KR20230121813A - 원자력 배터리들의 제조 방법들 - Google Patents

원자력 배터리들의 제조 방법들 Download PDF

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KR20230121813A
KR20230121813A KR1020237023654A KR20237023654A KR20230121813A KR 20230121813 A KR20230121813 A KR 20230121813A KR 1020237023654 A KR1020237023654 A KR 1020237023654A KR 20237023654 A KR20237023654 A KR 20237023654A KR 20230121813 A KR20230121813 A KR 20230121813A
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KR
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layer
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electrical insulator
radiation
radiation source
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KR1020237023654A
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Inventor
마이클 디 하이벨
센크 굴러
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21H—OBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00—Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/02—Cells charged directly by beta radiation
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings

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Abstract

원자력 배터리들의 제조 방법들이 제공된다. 이 방법은 방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트 내에 정의된 캐버티에 방사선 소스 물질을 삽입하는 단계를 포함한다. 제1 컴포넌트는 캐버티를 정의하는 제1 전기 절연체 층 및 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 케이싱 층을 포함한다. 이 방법은 제1 케이싱 층을 제2 컴포넌트의 제2 케이싱 층과 접촉시켜 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 제2 컴포넌트는 제2 전기 절연체 층 및 제2 전기 절연체 층과 접촉하여 배치된 제2 케이싱 층을 포함한다. 이 방법은 어셈블리를 스웨이징하여 원자력 배터리를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

원자력 배터리들의 제조 방법들
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 2021년 12월 17일 출원된 발명의 명칭이 "METHODS OF MANUFACTURE FOR NUCLEAR BATTERIES"인 미국 특허 출원 제17/125,356호에 대해 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 우선권을 주장한다.
방사성 동위원소 열 생성기(RTG; Radioisotope Thermal Generator)들은 열을 생성하고 열전쌍(thermocouple)들을 이용하여 열을 전기로 변환한다. 플루토늄-238은 바람직한 반감기가 87.7년이고 플루토늄-238은 플루토늄-238을 둘러싼 물질에서 빠르게 감속하여 열을 생성하는 알파 방사선을 방출하기 때문에, 전형적으로 RTG에서 이용되어 왔다. 추가로, Plutonium-238은 본질적으로 어떠한 감마 방사선도 생성하지 않으며 알파 방사선의 감속은 본질적으로 감마 방사선을 생성하지 않으므로, Plutonium-238 구동형 RTG들은 사람 및/또는 방사선에 민감한 전자회로들에 매우 근접하여 이용되는 것을 허용하기 위해 필요한 방사선 차폐를 최소화한다. 그러나, Plutonium-238로 RTG들을 제조하는데에는 어려움이 따른다.
본 개시내용은 원자력 배터리의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은 방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트 내에 정의된 캐버티에 방사선 소스 물질을 삽입하는 단계를 포함한다. 제1 컴포넌트는 캐버티를 정의하는 제1 전기 절연체 층 및 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 케이싱 층을 포함한다. 이 방법은 제1 케이싱 층을 제2 컴포넌트의 제2 케이싱 층과 접촉시켜 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 제2 컴포넌트는 제2 전기 절연체 층 및 제2 전기 절연체 층과 접촉하여 배치된 제2 케이싱 층을 포함한다. 이 방법은 어셈블리를 스웨이징(swaging)하여 원자력 배터리를 형성하는 단계를 포함한다.
본 개시내용은 또한, 원자력 배터리를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 제1 컴포넌트의 부모 동위원소 물질에 조사하여 방사선 소스 층을 형성하는 단계를 포함한다. 제1 컴포넌트는, 부모 동위원소 물질, 부모 동위원소 물질 위에 배치된 제1 전기 절연체 층, 및 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 케이싱 층을 포함한다. 이 방법은, 방사선 소스 층을 포함하는 제1 컴포넌트를 제2 컴포넌트 내에 정의된 캐버티에 삽입하여 서브어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 제2 컴포넌트는, 캐버티를 정의하는 제3 전기 절연체 층 및 제3 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층을 포함한다. 이 방법은 제2 컴포넌트의 제1 방사선 차폐 층을 제3 컴포넌트의 제2 방사선 차폐 층과 접촉시켜 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 제3 컴포넌트는 제2 전기 절연체 층 및 제2 전기 절연체 층과 접촉하는 제2 방사선 차폐 층을 포함한다. 이 방법은 제1 방사선 차폐 층과 제2 방사선 차폐 층을 함께 용접하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 어셈블리를 스웨이징하여 원자력 배터리를 형성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 설명된 발명들은 본 요약에서 요약된 예들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다양한 다른 양태들이 여기서 설명되고 예시된다.
예들 피처들 및 이점들, 및 이들을 달성하는 방식이 더욱 명백해질 것이며, 예들은 첨부된 도면과 연계하여 취해진 예들에 대한 이하의 설명을 참조함으로써 더 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 개시내용에 따른 원자력 배터리의 부분 측단면도이다.
도 2는 본 개시내용에 따른 원자력 배터리 어셈블리의 부분 측단면 분해도이다.
도 3은 본 개시내용에 따른 원자력 배터리의 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 본 개시내용에 따른 원자력 배터리 어셈블리의 부분 측단면 분해도이다.
도 5는 본 개시내용에 따른 원자력 배터리의 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 제거가능한 컨테이너에 있는 도 4의 원자력 배터리 어셈블리의 제1 컴포넌트의 부분 단면 상면도이다.
