자-소모 물질(neutron-consuming material) 및 중성자 완화 물질(neutron moderating material)을 포함한다. 순 중성자-생성 물질, 중성자-완화 물질, 및 중성자-소모 물질이 중성자 소스에 노출될 때, 순 중성자-생성 물질 대 (i) 중성자-소모 물질 및 (ii) 중성자-완화 물질의 비율은 순 중성자를 생성하지 않고 중성자를 하전 입자로 변환하도록 동작가능하다.
본 개시의 이러한 양태의 구현들은 다음의 선택적인 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 순 중성자-생성 물질은 핵분열성(fissile)이다. 일부 예에서, 순 중성자-생성 물질은 핵 연료성(fertile)이다. 선택적으로, 순 중성자-생성 물질은 핵분열을 겪을 수 있다. 일부 구현들에서, 중성자-소모 물질은 중성자 활성화를 겪는다. 일부 예들에서, 중성자-소모 물질은 베타 감쇠(beta decay) 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는다. 일부 구현들에서, 중성자-생성 물질 대 중성자-소모 물질의 비율은 플라즈마를 이온화하기 위해 하전 입자들을 생성할 수 있다.
본 개시의 다른 양태는 전기를 생성하는 방법을 제공한다. 방법은, 제1 물질로 복수의 중성자들을 생성하는 단계, 및 제2 물질로 복수의 중성자들 중 적어도 하나를 소모하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제3 물질로 복수의 중성자들의 양을 완화하는 단계, 및 제1 물질, 제2 물질, 및 제3 물질을 중성자 소스에 노출시키는 단계를 포함한다.
이 양태는 다음의 선택적인 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 제1 물질은 핵분열성이다. 일부 예에서, 제1 물질은 핵 연료성이다. 선택적으로, 제1 물질은 핵분열을 겪을 수 있다. 일부 구현들에서, 제 2 물질은 중성자 활성화를 겪는다. 일부 예들에서, 제 2 물질은 베타 감쇠 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는다. 일부 구현예들에서, 방법은 또한, 하전 입자로 플라즈마를 이온화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 핵 연료 전지를 제공한다. 핵 연료 전지는 두께(T1)를 정의하는 순 중성자-생성 물질, 중성자-소모 물질, 및 중성자-완화 물질을 포함한다. 핵 연료는 또한 순 중성자-생성 물질을 둘러싸고 제2 두께(T2)를 정의하는 클래딩을 포함하며, 두께(T2)에 대한 두께(T1)의 비율은 이미터로부터 콜렉터로의 전자들의 전달 속도를 증가시키도록 동작가능하다.
이 양태는 다음의 선택적인 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 순 중성자-생성 물질은 핵분열성이다. 일부 예에서, 순 중성자-생성 물질은 핵 연료성일 수 있다. 선택적으로, 순 중성자-생성 물질은 핵분열을 겪을 수 있다. 일부 구현들에서, 중성자-소모 물질은 중성자 활성화를 겪는다. 일부 예들에서, 중성자-소모 물질은 베타 감쇠 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는다.
적용가능성의 추가적인 영역들은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 요약에서의 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적들을 위해 의도된 것이며 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에 설명된 도면들은 모든 가능한 구현들이 아니라 선택된 구성들의 예시적인 목적들만을 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 종래 기술의 열이온 에너지 변환 시스템의 기능 블록도이다.
도 2는 본 개시의 원리에 따른 열이온 에너지 변환 시스템의 기능 블록도이다.
도 3은 본 개시의 원리에 따른 열이온 에너지 변환 시스템의 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 원리에 따른 열이온 에너지 변환 시스템을 이용하는 연료 전지의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 원리에 따른 도 4의 연료 전지의 작동 방법의 흐름도이다.
