KR20230172496A - 핵 타겟, 핵 반응을 유도하기 위한 방법 및 그 방법을 수행하는데 적합한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핵 타겟(1), 핵 반응을 유도하기 위한 방법 및 핵 반응을 유도할 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 핵 타겟(1)에는 발사체 입자(3)가 부착되는 중공부(12)가 구비된다. 중공부(12)에서, 발사체 입자(3)가 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와 상호 작용하거나, 발사체 입자(3)가 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란된다. 따라서, 핵 타겟(1), 방법 또는 장치는 핵 반응의 보다 효율적인 유도를 제공하고, 더 높은 방사성 동위원소 생산 수율을 제공한다. 다른 실시예에서, 핵 타겟(1)은 핵 폐기물 변환에 사용되는 수단으로서 또는 지속 가능한 발열 핵 반응의 수단으로서 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 핵 타겟, 핵 타겟에 의하여 핵 반응을 유도하기 위한 방법 및 제어된 핵 반응에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 동위원소를 생성하기 위한 방법은 레이저 구동 가속기를 사용하여 수행된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 발열 핵 반응 및 핵 에너지를 열로 변환하기 위한 방법, 방사성 동위원소, 특히 방사성 의약품을 생성하기 위한 방법 및 연소된 핵 연료를 처리하기 위한 방법, 더욱 구체적으로는 핵 융합 생성물의 변환을 위한 방법에 관한 것이다.
다른 실시예에서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 방법을 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
전리 방사선을 이용하는 의학, 에너지 또는 진단 방법에서 현재 활용되고 있는 복수의 방사성 동위원소가 있다. 일부 방사성 동위원소, 특히 의학에 사용되는 방사성 동위원소는 종종 상대적으로 짧은 반감기를 가진다. 따라서, 방사성 동위원소가 활용되도록 의도되는 특정 장소 또는 상대적으로 가까운 거리에 있는 장소에서 방사선 동위원소를 생산하기 위한 방법에 대한 일반적인 필요성이 있다. 한편, 235U의 핵 분열 반응의 생성물은 수십 년의 반감기를 가진다. 따라서, 핵 분열 반응의 최종 생성물인 방사성 재료(폐기물)를 변환시켜, 바람직하게는 폐기물이 활용되려는 장소 또는 그에 상대적으로 가까운 장소에서 폐기물을 처리하는 방법에 대한 필요성이 있다.
또한, 청정 에너지원을 제공해야 할 지속적인 요구가 있다. 이러한 청정 에너지원을 성취하는 한 가지 방법은 발열 핵 반응을 사용하는 것이다. 최신 기술에 따르면, 그로부터 에너지 생산을 성취하는 2가지 기술적 방향이 있다. 하나는 핵 분열이고, 다른 하나는 핵 융합이다.
레이저는 산업, 과학 및 엔지니어링 적용 분야에서 일반적으로 사용된다. 그러나, 아직 해결되어야 할 많은 기술적 격차가 여전히 있기 때문에, 제어된 핵 반응은 여전히 새롭다.
US 2016/0172065는 핵 타겟과, 이의 동위원소를 생성하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 타겟은 중공부(hollow)를 포함하고, 레이저 빔이 중공부 내로 집속되어, 핵 타겟의 표면에서 플라즈마를 생성한다. 그 다음, 타겟은 여전히 플라즈마 상태에 있는 동안 양성자와 같은 발사체 입자의 빔으로 조사된다. 타겟 재료와 입자의 유형은 핵 반응의 필요에 따라 선택된다. 개시된 예는, 예를 들어, 14N(p, α)11C; 11B(p, n)11C; 18O(p, n)18F; 20Ne(d, n)18F - 특허 출원에 의해 개시된 바와 같음 ; 16O(p, α)13N; 13C(p, n)13N; 14N(d, n)15O; 15N(p, n)15O.