여기서 개시된 예시들은 소정의 예들을 하나의 형태로 예시하며, 이러한 예시들은 어떠한 방식으로도 예들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
여기서 개시된 조성물의 원리들, 기능, 제조, 및 조성물들과 방법들의 이용에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 본 개시내용의 소정의 예시적 양태들이 이제 설명될 것이다. 이들 양태들의 예 또는 예들이 첨부된 도면에 예시되어 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 본 명세서에서 구체적으로 설명되고 첨부된 도면에 예시된 조성물들, 물품들, 및 방법들은 비제한적인 예시적 양태들이며 본 발명의 다양한 예의 범위가 청구항들에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 양태와 연계하여 예시되거나 설명된 피처들은 다른 양태들의 피처들과 조합될 수 있다. 이러한 수정들 및 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
명세서 전반에 걸쳐 "다양한 예", "일부 예", "하나의 예", "한 예" 등에 대한 언급은, 그 예와 관련하여 설명된 특정한 피처, 구조, 또는 특성이 한 예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 "다양한 예에서", "일부 예에서", "하나의 예에서", "한 예에서" 등의 문구들의 등장들이 반드시 모두 동일한 예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정한 피처들, 구조들, 또는 특성들은 한 예 또는 예들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 따라서, 하나의 예와 관련하여 예시되거나 설명된 특정한 피처들, 구조들, 또는 특성들은 제한없이 또 다른 예 또는 다른 예들의 피처들, 구조들, 또는 특성들과 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다. 이러한 수정들 및 변형들은 본 예들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
전형적으로 RTG들은 플루토늄-238로부터의 알파 방사선 감속에 의해 생성된 열 에너지로부터만 전기 에너지를 생성한다. 그러나, 플루토늄-238은 바람직하지 않은 연료일 수 있다. 또한, 베타 방출 조성물들은 이전에는 이용되지 않았는데, 이것은, 베타 방사선이, 바람직하지 않을 수 있고 바람직하지 않은 큰 방사선 차폐 층을 요구할 수 있는 Bremsstrahlung 방사선 방출들(예컨대, 감마 방사선)을 생성할 수 있기 때문이다. 또한, RTG들의 전력 밀도를 증가시키는 것이 어려웠다. 따라서, 본 발명자들은, 먼저 베타 방사선으로부터 열 에너지를 생성하거나, RTG들의 전력 밀도를 증가시키거나, 및/또는 전기 차폐 요건들을 감소시킬 필요없이, 베타 방사선 방출들로부터 직접 전기 에너지를 생성할 수 있는 원자력 배터리들을 제조하는 방법을 제공하였다. 다양한 예에서, 원자력 배터리는 베타 방사선과 열 에너지 양쪽 모두로부터 직접 전기 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 여기서 제공된 원자력 배터리들을 제조하는 방법들은 작업자의 방사선 노출을 감소시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 원자력 배터리(100)가 제공된다. 원자력 배터리(100)는, 방사선 소스 층(102), 제1 전기 절연체 층(104), 케이싱 층(106), 제1 전극(108), 및 제2 전극(110)을 포함한다. 일부 예에서, 원자력 배터리(100)는, 선택사항으로서, 제2 전기 절연체 층(112), 방사선 차폐 층(114), 열 에너지 수확 디바이스(116), 및 단열층(118)을 포함한다.
원자력 배터리(100)는, 배터리 플레이트, 막대(rod), 또는 기타의 형상으로서 구성될 수 있다. 다양한 예에서, 원자력 배터리(102)는 도 1에 도시된 바와 같은 단일 배터리 플레이트 또는 여러 배터리 플레이트(미도시)를 포함할 수 있다. 원자력 배터리(100)의 막대 형상의 구성에서, 층들(102, 104, 106, 112, 114, 및 118) 각각은 도 1에 도시된 바와 같은 수직 단면을 가질 수 있다. 막대의 길이를 제어하여 원하는 양의 전력을 생산할 수 있다. 막대 형상은 원하는 출력을 달성하는데 요구되는 공간을 최소화하기 위해 나선형 막대 형상일 수 있다.
방사선 소스 층(102)은 베타 방사선을 방출하도록 구성가능한 조성물을 포함한다. 예를 들어, 방사선 소스 층(102)은, 툴륨, 툴륨 동위원소, 스트론튬, 스트론튬 동위원소, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 소정의 예들에서, 방사선 소스 층(102)은 베타 방사선을 방출하는 방사성 동위원소를 포함한다. 방사선 소스 층(102)은 플레이트 형상 또는 막대 형상일 수 있다. 방사선 소스 층(102)은 방출될 베타 방사선의 원하는 양에 기초한 두께로 생성될 수 있다. 예를 들어, 방사선 소스 층(102)은 두께가 1 mm일 수 있다. 방사선 소스 층(102)의 치수들은 요구되는 양의 전력을 생성하도록 크기조정될 수 있다.
제1 전기 절연체 층(104)은 방사선 소스 층(102) 위에 배치된다. 예를 들어, 제1 전기 절연체 층(104)은 방사선 소스 층(102)과 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 제1 전기 절연체 층(104)은, 방사선 소스 층(102)과 케이싱 층(106) 사이에 원하는 전기 저항을 제공하기에 적합한 조성물 및 두께를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전기 절연체 층은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 제1 전기 절연체 층은, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 다이아몬드, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
케이싱 층(106)은 제1 전기 절연체 층(104) 위에 배치된다. 예를 들어, 케이싱 층(106)은 제1 전기 절연체 층(104)과 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 케이싱 층(106)은, 케이싱 층(106)을 통한 베타 방사선의 통과를 금지(예를 들어, 베타 방사선을 느리게)하도록 구성된 조성물 및 두께를 포함한다. 예를 들어, 케이싱 층(106)은, 예를 들어 원자 번호가 13 이하인 금속, 또는 원자 번호가 13 이하인 1차 금속(primary metal)과의 금속 합금 등의, 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 케이싱 층은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 베릴륨, 또는 베릴륨 합금을 포함할 수 있다. 케이싱 층(106)이 원자 번호 13 이하인 금속을 갖는 조성물을 포함하는 예에서, 있다면, 케이싱 층(106)을 통한 베타 방사선 통과의 억제로 인해 생성된 Bremsstrahlung 방사선이 최소한으로 존재할 수 있다. 따라서, 방사선 차폐 층(114)의 크기가 감소될 수 있다.
제1 전극(108)은 방사선 소스 층(102)과 전기적으로 통한다. 제1 전극(108)은, 케이싱 층(106), 방사선 차폐 층(114), 및 방사선 소스 층(102)외에도 원자력 배터리(110) 내의 임의의 다른 전기 전도성 층들로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 다양한 예에서, 제1 전극(108)은 양의 극성을 갖는다.
제2 전극(110)은 케이싱 층(106)과 전기적으로 통한다. 제2 전극(110)은 방사선 차폐 층(114) 및 방사선 소스 층(102)으로부터 전기적으로 절연된다. 다양한 예에서, 제2 전극(110)은 음의 극성을 갖는다.
방사선 소스 층(102)에 의해 방출된 베타 방사선은, 먼저 열 에너지를 생성할 필요없이 전기 에너지를 생성하기 위해 직접 이용될 수 있다. 예를 들어, 방사선 소스 물질(102)에 의해 방출된 베타 방사선은 제1 전기 절연체 층(104)을 통해 케이싱 층(106)으로 이동할 수 있다. 베타 방사선의 통과는 방사선 소스 층(102)과 케이싱 층(106) 사이에 전압 퍼텐셜을 생성할 수 있다. 예를 들어, 베타 방사선은 케이싱 층(106)으로 전달될 수 있는 전자들을 포함할 수 있다.