도면들에 걸쳐, 대응하는 참조 번호들은 대응하는 부품을 가리킨다
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 구성들을 상세히 설명하기로 한다. 예시적인 구성들은 본 개시가 철저하도록 제공되며, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범위를 완전히 전달할 것이다. 본 개시의 구성들에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 컴포넌트들, 디바이스들, 및 방법들의 예들과 같은 특정 세부사항들이 제시된다. 특정 세부사항들이 채용될 필요가 없고, 예시적인 구성들이 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 특정 세부사항들 및 예시적인 구성들이 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열이온 에너지 변환 시스템(100)은 이미터(102), 매체(104), 콜렉터(106), 및 열원(108)을 포함할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 열이온 에너지 변환 시스템(100)은 열원(108)으로부터의 열을 열이온 방출로부터의 전기 에너지로 직접 변환하며, 이는 이어서 이미터(102) 및 콜렉터(106)에 걸쳐 바이어스 전압을 위치시킴으로써 전기 부하(110)를 구동하는 데 사용될 수 있다. 바이어스 전압은 이미터(102) 및 콜렉터(106)의 각각의 일 함수들 사이의 차이에 비례한다. 그렇게 함으로써, 시스템(100)은 종래의 전력 발생에서 전기 에너지를 생성하기 위해 요구될 다양한 부품들(예를 들어, 터빈)의 제거를 허용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미터(102)는 전자들(112)을 포함하고, 이미터(102)가 열원(108)에 의해 가열될 때, 이미터(102)는 전자들(112)을 방출한다. 방출된 전자들(112)은 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이의 매체(104)에 진입한다. 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이의 매체(104)가 전도성이면, 부하(110)를 구동할 수 있는 전류가 생성된다.
이미터(102)가 열원(108)에 의해 가열됨에 따라, 이미터(102)는 전자들(112)을 방출한다. 이미터(102)에 의해 방출된 전자들(112)은 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이의 매체(104)에 진입한다. 이미터(102)에 의해 방출된 전자(112)의 음전하는 다른 음전하로 하전 전자들(112)을 밀어낸다. 따라서, 이미터(102)로부터 방출된 전자들(112)이 매체(104)에 진입할 때, 전자들(112)의 음전하는 추가 전자들(112)을 밀어내고, 이러한 추가 전자들(112)이 이미터(102)를 떠나 콜렉터(106)에 도달하는 것을 억제 및/또는 방지하여, 시스템(100)의 효율을 감소시키는 공간 전하를 창출(create)한다. 일부 구현예에서, 플라즈마는 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이의 매체(104)로서 작용한다. 이와 관련하여, 매체(104)는 본 명세서에서 "플라즈마(104)"로 지칭될 수 있다. 플라즈마(104)는 다른 전자들이 또한 이미터를 떠나는 것을 억제하지 않고 전자들(112)이 이미터(102)를 떠나도록 허용하는 매체(104)의 공간 전하를 완화(mitigate)할 수 있다. 플라즈마(104)는 상이한 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 플라즈마(104)는 세슘 증기와 같은 증기를 포함한다.
시스템(100)의 효율은 플라즈마(104)로 음의 공간 전하를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 음의 공간 전하가 플라즈마(104)에 의해 중화됨에 따라, 추가적인 전자들(112)이 이미터(102)로부터 더 자유롭게 방출되고, 따라서 플라즈마(104)를 통한 전류 흐름을 증가시키고, 이어서 시스템(100)의 효율을 개선시킨다. 이와 관련하여, 플라즈마(104)가 자연적인 사전-이온화된 상태(즉, 정제된 증기 또는 가스)에 있을 때, 그것은 전자들(112)을 전도하지 않을 수 있다. 플라즈마(104)는 이미터(102)와 접촉함으로써 이온화될 수 있고, 이미터(102)가 플라즈마(104)를 가로질러 전자들(112)을 송신하게 한다. 다른 구현예에서, 플라즈마(104)는 플라즈마(104)의 중성 원자에 충돌하고 중성 원자를 추가 전자 및 이온으로 이온화하는 방출된 전자(112)에 의해 이온화될 수 있다. 플라즈마(104)는 플라즈마(104)가 이온화된 후에 전자들(112)을 전도할 수 있다. 플라즈마(104)가 이온화될 때, 전자들(112)이 이미터(102)로부터 플라즈마(104)를 통해 콜렉터(106)로 전도될 수 있고, 이에 의해 전류를 생성한다. 가열된 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로의 전자들(112)의 흐름은 부하(110)를 구동하는데 사용될 수 있는 전기 에너지를 생성한다.
플라즈마(104)를 이온화하기 위해 전자들(112)을 이용하는 것은 열이온 에너지 변환 시스템(100)의 총 효율을 감소시킨다. 예를 들어, 플라즈마(104)를 이온화하여 추가의 전자들(112)이 이미터(102)로부터 방출하게 함으로써, 전자들(112)은 전기 에너지를 생성하기보다는 플라즈마(104)를 이온화하는 것에 그들의 에너지를 소비하고, 따라서, 시스템(100)의 전기 효율을 감소시킨다.
중이온 열이온 에너지 변환(Heavy Ion Thermionic Energy Conversion, HITEC) 시스템(200)이 도 2에 도시되어 있다. HITEC 시스템(200)은 본 명세서에 달리 도시되거나 설명된 것을 제외하고 열이온 에너지 변환 시스템(100)과 실질적으로 유사할 수 있다. HITEC 시스템(200)에서 플라즈마(104)를 이온화하는 예시적인 방법은 핵분열 파편들(208)을 이용한다. 예를 들어, 중성자 소스(202)는 중성자들(204)을 생성한다. HITEC 시스템(200)은 또한 핵분열성(예를 들어, U-235) - 즉, 중성자를 흡수한 후에 핵분열 반응이 가능할 수 있거나- 또는 핵연료성(예를 들어, U-238) - 즉, 중성자를 흡수한 후에 핵분열 반응을 겪을 수 없는, 순 중성자-생성 물질(206)을 포함할 수 있다.
중성자 소스(202)가 순 중성자-생성 물질(206)(예를 들어, U-235)에 의해 흡수되는 중성자를 생성할 때, 중성자-생성 물질(206)은 핵분열 파편들(208)으로 불안정한 분할이 되고, 프로세스에서 몇몇 새로운 중성자를 릴리스(release)한다. 핵분열 과정으로부터 릴리스된 새로운 중성자들은 그 자체로 다음의 방정식에 따라 핵분열을 겪어 추가적인 핵분열 파편들(208)을 창출하고 중성자들을 릴리스하여 연쇄 반응을 야기할 수 있으며, 여기서 "n"은 중성자(204)이다.
U-235 + nth → (U-236)→ (핵분열 파편-1) + (핵분열 파편-2) + 2.5nfast
핵분열 프로세스로부터 생성된 핵분열 파편들(208)은 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이에서 플라즈마(104)로 진입하고 플라즈마(104)를 이온화한다. HITEC 시스템(200)에서 플라즈마(104)를 이온화하기 위한 핵분열 파편들(208)의 사용은 더 많은 전자들(112)이 이미터(102)로부터 플라즈마(104)를 통해 콜렉터(106)로 흐르는 것을 허용한다. 특히, 전자들(112)은 플라즈마(104)를 이온화하기 위해 사용되기보다는 전기 에너지를 생성하기 위해 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 단독으로 흐를 수 있어 HITEC 시스템(200)의 효율을 높인다.
플라즈마(104)를 이온화하기 위해 핵분열 파편들(208)을 이용하는 것은 플라즈마(104) 내의 중금속의 축적(build-up)이 발생하게 한다. 특히, 플라즈마(104)를 이온화한 후에, 핵분열 파편들(208)은 플라즈마(104) 내의 중성 중금속 입자가 된다. 플라즈마(104) 내의 중성 중금속 입자들로서 핵분열 파편들(208)의 축적은 이미터(102)로부터 방출된 전자들(112)이 중성 중금속 입자와 충돌할 가능성을 증가시킨다. 핵분열 파편(208)으로부터의 중성 중금속 입자와 충돌하는 전자들(112)은 충돌로 인해 에너지를 잃을 수 있고, 따라서 전자들(112)은 더 적은 전기 에너지를 생성하여 HITEC 시스템(200)의 효율을 감소시킨다. 몇 예들에서, 핵분열 파편들(208)은 이미터(102)의 표면 상에 적층되어 이미터가 더 적은 전자들(112)을 방출하는 것을 야기하고, 생성된 전기 에너지의 양을 감소시켜 HITEC 시스템(200)의 전반적인 효율을 또한 감소시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, HITEC 시스템(200)은 중성자-소모 물질(210) 및 중성자-완화 물질(212)를 포함할 수 있다. 중성자-완화 물질(212)는 중성자-생성 물질(206)로부터 릴리스된 중성자들(204)의 속도를 감소시킨다. 예를 들어, 중성자 소스(202)가 중성자-생성 물질(206) 또는 중성자-소모 물질(210)에 의해 흡수되는 중성자들(204)을 생성함에 따라, 중성자-생성 물질(206)의 중성자는 핵분열 파편들(208)으로 불안정한 분할이 되고 몇몇 새로운 중성자를 릴리스하고 안정화될 수 있다. 핵분열로부터 릴리스된 중성자들(204)은 고속으로 이동하여 중성자-생성 물질(206) 또는 중성자 소모 물질(210)에 의한 흡수의 낮은 가능성을 초래할 수 있다.