제1 전기 절연체 층(104)은, 방사선 소스 물질(102)과 케이싱 층(106) 사이에 바람직한 전기 저항을 생성하는 한편 전압 퍼텐셜이 생성될 수 있도록 제1 전기 절연체 층(104)을 통한 베타 방사선의 통과를 가능케하는 두께로 구성될 수 있다. 따라서, 제1 전극(108)과 방사선 소스 층(102) 사이의 전기적 연통 및 제2 전극(110)과 케이싱 층(106) 사이의 전기적 연통으로 인해, 방사선 소스 층(102)이 베타 방사선을 방출할 때 제1 전극(108)과 제2 전극(110) 사이에 전압 퍼텐셜이 존재한다. 전형적인 RTG들에서 이용되는 알파 방사선 방출기들은, 알파 방사선이 고체 물질들에서 매우 짧은 거리만 이동하기 때문에 바람직한 전압 퍼텐셜을 달성할 수 없다.
제2 전기 절연체 층(112)은 케이싱 층(106) 위에 배치된다. 예를 들어, 제2 전기 절연체 층(112)은 케이싱 층(106)과 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 제2 전기 절연체 층(112)은, 방사선 차폐 층(114)이 케이싱 층(106)과 방사선 소스 층(102) 사이에 생성된 전기 퍼텐셜을 간섭하지 못하도록 케이싱 층(106)과 방사선 차폐 층(114) 사이에 원하는 전기 저항을 제공하기에 적합한 조성물 및 두께를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 전기 절연체 층(112)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 제2 전기 절연체 층(112)은, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 다이아몬드, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2 전기 절연체 층(112)은 열 전도성일 수 있다. 따라서, 베타 방사선의 통과 억제에 의해 케이싱 층(106)에서 발생된 열은 방사선 차폐 층(114)에 전도된다.
방사선 차폐 층(114)은 제2 전기 절연체 층(112) 위에 배치된다. 예를 들어, 방사선 차폐 층(114)은 제2 전기 절연체 층(112)과 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 방사선 차폐 층(114)은 감마 방사선이 방사선 차폐 층(114)을 통과하는 것을 억제하기에 적합한 조성물 및 두께를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방사선 차폐 층(114)은 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 방사선 차폐 층(114)은, 텅스텐, 텅스텐 합금, 철, 철 합금, 우라늄, 우라늄 합금, 또는 우라늄 화합물을 포함할 수 있다. 방사선 차폐 층(114)은 케이싱 층(106)과 열적으로 통할 수 있다. 방사선 차폐 층(114)은, 케이싱 층(106)으로부터의 추가적인 베타 방사선 및/또는 Bremsstrahlung 방사선이 방사선 차폐 층(114)을 통과하는 것을 억제함으로써 열 에너지를 생성할 수 있다.
열 에너지 수확 디바이스(116)는 방사선 차폐 층(114)과 물리적으로 접촉하고, 방사선 차폐 층(114)으로부터 열 에너지를 수용하고 열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된다. 예를 들어, 열 에너지 수확 디바이스(116)는 열전쌍을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 방사선 차폐 층(114)으로부터의 열 에너지는 전형적인 RTG들에 의해 이용되는 방식으로 수확될 수 있다.
방사선 차폐 층(116)은 열에너지에 의해 가열될 수 있으므로, 단열 층(118)이 방사선 차폐 층(114) 위에 배치되어 원자력 배터리(100)로부터의 열 에너지의 대류 손실을 감소시킴으로써 원자력 배터리(100)의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 단열 층(118)은 방사선 차폐 층(116)과 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 단열 층(118)은, 유리섬유, 실리카, 탄소, 다른 단열 재료들, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
여기서 설명되는 바와 같이, 원자력 배터리(100)는, 열 에너지 수확 디바이스(116)를 이용하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 및 방사선 소스 층(102)으로부터의 베타 방사선의 방출로부터 직접, 전기 에너지를 생성할 수 있다. 원자력 배터리(100)는 제1 및 제2 전극들(108 및 110)로부터, 예를 들어 적어도 0.5 와트/cm3, 적어도 1 watt/cm3, 적어도 2 watt/cm3, 적어도 10 watts/cm3 또는 적어도 50 watt/cm3 등의, 원자력 배터리 체적의 입방 센티미터당 적어도 0.1와트(watt/cm3)를 출력하도록 구성될 수 있다.
원자력 배터리(100)는 실질적으로 일정한 전원이 요구되는 다양한 응용에서 이용될 수 있다. 원자력 배터리(100)는 군용 장비의 컴퓨터들 또는 통신 디바이스들에 전력을 공급하는데 이용될 수 있거나, 비행기들 또는 잠수함들 등의 무인 차량들에 전력을 공급하는데 이용될 수 있거나, 내부 난방 또는 냉방 등의 보조 기능들에 전력을 공급함으로써 더 긴 주행 거리를 제공하기 위해 전기 자동차들 등의 민수용으로 이용될 수 있다.
무인 차량들에 동력을 공급하는 것은 또한, 이들 차량들이 대개는 달성할 수 없는 조건들에서 작동하는 것을 허용할 수 있다. 원자력 배터리(100)는 동력을 공급하기 위해 현재 이용되는 연소 엔진과는 달리 공기(예컨대, 산소)를 필요로 하지 않기 때문에, 차량들은 더 높은 고도들 및/또는 더 낮은 온도들에서 이동할 수 있다.
도 2를 참조하면, 적어도 2개의 컴포넌트(예를 들어, 서브어셈블리들), 즉, 제1 컴포넌트(200a) 및 제2 컴포넌트(200b)를 포함하는 원자력 배터리 어셈블리(200)의 분해도가 제공된다. 제1 컴포넌트(200a)는, 캐버티(222)를 정의하는 제1 전기 절연체 층(204a), 및 제1 전기 절연체 층(204a) 위에 배치된 제1 케이싱 층(206a)을 포함한다. 캐버티(222)는 방사선 소스 물질을 수용하도록 크기조정된다. 예를 들어, 제1 전기 절연체 층(204a)은 관 형상(tubular shape)을 포함함으로써 원통 형상의 캐버티(222)를 정의할 수 있거나, 제1 전기 절연체 층(204a)은 박스 형상을 포함함으로써 직사각형 형상의 캐버티(222)를 정의할 수 있다.
선택사항으로서, 제1 컴포넌트(200a)는, 제1 케이싱 층(206a) 위에 배치된 제2 전기 절연체 층(212a), 제2 전기 절연체 층(212a) 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층(214a), 제2 전극(210), 및 제1 방사선 차폐 층(214a) 위에 배치된 제1 단열 층(218a)을 포함할 수 있다. 제2 전극(210)은 제1 케이싱 층(206)과 전기적으로 통하도록 구성될 수 있고, 제2 전기 절연체 층(212a)에 의해 제1 방사선 차폐 층(214a)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
제2 컴포넌트(200b)(예컨대, 커버, 밀봉 컴포넌트)는 제3 전기 절연체 층(214b) 및 제2 케이싱 층(206b)을 포함한다. 선택사항으로서, 제2 컴포넌트(200b)는, 제2 전기 절연체 층(212b) 위에 배치된 제2 방사선 차폐 층, 제1 전극(208), 및 제1 방사선 차폐 층(214b) 위에 배치된 제2 단열 층(218b)을 포함한다. 제1 전극(208)은 어셈블리(200)에서 방사선 소스 층(202)과 통하도록 구성될 수 있다. 조립 후, 방사선 소스 층이 베타 방사선을 방출할 때 제1 전극(208)과 제2 전극(210) 사이에는 전압 퍼텐셜이 존재한다.