중성자-완화 물질(212)(예를 들어, 그래파이트, 물, 또는 지르코늄 수소화물)는 핵분열에 의해 생성된 고속 중성자들(204)의 속도를 감소시키고, 따라서 릴리스된 중성자가 중성자-생성 물질(206) 및 중성- 소모 물질(210)에 의해 흡수될 가능성을 증가시키고, 이는 결국 더 많은 핵분열 파편들(208)의 생성을 초래할 수 있다. 핵분열 프로세스에 의해 생성된 더 많은 중성자들(204)의 속도가 중성자-완화 물질(212)에 의해 감소되고, 중성자-생성 물질(206)에 의한 더 많은 중성자들(204)의 흡수 및 더 많은 핵분열 파편들(208)의 생성을 초래함에 따라, HITEC 시스템(200)은 핵분열 연쇄 반응을 시작하기 위해 중성자 소스(202)에 덜 의존하게 되고, 따라서 HITEC 시스템(200)의 효율을 증가시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중성자-소모 물질(210)은 핵분열로부터 생성된 중성자들(204)을 흡수하여 HITEC 시스템(200) 내의 중성자의 재생산을 조절한다. 중성자-소모 물질(210)이 없는 HITEC 시스템(200)에 의해 생성된 중성자들(204)의 양은 시스템이 초임계(supercritical) 상태로 진입하게 할 수 있고, 여기서 생성된 중성자들(204)의 수는 제어되지 않은 속도로 가속되어, HITEC 시스템(200) 내의 순 중성자들의 수가 장기 지속성을 위해 바람직한 것보다 더 높아지게 한다.
다른 예시적인 HITEC 시스템(300)이 도 3에 도시되어 있다. 3. HITEC 시스템(300)은 본 명세서에 달리 도시되거나 설명된 것을 제외하고는 HITEC 시스템(200)과 실질적으로 유사할 수 있다. HITEC 시스템(300)은 중성자-생성 물질(306), 중성자-소모 물질(210)(예를 들어, 핵분열-가능 물질(306)), 플라즈마(104), 및 베타 감쇠 입자(310)를 포함할 수 있다. 중성자-생성 물질(306)은 핵분열성(예를 들어, U-235) 또는 핵연료성(예를 들어, U-238) 있다. 이와 관련하여, 핵분열성 중성자-생성 물질(306)은 중성자(204)를 흡수한 후에 핵분열 반응이 가능할 수 있는 반면, 핵연료성인 중성자-생성 물질(306)은 중성자(204)를 흡수한 후에 핵분열 반응을 겪을 수 없을 수 있다.
동작 중에, HITEC 시스템(300)은 중성자 소스(202)를 사용하여 중성자-생성 물질(306)에 의해 흡수될 수 있는 중성자들(204)을 생성한다. 중성자들(204)을 흡수한 후에, 중성자-생성 물질(306)은 핵분열을 겪을 수 있다. 특히, 중성자-생성 물질(306)이 중성자-생성 물질(306)의 중성자(204)를 흡수할 때, 불안정해질 수 있고, 핵분열 파편들(208)으로 분할되고, 이 과정에서 몇몇 새로운 중성자들(204)을 릴리스한다. 일부 예들에서, 중성자-생성 물질(306)이 중성자(204)를 흡수할 때, 중성자-생성 물질(306)은 무거운 및/또는 가벼운 핵분열 파편들(208) 및 몇몇 중성자들(204)을 생성한다. 핵분열 프로세스로부터 릴리스된 중성자들(204)는 이어서 중성자-생성 물질(306) 내로 흡수되어 추가적인 핵분열 파편들(208)을 창출하고 추가적인 중성자들(204)을 릴리스할 수 있다.
HITEC 시스템(300)이 동작함에 따라, 핵분열 파편들(208)은 베타 감쇠 프로세스를 겪을 수 있다. 특히, 핵분열 프로세스에 의해 생성된 핵분열 파편(208)은 베타 감쇠를 겪고, 여기서 핵분열 파편(208)은 본 명세서에서 "베타 감쇠 입자(310)"로 지칭되는 추가적인 전자를 릴리스함으로써 그의 중성자들(204) 중 하나를 양성자(312)로 변환한다. 핵분열 파편(208)의 베타 감쇠 반응은 다음의 방정식에 의해 설명될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, X는 모핵(parent nucleus), X'는 자핵(daughter nucleus), Z는 양성자 수(proton number), N은 중성자 수(neutron number), A는 양성자 수와 중성자 수의 합, e - 는 전자(electron),
Figure pct00002
는 반중성미자(antineutrino)이다.
베타 감쇠 프로세스로부터 릴리스된 베타 감쇠 입자(310)는 이미터(102)와 콜렉터(106) 사이에서 플라즈마(104)에 진입하고 플라즈마(104)를 이온화한다. 베타 감쇠 입자(310)는 이미터(102)로부터 방출된 전자들(112)보다 훨씬 더 높은 에너지를 함유한다. 베타 감쇠 입자(310)의 더 높은 에너지는 베타 감쇠 입자(310)가 이미터(102)로부터 방출된 전자들(112)에 비해 더 많은 플라즈마(104) 원자를 이온화할 수 있게 하여, HITEC 시스템(300)에 의해 생성된 전기의 양, 및 전체 효율을 증가시킨다. 예를 들어, 베타 감쇠 입자(310)는 전술한 프로세스에 의해 플라즈마(104)를 이온화함으로써, (i) 전자들(112)이 이미터(102)로부터 플라즈마(104)를 통해 콜렉터(106)로 흐를 수 있게 하고, (ii) HITEC 시스템(300)의 효율을 증가시킨다. 이와 관련하여, 베타 감쇠 입자(310)는 플라즈마(104)에서 중성 중금속 입자의 축적을 창출하는 것 없이 플라즈마(104)를 이온화할 수 있다. 특히, 베타 감쇠 프로세스로부터의 이온화를 위한 배타 감쇠 입자(310)의 사용은 도 2와 관련하여 전술한 HITEC 시스템(200)의 동작 동안 핵분열 파편들(208)을 사용하는 플라즈마(104)의 이온화 시 발생하는 중성 중금속 입자의 축적을 초래하지 않는 핵분열 파편들(208)의 간접적인 사용을 초래할 수 있다.
일부 구현들에서, 중성자 활성화는 중성자(204)가 중성자-소모 물질(210)에 의해 흡수될 때 발생할 수 있으며, 이는 중성자-소모 물질(210)에서 방사능(예를 들어, 알파 감쇠, 베타 감쇠, 감마 감쇠)이 발생하게 한다. 특히, 중성자-소모 물질(210)은 베타 감쇠 프로세스에서 중성자 활성화를 겪을 수 있다. 중성자-소모 물질(210)이 중성자(204)를 흡수할 때, 중성자-소모 물질(210)은 베타 감쇠를 겪는다. 따라서, 중성자-소모 물질(210)은 중성자 활성화에 의해 플라즈마(104)에 진입하는 베타 감쇠 입자들(310)을 생성할 수 있다.