도 3을 참조하면, 어셈블리(200)로부터 원자력 배터리를 생성하는 방법에 대한 플로차트가 제공된다. 단계 302에 나타낸 바와 같이, 이 방법은 부모 동위원소 물질에 조사하여 방사선 소스 물질을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부모 동위원소 물질은 조사에 의해 활성화된 중성자일 수 있으며, 예를 들어, 부모 동위원소는 조사에 의해 툴륨-170으로 활성화된 중성자일 수 있는 툴륨-169를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 조사는, 각각이 참조에 의해 본 명세서에 포함되는, 미국 특허 출원 번호 제2016/0012928호, 미국 특허 번호 제10,446,283호, 및/또는 미국 특허 번호 제10,714,222호에 따라 발생할 수 있다. 소정의 예들에서, 조사는 원자력 발전소의 원자로 내에서 발생할 수 있다.
단계 304에서, 이 방법은 제1 컴포넌트 내에 정의된 캐버티(222)에 방사선 소스 물질을 삽입하여 방사선 소스 층(202)을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 방사선 소스 물질은 제1 컴포넌트(200a)의 개구(224)를 통해 캐버티(222) 내에 삽입될 수 있다. 다양한 예에서, 방사선 소스 물질은, 분말, 와이어, 또는 이들의 조합이다. 예를 들어, 방사선 소스 물질은 분말일 수 있다.
단계 306에서, 제1 컴포넌트(200a)의 제1 케이싱 층(206a)은 제2 컴포넌트(200b)의 제2 케이싱 층(206b)과 접촉되어 어셈블리를 형성한다. 다양한 예에서, 제1 방사선 차폐 층(214a) 및 제2 방사선 차폐 층(214b)은 서로 접촉될 수 있고 제1 전극(208)과 방사선 소스 층(202) 사이의 전기적 연통이 확립될 수 있다. 예를 들어, 제2 컴포넌트(200b)와 제1 컴포넌트(200a)는 도 2에 도시된 바와 같이 배향될 수 있고 그들이 접촉할 때까지 서로를 향해 이동될 수 있다. 예를 들어, 제2 컴포넌트(200b)는, 방향(200)으로 제1 컴포넌트(200a)를 향해, 2개의 컴포넌트(200a, 200b)가 서로 접촉할 때까지 이동될 수 있다. 다양한 예에서, 제1 컴포넌트(200a)는 제2 컴포넌트(200b)를 향해 이동될 수 있다.
움직임에 관계없이, 제1 방사선 차폐 층(214a) 및 제2 방사선 차폐 층(214b)은, 단계 308에서 어셈블리(200) 내의 방사선 소스 층(202)을 밀봉하기 위해 함께 밀봉될 수 있다. 예를 들어, 제1 방사선 차폐 층(214a) 및 제2 방사선 차폐 층(214b)은, 레이저 용접, 마찰 용접, 또는 이들의 조합을 이용하여 함께 용접될 수 있다. 다양한 예에서, 제2 컴포넌트(200b)는 나사산(thread)들을 포함할 수 있고 제1 컴포넌트(200a)는 나사산들을 포함할 수 있으며, 여기서 2개의 컴포넌트(200a 및 200b)는 함께 나사결합된다. 어셈블리(200) 내의 방사선 소스 층(202)을 밀봉하는 것은, 환경 오염물들이 어셈블리(200)의 내부로 침투하는 것을 억제할 수 있고 방사선 소스 층이 어셈블리(200) 및 그로부터 생성된 원자력 배터리 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 제1 케이싱 층(206a)과 제2 케이싱 층(206b)은 함께 용접될 수 있다. 다양한 예에서, 나사산들을 이용하는 것은, 예를 들어 방사선 소스 층(202)의 방사선 출력이 원하는 레벨 아래로 떨어질 때 방사선 소스 층(202)의 교체를 가능케한다.
어셈블리(200)는 단계 310에서 원자력 배터리를 형성하도록 스웨이징될 수 있다. 다양한 예에서, 스웨이징은 어셈블리(200)의 단면 치수를 감소시키고 방사선 소스 층(202)과 제1 전기 절연체 층(204) 사이의 표면 접촉을 증가시켜, 방사선 소스 층(202)으로부터 제1 케이싱 층(206)으로의 베타 입자들의 수송을 방해할 갭을 최소화할 수 있다. 스웨이징은, 방사선 소스 층(202), 제1 전기 절연체 층(204), 및 제2 전기 절연체 층(212a)의 원하는 밀도 및 두께가 달성되는 것을 보장할 수 있다. 다양한 예에서, 어셈블리(200)는 종방향 축, 및 종방향 축을 향해 어셈블리(200)에 대한 스웨이징 적용된 압축물을 포함한다.
단계 312에서, 도 1에 도시된 열 에너지 수확 디바이스(116) 등의 열 에너지 수확 디바이스는, 열 수확 디바이스가 제1 방사선 차폐 층(214a)과 물리적으로 접촉하도록 원자력 배터리에 부착될 수 있다. 단계 312에서, 제1 전극(208) 및 제2 전극(210)에도 역시 배선이 부착될 수 있다.
도 4를 참조하면, 적어도 3개의 컴포넌트(예를 들어, 서브어셈블리들), 제1 컴포넌트(400a), 제2 컴포넌트(400b) 및 제3 컴포넌트(400c)를 포함하는 원자력 배터리 어셈블리(400)의 분해도가 제공된다. 제1 컴포넌트(400a)는, 부모 동위원소 물질(402), 부모 동위원소 물질(402) 위에 배치된 제1 전기 절연체 층(404), 및 제1 전기 절연체 층(404) 위에 배치된 케이싱 층(406)을 포함한다. 제1 컴포넌트(400a)는 또한, 부모 동위원소 물질(402) 및/또는 그로부터 형성된 방사선 소스 층과 제1 전극(408) 사이의 전기적 연통을 용이화하도록 구성된 전기 컨택트(436)를 포함한다. 전기 컨택트(436)는 케이싱 층(406)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
제2 컴포넌트(400b)는, 캐버티(426)를 정의하는 제2 전기 절연체 층(412a), 및 제3 전기 절연체 층(412b) 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층(414a)을 포함한다. 선택사항으로서, 제2 컴포넌트(400b)는, 제2 전극(410), 및 제1 방사선 차폐 층(414a) 위에 배치된 (도 4에는 도시되지 않은) 제1 단열 층을 포함한다. 제2 전극(410)은, 제1 컴포넌트(400a)가 캐버티(426)에 의해 수용될 때 케이싱 층(406)과 전기적으로 통하도록 구성된다.