도 4는 HITEC 시스템(예를 들어, HITEC 시스템(300))을 사용하는 연료 전지(400)를 도시한다. 연료 전지(400)는 이미터(102), 플라즈마(104), 콜렉터(106), 중성자 완화 물질(408), 및 연료(410)를 포함할 수 있다. 연료(410)는 중성자 소모 물질(210), 및 중성자 완화 물질(408), 및 순 중성자를 생성하지 않고 중성자를 베타 감쇠 입자(310)로 변환할 수 있는 비율의 중성자 생성 물질(306)을 포함할 수 있다. 연료(410)는, 베타 감쇠 입자들(310)이 연료(410)를 탈출하고 이온화를 위해 플라즈마(104)에 진입하는 것을 허용하면서, 연료(410) 내에 핵분열 파편들(208)을 보유하는 얇은 클래딩(412)을 포함할 수 있다. 연료(410) 내에 핵분열 파편들(208)을 보유함으로써, 얇은 클래딩(412)은 핵분열 파편들(208)이 이온화를 위해 플라즈마(104)로 들어가는 것을 방지하여, 베타 감쇠 입자(310)가 플라즈마(104)를 이온화시키는 것을 여전히 허용하면서, 앞서 설명된 중성 중금속 입자의 축적을 방지한다. 일부 구현들에서, 얇은-클래딩(412)의 두께(T1)는 15미크론 미만이다. 특히, 얇은 클래딩의 두께(T1)는 10 미크론 내지 100 미크론일 수 있다. 일부 구현들에서, 얇은 클래딩의 두께(T1)는 10 미크론과 실질적으로 동일하다(+/-10 퍼센트). 특히, 클래딩(412)의 두께(T1)는 연료(410)의 두께(T2)의 0.25% 내지 1.25%일 수 있다. 일부 예에서, 클래딩(412)의 두께(T1)는 연료(410)의 두께(T2)의 0.5% 내지 1%이다. 이와 관련하여, 베타 입자들(310)의 범위는 핵분열 파편들(208)의 범위보다 2 내지 3 차수(two to three orders of magnitude) 더 클 수 있어서, 얇은 클래딩(412), 특히 두께(T2)에 대한 두께(T1)의 비율은 연료 요소(410) 내에서의 핵분열 파편들(208)의 보유 및 이의 이온화를 위한 플라즈마(104)로의 베타 입자(310)의 릴리스를 허용하고, 이는 결국 시스템(200)에 대한 연료 전지(400) 및 시스템(300)의 효율을 증가시킨다.
중성자 완화 물질(408)은 또한 중성자(예를 들어, 그래파이트)를 흡수하지 않는 경량 물질을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 연료(410)는 연료 전지(400)의 중앙 부분에 배치될 수 있다. 이미터(102)는 연료(410) 주위에 배치(예를 들어, 감싸며)될 수 있다. 플라즈마(104)는 이미터(102) 주위에 배치(예를 들어, 감싸며)되어 이미터(102)가 연료(410)와 플라즈마(104) 사이에 배치될 수 있다. 콜렉터(106)는 플라즈마(104) 주위에 배치(예를 들어, 감싸며)되어 플라즈마(104)가 콜렉터(106)와 이미터(102) 사이에 배치될 수 있다. 중성자 완화 물질(408)은 콜렉터(106) 주위에 배치(예를 들어, 감싸는)될 수 있다. 클래딩(412)은 연료(410) 주위에 그리고 연료(410)와 이미터(102) 사이에 배치될 수 있다.