제3 컴포넌트(400c)는, 제3 전기 절연체 층(412b), 및 전기 절연체 층(412b) 위에 배치된 제2 방사선 차폐 층(414b)을 포함한다. 선택사항으로서, 제3 컴포넌트(400c)는, 전기 컨택트(436)와 전기적으로 통하도록 구성된 제2 전극(408), 및 제2 방사선 차폐 층(414b) 위에 배치된 (도 4에는 도시되지 않은) 제2 단열 층을 포함한다.
도 5를 참조하면, 어셈블리(400)로부터 원자력 배터리를 제조하는 방법에 대한 플로차트가 제공된다. 단계 502에서, 부모 동위원소 물질(402)을 포함하는 제1 컴포넌트(400a)가 조사되어 방사선 소스 층을 형성한다. 부모 동위원소의 조사는 도 3의 단계 302와 유사하게 발생할 수 있다. 다양한 예에서, 제1 컴포넌트(400a)를 조사하는 동안 제1 컴포넌트(400a)는 제거가능한 컨테이너 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 컴포넌트(400a)는 원통 형상일 수 있고, 제거가능한 컨테이너(632)(예를 들어, 금속통)는 제1 컴포넌트(400a)를 수용하기에 적합한 원통 형상의 캐버티(634)를 정의할 수 있다. 제1 컴포넌트(400a)는 원통 형상의 캐버티(634)에 배치될 수 있고, 제1 컴포넌트(400a)를 포함하는 제거가능한 컨테이너(632)는 제1 컴포넌트(400a)를 조사하기 위해 원자로에 배치될 수 있다. 그 다음, 제1 컴포넌트(400a)는 원자로로부터 제거될 수 있고 추가적인 제조 단계들을 위해 준비될 수 있다. 부모 동위원소 물질(402)이 제1 컴포넌트(402)에 있는 동안 방사선 소스 층을 형성하는 것은, 방사선 소스 층이 케이싱 층(406)에 의해 제1 컴포넌트(400a) 내에서 이미 밀봉될 수 있기 때문에 후속 제조 단계들 동안 방사선 노출을 제한할 수 있다. 다양한 예에서, 부모 동위원소 물질(402)은, 와이어, 분말 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 부모 동위원소 물질(402)은 와이어일 수 있다.
단계 402에서 방사선을 용이화하기 위해, 케이싱 층(406)은 낮은 중성자 단면을 갖는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있어서, 결과적인 방사선 소스 층으로부터의 베타 방출들에 의해 야기되는 전압 퍼텐셜을 감소시킬 수 있는 케이싱에서의 방사성 동위원소들의 생성을 피할 수 있다. 추가로, 케이싱 층(406)의 금속 또는 금속 합금은, 장기간의 중성자 및 감마 방사선 노출 후에도 기계적 속성들을 크게 변화시키지 않는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 케이싱 층(406)은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 베릴륨, 또는 베릴륨 합금을 포함할 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 단계 502에서의 조사 후에, 제1 컴포넌트(400a)는 제2 컴포넌트(400b) 내에 정의된 캐버티(426)에 삽입되어 서브어셈블리를 형성할 수 있다. 제2 컴포넌트(400b)의 제1 방사선 차폐 층(414a)과 제3 컴포넌트(400c)의 제2 방사선 차폐 층(414b)은 단계 506에서 어셈블리(400)를 형성하기 위해 함께 접촉될 수 있다. 제1 방사선 차폐 층(414a) 및 제2 방사선 차폐 층(414b)은, 단계 308에서의 프로세스와 유사하게, 단계 508에서 함께 밀봉될 수 있다.
어셈블리(400)는 단계 510에서 원자력 배터리를 형성하도록 스웨이징될 수 있다. 다양한 예에서, 스웨이징은 어셈블리(400)의 단면 치수를 감소시키고 케이싱 층(406)과 제2 전기 절연체 층(412a) 사이의 표면 접촉을 증가시켜, 원자력 배터리의 동작 동안에 제1 컴포넌트(400a)로부터 방사선 차폐 층(414a)으로의 열 전달을 증가시킬 수 있다. 스웨이징은, 방사선 소스 층(402), 제1 전기 절연체 층(404), 및 제2 전기 절연체 층(412a)의 원하는 밀도 및 두께가 달성되는 것을 보장할 수 있다.
단계 512에서, 도 1에 도시된 열 에너지 수확 디바이스(116) 등의 열 에너지 수확 디바이스는, 열 수확 디바이스가 제1 방사선 차폐 층(414a)과 물리적으로 접촉하도록 원자력 배터리에 부착될 수 있다. 단계 512에서, 제1 전극(408) 및 제2 전극(410)에도 역시 배선이 부착될 수 있다.
본 개시내용에 따른 원자력 배터리를 제조하는 방법들은 베타 방사선 기반의 원자력 배터리가 안전하고 효율적으로 제조될 수 있게 한다. 본 개시내용에 따른 원자력 배터리를 제조하는 방법들은 원자력 배터리 주변에서 최종 조립 작업들을 수행하는 작업자들의 방사선 노출을 최소화할 수 있다.
본 개시내용에 따른 본 발명의 다양한 양태는, 이하의 번호가 매겨진 조항들에 열거된 양태들을 포함하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
조항 1. 원자력 배터리를 제조하는 방법으로서, 방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트 내에 정의된 캐버티 내에 방사선 소스 물질을 삽입하는 단계, ―상기 제1 컴포넌트는, 상기 캐버티를 정의하는 제1 전기 절연체 층; 및 상기 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 케이싱 층을 포함함―; 상기 제1 케이싱 층을 제2 컴포넌트의 제2 케이싱 층과 접촉시켜 어셈블리를 형성하는 단계, ―상기 제2 컴포넌트는, 제2 전기 절연체 층; 및 상기 제2 전기 절연체 층과 접촉하여 배치된 상기 제2 케이싱 층을 포함함―; 및 상기 어셈블리를 스웨이징하여 상기 원자력 배터리를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
조항 2. 제1 조항에 있어서, 상기 방사선 소스 물질은, 툴륨, 툴륨 동위원소, 스트론튬, 스트론튬 동위원소, 또는 이들의 조합을 포함하고; 상기 제1 및 제2 케이싱 층 각각은 금속 또는 금속 합금을 포함하고; 상기 제1 및 제2 전기 절연체 층 각각은 금속 산화물을 포함하는, 방법.