연료 전지(400)는 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 전자들(112)을 전도함으로써 전기 에너지를 생성할 수 있다. 플라즈마(104)는 이미터(102) 및 콜렉터(106) 사이에 존재하여 전도성 매체로 작용할 수 있다. 이와 관련하여, 플라즈마(404)가 전자들(112)을 전도하기 위해, 플라즈마(104)는 이온화되어야만 하는데, 이는 비이온화 상태의 플라즈마(404)가 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 전자들(112)을 전도하지 않기 때문이다. 이온화될 때, 플라즈마(104)는 전자들(112)이 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 흐르게 할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 연료 전지(400)는 플라즈마(404)를 이온화하기 위해 HITEC 시스템(300)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 중성자 소스(202)는 앞서 설명한 것과 같이, 핵분열 공정을 겪는 중성자들(204)을 생성할 수 있다. 중성자 완화 물질(408)은 중성자들(204)이 추가적인 핵분열 프로세스를 겪을 가능성을 증가시키기 위해 핵분열 프로세스로부터 태어난 중성자들(204)이 이동하는 속도를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 핵분열 연쇄 반응을 야기한다. 핵분열 프로세스는 베타 감쇠 입자들(310)을 창출하기 위해 추가로 붕괴되는 핵분열 파편들(208)을 창출한다. 베타 감쇠 프로세스는 전술한 바와 같이 베타 감쇠 입자(310)를 릴리스함으로써 중성자(204)를 양성자(312)로 변환한다. 이어서, 베타 감쇠 입자(310)는 플라즈마(104)를 이온화하는데 사용되어, 플라즈마(104)를 이온화된 상태로 만들고, 따라서 플라즈마(104)를 전자들(112)이 통과하기 위한 전도성 매체로 만들 수 있다. 또한, 핵분열 파편들(208)은 열이온 방출을 위한 열을 생성한다. 핵분열 파편들(208)에 의해 생성된 열은 이미터(102)를 가열하여 더 많은 전자들(112)이 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 방출하게 한다.
도 5를 참조하면, HITEC의 방법(500)이 예시된다. 단계(502)에서, 방법(500)은 이미터(102)를 가열하여 이미터(102)로부터 플라즈마(104)로 전자들(112)을 릴리스시키는 열원을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 열원은 핵분열 파편들(208)에 의해 생성된 열을 포함한다. 플라즈마(104)는 이미터(102)로부터 콜렉터(106)로 전자들(112)을 전도하지 않는 사전-이온화된 상태에 있다. 단계(504)에서, 중성자 소스(202)는 중성자-생성 물질(206)에 의해 흡수되는 중성자를 생성한다. 단계(506)에서, 중성자-생성 물질(206)이 중성자를 흡수하면, 중성자-생성 물질(206)은 핵분열 파편들(208)로 분할되어 불안정하게 된다. 단계(508)에서, 핵분열에 의해 생성된 핵분열 파편(208)은 베타 감쇠 입자(310)을 릴리스하는 것에 의해 양성자(312) 내로 베타 감쇠한다. 단계(510)에서, 베타 감쇠 입자(310)는 얇은 클래딩(412)을 탈출하여 플라즈마(104)에 진입하고 이온화한다. 베타 감쇠 입자(310)에 의한 플라즈마(104)의 이온화는 플라즈마(104)의 음전하를 감소시켜, 추가적인 전자들(112)이 이미터(102)로부터 플라즈마(104) 내로 방출하는 것을 허용한다. 단계(512)에서, 이미터(102)로부터의 방출된 전자들(112)은 부하(110)를 구동할 수 있는 전기 에너지를 생성하도록 플라즈마(104)를 통해 콜렉터(106)로 전도한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 관사 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 달리 지시되지 않는 한, 복수의 형태도 포함하는 것으로 의도될 수 있다. 용어들 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "갖는(having)"은 포괄적이며, 따라서 특징들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 단계들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. 본 명세서에 설명된 방법 단계들, 프로세스들, 및 동작들은, 성능의 순서로서 구체적으로 식별되지 않는 한, 논의되거나 예시된 특정 순서로 그들의 성능을 반드시 요구하는 것으로 해석되지 않는다. 추가적인 또는 대안적인 단계들이 채용될 수 있다.
어떤 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층에 "위(on)"에, "맞물린(engaged to)", "연결된(connected to)", "부착된(attached to)" 또는 "결합된(coupled to)"이라고 언급된 때에는, 그 요소 또는 층은 직접 다른 요소 또는 층에 있거나, 맞물거나, 연결되거나, 부착되거나, 결합될 수 있거나, 개재 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 반면에, 어떤 요소가 다른 요소 또는 층에 "직접 위에(directly on)", "직접 맞물린(directly engaged)", "직접 연결(directly connected)", "직접 부착(directly attached)" 또는 "직접 결합(directly coupled)"되어 있다고 언급된 때에는, 그 사이에 어떤 요소나 층도 존재하지 않을 수 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하는 데 사용되는 다른 단어들은 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예를 들어, "사이(between)" 대 "직접 사이(directly between)", "인접(adjacent)" 대 "직접 인접(directly adjacent)" 등). 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거된 아이템들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
제1, 제2, 제3 등의 용어는 본 명세서에서 다양한 요소들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이들 요소들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않아야 한다. 이들 용어는 하나의 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "제1", "제2", 및 다른 수치 용어들과 같은 용어들은 문맥에 의해 명확하게 지시되지 않는 한 시퀀스 또는 순서를 의미하지 않는다. 따라서, 이하에서 논의되는 제1 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션은 예시적인 구성들의 교시들을 벗어나지 않고 제2 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 그것은 총망라하거나 본 개시를 제한하기 위한 것이 아니다. 특정 구성의 개별 요소들 또는 특징들은 일반적으로 그 특정 구성으로 제한되지 않지만, 적용가능한 경우, 구체적으로 도시되거나 설명되지 않더라도, 상호교환가능하고 선택된 구성에서 사용될 수 있다. 이는 또한 많은 방식으로 변경될 수 있다. 이러한 변형들은 본 개시로부터 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 모든 이러한 수정들은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 핵 연료 전지로서,
    순 중성자-생성 물질;
    중성자-소모 물질; 및
    중성자-완화 물질을 포함하고,
    상기 순 중성자-생성 물질, 상기 중성자-완화 물질, 및 상기 중성자-소모 물질이 중성자 소스에 노출될 시, 상기 순 중성자-생성 물질 대 (i) 상기 중성자-소모 물질 및 (ii) 상기 중성자-완화 물질의 비율이 순 중성자들을 생성하는 것 없이 중성자들을 하전 입자들로 변환하도록 동작가능한,
    핵 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질은 핵분열성(fissile)인, 핵 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질은 핵 연료성인(fertile), 핵 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질은 핵분열을 겪는, 핵 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중성자-소모 물질은 중성자 활성화를 겪는, 핵 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 중성자-소모 물질은 베타 감쇠(beta decay) 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는, 핵 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질 대 상기 중성자-소모 물질의 비율은 플라즈마를 이온화하기 위해 하전 입자들을 생성할 수 있는, 핵 연료 전지.
  8. 전기 생산 방법으로서, 상기 방법은,
    제1 물질로 복수의 중성자들을 생성하는 단계;
    상기 복수의 중성자들 중 적어도 하나를 제2 물질로 소모하는 단계;
    제3 물질로 상기 복수의 중성자들의 양을 완화하는 단계;
    상기 제1 물질, 상기 제2 물질, 및 상기 제3 물질을 중성자 소스에 노출시키는 단계; 및
    중성자를 생성하지 않고 상기 복수의 중성자들 중 적어도 하나를 하전 입자로 전환하는 단계를 포함하는,
    방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 물질은 핵분열성인, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 물질은 핵 연료성인, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 물질은 핵분열을 겪는, 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제2 물질은 중성자 활성화를 겪는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 물질은 베타 감쇠 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는, 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 하전 입자로 플라즈마를 이온화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 핵 연료 전지로서,
    두께(T1)를 정의하는 순 중성자-생성 물질;
    중성자-소모 물질;
    중성자-완화 물질; 및
    상기 순 중성자-생성 물질을 둘러싸고 제2 두께(T2)를 정의하는 클래딩을 포함하고,
    상기 두께(T2)에 대한 상기 두께(T1)의 비율은 이미터로부터 콜렉터로의 전자들의 투과율을 증가시키도록 동작가능한,
    핵 연료 전지.
  16. 제15항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질이 핵분열성인, 핵 연료 전지.
  17. 제15항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질은 핵 연료성인, 핵 연료 전지.
  18. 제15항에 있어서, 상기 순 중성자-생성 물질이 핵분열을 겪는, 핵 연료 전지.
  19. 제15항에 있어서, 상기 중성자-소모 물질이 중성자 활성화를 겪는, 핵 연료 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 중성자-소모 물질은 베타 감쇠 프로세스에서 중성자 활성화를 겪는, 핵 연료 전지.
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