조항 3. 제1 조항 또는 제2 조항에 있어서, 상기 제1 및 제2 케이싱 층들은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 베릴륨, 또는 베릴륨 합금을 포함하는, 방법.
조항 4. 제1 조항 내지 제3 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기 절연체 층들 각각은, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 다이아몬드, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
조항 5. 제1 조항 내지 제4 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방사선 소스 물질은, 분말, 와이어, 또는 이들의 조합인, 방법.
조항 6. 제1 조항 내지 제5 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방사선 소스 물질을 생성하기 위해 부모 동위원소 물질에 조사하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항 7. 제1 조항 내지 제6 조항 중 어느 하나에 있어서, 스웨이징은 상기 어셈블리의 단면 치수를 감소시키고 상기 방사선 소스 층과 상기 제1 전기 절연체 층 사이의 표면 접촉을 증가시키는, 방법.
조항 8. 제1 조항 내지 제7 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 컴포넌트는, 상기 제1 케이싱 층 위에 배치된 제3 전기 절연체 층; 및 상기 제3 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층을 포함하고; 상기 제2 컴포넌트는, 상기 제2 전기 절연체 층 위에 배치된 제2 방사선 차폐 층을 포함하고; 상기 방법은 상기 어셈블리 내에서 상기 방사선 소스 층을 밀봉하기 위해 상기 제1 방사선 차폐 층 및 상기 제2 방사선 차폐 층을 함께 용접하는 단계를 더 포함하는, 방법.
조항 9. 제8 조항에 있어서, 상기 제1 컴포넌트는, 상기 제1 케이싱 층과 전기적으로 통하는 제1 전극; 및 상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제1 단열 층을 포함하고; 상기 제2 컴포넌트는, 상기 어셈블리에서 방사선 소스 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제2 전극, ―상기 방사선 소스 층이 베타 방사선을 방출할 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 전압 퍼텐셜이 존재함―; 및 상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제2 단열 층을 포함하는, 방법.
조항 10. 제8 조항 또는 제9 조항에 있어서, 열 수확 디바이스가 상기 제1 방사선 차폐 층과 물리적으로 접촉하도록 상기 열 에너지 수확 디바이스를 상기 원자력 배터리에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항 11. 제8 조항 내지 제10 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 방사선 차폐 층들 각각은, 텅스텐, 텅스텐 합금, 철, 철 합금, 우라늄, 또는 우라늄 합금을 포함하는, 방법.
조항 12. 제1 조항 내지 제11 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 원자력 배터리는 플레이트 형상 또는 막대 형상인, 방법.
조항 13. 원자력 배터리를 제조하는 방법으로서, 방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트의 부모 동위원소 물질에 조사하는 단계, ―상기 제1 컴포넌트는, 상기 부모 동위원소 물질; 상기 부모 동위원소 물질 위에 배치된 제1 전기 절연체 층; 및 상기 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 케이싱 층을 포함함―; 서브어셈블리를 형성하기 위해 제2 컴포넌트 내에 정의된 캐버티 내에 상기 방사선 소스 층을 포함하는 상기 제1 컴포넌트를 삽입하는 단계, ―제2 컴포넌트는, 상기 캐버티를 정의하는 제3 전기 절연체 층; 및 상기 제3 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층을 포함함―; 어셈블리를 형성하기 위해 상기 제2 컴포넌트의 상기 제1 방사선 차폐 층을 제3 컴포넌트의 제2 방사선 차폐 층과 접촉시키는 단계, ―상기 제3 컴포넌트는, 제2 전기 절연체 층을 포함하고, 상기 제2 방사선 차폐 층은 상기 제2 전기 절연체 층과 접촉함―; 상기 제1 방사선 차폐 층과 상기 제2 방사선 차폐 층을 함께 용접하는 단계; 및 상기 어셈블리를 스웨이징하여 상기 원자력 배터리를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
조항 14. 제13 조항에 있어서, 상기 방사선 소스 층은, 툴륨, 툴륨 동위원소, 스트론튬, 스트론튬 동위원소, 또는 이들의 조합을 포함하고; 상기 제1 및 제2 케이싱 층들 각각은 금속 또는 금속 합금을 포함하고; 상기 제1 및 제2 전기 절연체 층들 각각은 금속 산화물을 포함하고; 상기 제1 및 제2 방사선 차폐 층들 각각은, 텅스텐, 텅스텐 합금, 철, 철 합금, 우라늄, 또는 우라늄 합금을 포함하는, 방법.
조항 15. 제13 조항 또는 제14 조항에 있어서, 스웨이징은 상기 제2 어셈블리의 단면 치수를 감소시키고 상기 제1 케이싱 층과 상기 제3 전기 절연체 층 사이의 표면 접촉을 증가시키는, 방법.
조항 16. 제13 조항 내지 제15 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 컴포넌트는, 상기 어셈블리에서 상기 케이싱 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제1 전극; 및 상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제1 단열 층을 포함하고; 상기 제3 컴포넌트는, 상기 어셈블리에서 상기 방사선 소스 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제2 전극, ―상기 방사선 소스 층이 베타 방사선을 방출할 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 전압 퍼텐셜이 존재함―; 및 상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제2 단열 층을 포함하는, 방법.
조항 17. 제13 조항 내지 제16 조항 중 어느 하나에 있어서, 열 수확 디바이스가 상기 제1 방사선 차폐 층과 물리적으로 접촉하도록 상기 열 에너지 수확 디바이스를 상기 원자력 배터리에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항 18. 제13 조항 내지 제17 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 원자력 배터리는 플레이트 형상 또는 막대 형상인, 방법.
조항 19. 제13 조항 내지 제18 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 방사선 소스 층을 형성하기 위해 상기 제1 컴포넌트 내의 부모 동위원소 물질에 조사하는 동안 상기 제1 컴포넌트는 제거가능한 컨테이너 내에 배치되는, 방법.
조항 20. 제12 조항 내지 제19 조항 중 어느 하나에 있어서, 상기 부모 동위원소 물질은 원자력 발전소의 원자로 내부에서 조사되는, 방법.
개시된 방법들 및 시스템들을 포함하는 본 발명의 조성물, 구조, 생성, 기능, 및/또는 동작에 대한 이해를 제공하기 위해 다양한 피처들 및 특성들이 본 명세서에서 설명되었다. 본 명세서에서 설명된 본 발명의 다양한 피처 및 특성은, 이러한 피처들 및 특성들이 본 명세서에서 조합하여 명시적으로 설명되는지에 관계없이, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 발명자들과 출원인은, 피처들과 특성들의 이러한 조합들이 본 명세서에 설명된 발명의 범위 내에 포함되도록 명시적으로 의도한다. 따라서, 청구항들은, 본 명세서에서 명시적으로 또는 내재적으로 설명되거나, 또는 기타의 방식으로 명시적으로 또는 내재적으로 지원되는 임의의 피처들 및 특성들을 임의의 조합으로 기재하도록 수정될 수 있다. 또한, 출원인은, 선행 기술에 존재할 수 있는 피처들 및 특성들을, 이들 피처들 및 특성들이 본 명세서에서 명시적으로 설명되지 않은 경우에도, 긍정적으로 디스클레임(affirmatively disclaim)하기 위해 청구항들을 수정할 권리를 보유한다. 따라서, 임의의 이러한 보정은 명세서 또는 청구항들에 신규 사항을 추가하지 않으며, 서면 설명, 설명의 충분성, 및 추가되는 사항 요구조건들을 준수한다.
첨부된 청구항들에 관하여, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 기재된 동작들은 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 동작 흐름들이 순서(들)대로 제시되더라도, 이 다양한 동작이 예시된 것들과는 다른 순서들로 수행될 수 있거나 동시에 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 대안적 순서들의 예들로서는, 문맥상 달리 지시하지 않는 한, 중첩하는, 인터리빙된, 인터럽트된, 재정렬된, 점증적, 예비의, 보충적, 동시의, 반전된, 또는 기타의 변형적 순서들이 포함될 수 있다. 또한, "~에 응답하는", "~에 관련된", 또는 기타의 과거형 형용사들과 같은 용어들도, 문맥상 달리 지시하지 않는 한, 일반적으로 이러한 변형을 배제하도록 의도된 것은 아니다.
본 명세서에 설명된 발명(들)은 본 명세서에서 설명된 다양한 피처 및 특성들을 포함하거나, 이들로 구성되거나, 본질적으로 이들로 구성될 수 있다. 용어들 "포함하다(comprise)"(그리고, "포함한다(comprises)" 및 "포함하는(comprising)" 등의, 포함하다(comprise)의 임의의 형태), "갖다(have)"(그리고, "갖는다(has)" 및 "갖는(having)" 등의, 갖다(have)의 임의의 형태), "포함하다(include)"(그리고, "포함한다(includes)" 및 "포함하는(including)" 등의, 포함하다(include)의 임의의 형태) 및 "포함하다(contain)"(그리고, "포함한다(contains)" 및 "포함하는(containing)" 등의 포함하다(contain)의 임의의 형태)는 개방형 접속 동사이다. 따라서, 피처 또는 피처들 및/또는 특성들을 "포함하는(comprises, includes, contains)" 또는 "갖는(has)" 방법들 또는 시스템들은, 피처 또는 이들 피처들 및/또는 특성들을 소유하지만, 피처 또는 이들 피처들 및/또는 특성들만을 소유하는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 피처 또는 이들 피처들 및/또는 특성들을 "포함하는(comprises, includes, contains)" 또는 "갖는(has)" 조성물, 코팅, 또는 프로세스의 한 요소는, 피처 또는 이들 피처들 및/또는 특성들을 소유하지만, 피처 또는 이들 피처들 및/또는 특성들만을 소유하는 것으로 제한되지 않으며, 추가적인 피처들 및/또는 특성들을 소유할 수도 있다.
청구항들을 포함한 본 명세서에서 사용되는 문법적 관사들 "한(a)", "한(an)" 및 "그 하나(the)"는, 달리 나타내지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 포함하는 것으로 의도된다. 따라서, 관사들은 관사의 문법적 대상들 중 하나 또는 그 초과(즉, "적어도 하나")을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 예로서, "한 컴포넌트"는 하나 이상의 컴포넌트를 의미하고, 따라서 아마도 하나보다 많은 컴포넌트가 고려되고, 설명된 조성물들, 코팅들, 및 프로세스들의 구현에 채용되거나 이용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 어떤 경우에는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"이라는 용어들의 사용은, 그 용어들을 사용하지 않는 것이 문법적 관사들 "한(a)", "한(an)" 및 "그 하나(the)"의 대상들을 단 1개로 제한하는 어떠한 해석도 초래하지는 않을 것으로 이해해야 한다. 또한, 그 사용의 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 단수 명사의 사용은 복수를 포함하고, 복수 명사의 사용은 단수를 포함한다.
본 명세서에서, 달리 나타내지 않는 한, 모든 수치 파라미터는 모든 경우에서 용어 "약"이 서문에 붙어 한정되는 것으로 이해되어야 하며, 여기서 수치 파라미터들은 그 파라미터의 수치를 결정하는데 이용되는 기저 측정 기술들의 고유한 가변성 특성을 갖는다. 최소한, 및 청구항들의 범위에 대한 균등성의 원칙의 적용을 제한하려는 시도가 아니라, 본 명세서에서 설명된 각각의 수치 파라미터는 적어도, 보고된 유효 숫자의 수에 비추어 및 일반적인 반올림 기법들을 적용함으로써 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 임의의 수치 범위는 기재된 범위 내에 포함된 모든 하위범위를 포함한다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는, 기재된 최소값 1과 기재된 최대값 10 사이의(및 이들 끝값들을 포함), 즉, 최소값이 1 이상이고 최대값은 10 이하인 모든 하위범위를 포함한다. 또한, 본 명세서에 기재된 모든 범위는 기재된 범위들의 끝점들을 포함한다. 예를 들어, "1 내지 10" 범위는 끝점들 1과 10을 포함한다. 본 명세서에 기재된 임의의 최대 수치 한계는, 그 안에 포함된 모든 더 낮은 수치 한계를 포함하도록 의도되고, 본 명세서에서 기재된 임의의 최소 수치 한계는 그 안에 포함된 모든 더 높은 수치 한계를 포함하도록 의도된다. 따라서, 출원인은, 명시적으로 기재된 범위들 내에 포함된 임의의 하위범위를 명시적으로 기재하기 위해 청구항들을 포함한 본 명세서를 수정할 수 있는 권리를 보유한다. 이러한 모든 범위는 본 명세서에서 내재적으로 기술되어 있다.
특히, 층들과 관련하여 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "~ 상에", "~ 상으로", "~ 위에" 및 그 변형들(예를 들어, "~ 위에 도포된", "~ 위에 형성된", "~ 위에 퇴적된", "~ 위에 제공된", "~ 위에 위치하는" 등)은, 기판의 표면 위에 도포된, 형성된, 퇴적된, 제공된, 또는 기타의 방식으로 위치하지만, 반드시 기판의 표면과 접촉할 필요는 없음을 의미한다. 예를 들어, 기판 "위에 도포된" 층은 도포된 층과 기판 사이에 위치한 동일하거나 상이한 조성물의 또 다른 층 또는 다른 층들의 존재를 배제하지 않는다. 마찬가지로, 제1 층 "위에 도포된" 제2 층은, 도포된 제2 층과 도포된 제1 층 사이에 위치한 동일하거나 상이한 조성물의 또 다른 층 또는 다른 층들의 존재를 배제하지 않는다.
본 발명의 특정한 예들이 예시의 목적으로 위에서 설명되었지만, 첨부된 청구항들 정의된 본 발명으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 상세사항들의 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 원자력 배터리를 제조하는 방법으로서,
    방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트 내에 정의된 캐버티 내에 방사선 소스 물질을 삽입하는 단계, ―상기 제1 컴포넌트는, 상기 캐버티를 정의하는 제1 전기 절연체 층; 및 상기 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 케이싱 층을 포함함―;
    상기 제1 케이싱 층을 제2 컴포넌트의 제2 케이싱 층과 접촉시켜 어셈블리를 형성하는 단계, ―상기 제2 컴포넌트는, 제2 전기 절연체 층; 및 상기 제2 전기 절연체 층과 접촉하여 배치된 상기 제2 케이싱 층을 포함함―; 및
    상기 어셈블리를 스웨이징하여 상기 원자력 배터리를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 소스 물질은, 툴륨, 툴륨 동위원소, 스트론튬, 스트론튬 동위원소, 또는 이들의 조합을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 케이싱 층 각각은 금속 또는 금속 합금을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 전기 절연체 층들 각각은 금속 산화물을 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 케이싱 층들은, 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 베릴륨, 또는 베릴륨 합금을 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기 절연체 층들 각각은, 마그네슘 산화물, 알루미늄 산화물, 다이아몬드, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방사선 소스 물질은, 분말, 와이어, 또는 이들의 조합인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방사선 소스 물질을 생성하기 위해 부모 동위원소 물질에 조사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 스웨이징은 상기 어셈블리의 단면 치수를 감소시키고 상기 방사선 소스 층과 상기 제1 전기 절연체 층 사이의 표면 접촉을 증가시키는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컴포넌트는,
    상기 제1 케이싱 층 위에 배치된 제3 전기 절연체 층; 및
    상기 제3 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층을 포함하고;
    상기 제2 컴포넌트는,
    상기 제2 전기 절연체 층 위에 배치된 제2 방사선 차폐 층을 포함하고;
    상기 방법은 상기 어셈블리 내에서 상기 방사선 소스 층을 밀봉하기 위해 상기 제1 방사선 차폐 층 및 상기 제2 방사선 차폐 층을 함께 용접하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 컴포넌트는,
    상기 제1 케이싱 층과 전기적으로 통하는 제1 전극; 및
    상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제1 단열 층을 포함하고;
    상기 제2 컴포넌트는,
    상기 어셈블리에서 방사선 소스 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제2 전극, ―상기 방사선 소스 층이 베타 방사선을 방출할 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 전압 퍼텐셜이 존재함―; 및
    상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제2 단열 층을 포함하는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 열 수확 디바이스가 상기 제1 방사선 차폐 층과 물리적으로 접촉하도록 상기 열 에너지 수확 디바이스를 상기 원자력 배터리에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 방사선 차폐 층들 각각은, 텅스텐, 텅스텐 합금, 철, 철 합금, 우라늄, 또는 우라늄 합금을 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 원자력 배터리는 플레이트 형상 또는 막대 형상인, 방법.
  13. 원자력 배터리를 제조하는 방법으로서,
    방사선 소스 층을 형성하기 위해 제1 컴포넌트의 부모 동위원소 물질에 조사하는 단계, ―상기 제1 컴포넌트는, 상기 부모 동위원소 물질; 상기 부모 동위원소 물질 위에 배치된 제1 전기 절연체 층; 및 상기 제1 전기 절연체 층 위에 배치된 케이싱 층을 포함함―;
    서브어셈블리를 형성하기 위해 제2 컴포넌트 내에 정의된 캐버티 내에 상기 방사선 소스 층을 포함하는 상기 제1 컴포넌트를 삽입하는 단계, ―제2 컴포넌트는, 상기 캐버티를 정의하는 제3 전기 절연체 층; 및 상기 제3 전기 절연체 층 위에 배치된 제1 방사선 차폐 층을 포함함―;
    어셈블리를 형성하기 위해 상기 제2 컴포넌트의 상기 제1 방사선 차폐 층을 제3 컴포넌트의 제2 방사선 차폐 층과 접촉시키는 단계, ―상기 제3 컴포넌트는, 제2 전기 절연체 층을 포함하고, 상기 제2 방사선 차폐 층은 상기 제2 전기 절연체 층과 접촉함―;
    상기 제1 방사선 차폐 층과 상기 제2 방사선 차폐 층을 함께 용접하는 단계; 및
    상기 어셈블리를 스웨이징하여 상기 원자력 배터리를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방사선 소스 층은, 툴륨, 툴륨 동위원소, 스트론튬, 스트론튬 동위원소, 또는 이들의 조합을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 케이싱 층들 각각은 금속 또는 금속 합금을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 전기 절연체 층들 각각은 금속 산화물을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 방사선 차폐 층들 각각은, 텅스텐, 텅스텐 합금, 철, 철 합금, 우라늄, 또는 우라늄 합금을 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 스웨이징은 상기 제2 어셈블리의 단면 치수를 감소시키고 상기 제1 케이싱 층과 상기 제3 전기 절연체 층 사이의 표면 접촉을 증가시키는, 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 컴포넌트는,
    상기 어셈블리에서 상기 케이싱 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제1 전극; 및
    상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제1 단열 층을 포함하고;
    상기 제3 컴포넌트는,
    상기 어셈블리에서 상기 방사선 소스 층과 전기적으로 통하도록 구성된 제2 전극, ―상기 방사선 소스 층이 베타 방사선을 방출할 때 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 전압 퍼텐셜이 존재함―; 및
    상기 제1 방사선 차폐 층 위에 배치된 제2 단열 층을 포함하는, 방법.
  17. 제13항에 있어서, 열 수확 디바이스가 상기 제1 방사선 차폐 층과 물리적으로 접촉하도록 상기 열 에너지 수확 디바이스를 상기 원자력 배터리에 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 원자력 배터리는 플레이트 형상 또는 막대 형상인, 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 방사선 소스 층을 형성하기 위해 상기 제1 컴포넌트 내의 부모 동위원소 물질에 조사하는 동안 상기 제1 컴포넌트는 제거가능한 컨테이너 내에 배치되는, 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 부모 동위원소 물질은 원자력 발전소의 원자로 내부에서 조사되는, 방법.
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