US 2016/0172065에 따르면, 시스템은 다음을 포함한다:
1) 타겟을 플라즈마 상태로 변환하도록 구성된 수단; 예를 들어, 레이저 또는 Z-핀치;
2) 위에서 언급된 핵 반응을 유도하는 입자에 의해 타겟을 플라즈마 상태로 조사하도록 설정된 입자 소스; 및
3) 핵 반응에 의해 생성된 동위원소를 회수하도록 구성된 동위원소 회수 수단.
US 2016/0172065에 따른 시스템의 사용이 방사성 동위원소 생성을 위해 독점적으로 개시된다. 본 해결 방안은 또한 에너지 부담이 매우 크며 현재 기술 수준에서는 무손실 에너지 생성이 불가능하다.
고강도 레이저를 사용하여 제어된 핵 반응을 위한 고에너지 입자를 생성하기 위한 다른 개시된 해결 방안은 US 2002/0172317이다. 장치는 2개의 평면 타겟을 포함한다. 얇은 마일라(Mylar) 필름을 포함하는 기본 타겟에 레이저 빔이 조사된다. 레이저 충격 시, 제1 타겟은 2차 타겟을 향하여 방출되는 양성자나 중수소(deuteron)와 같은 에너지가 풍부한 입자를 방출한다. 2차 타겟은 10B를 포함하여, 1차 타겟으로부터 방출되는 양성자 또는 중수소 (radiation)로 인해 핵 반응을 유도한다.
핵 융합 반응을 제어하기 위한 개시된 핵 타겟, 장치 및 방법의 예는 EP2833365이다. 타겟은 평면형이며 2개의 층을 포함한다. 제1 층은 레이저 펄스 조사에 따라 양성자가 제2 층으로 방출되도록 수소가 풍부한 실리콘을 포함한다. 제2 층은 특정 실시예에서 발열 핵 반응을 유도하는 붕소를 포함한다.
또한, 핵 타겟의 엔벨로프의 압축이 레이저 방사의 메커니즘의 결과로 발생하는 예를 들어 US20120114088에 개시된 바와 같은 캡슐 형상의 타겟도 있다. 원자 핵이 특정 거리에 도달하면, 이는 주어진 타겟 내에서 융합된다.
그러나, 위에서 언급된 해결 방안은, 타겟에 예를 들어 레이저 방사 및/또는 외부 가열에 의해 에너지의 상당 부분이 항상 공급되어야 하기 때문에, 방사성 동위원소 제조에 있어서 낮은 효율성을 제공한다. 장치가 핵 융합으로 이어져야 하는 경우, 원하는 밀도의 생성된 플라즈마를 달성하는 것은 기술적으로 어렵다. 다양한 기술 분야에서 방사성 동위원소의 적용이 증가하기 때문에, 제어된 핵 반응을 사용하여 방사성 동위원소를 생성해야 할 필요성이 커지고 있다. 본 발명이 어느 정도 해결하는 기술적 과제는 방사성 동위원소를 보다 효율적으로 생성하는 방법 또는 즉 핵 반응을 유도하기 위한 보다 효과적인 방법에 있다.
본 발명의 제1 실시예는 핵 반응을 유도하기 위하여 효율을 증가시키기에 적합하고, 따라서 방사선 동위원소, 특히 방사선 의약품의 생산 또는 핵 연료의 변환에도 적합한 핵 타겟 및/또는 상당한 열 에너지 생산으로 발열 핵 반응을 효과적으로 유도할 수 있는 수단에 관한 것이다.
본 발명에 따르고 청구항 1에 정의된 바와 같은 핵 타겟은 중공부(hollow)를 포함하는 재료의 벌크 특성을 가지며, 중공부의 형상은 바람직하게는 2차 핵 반응의 의도에 대해 최적화된다. 핵 타겟은 전구체를 포함하는 재료로 이루어진다. 특정 실시예에서, 전구체는 타겟의 고체 재료에 주입될 수 있는 반면, 다른 실시예에서, 전구체는 고체(예를 들어, 분말), 액체 또는 기체 형태로 타겟의 중공부에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 핵 타겟의 적어도 일부는 전구체로 구성된다. 다른 바람직한 실시예에서, 위에서 언급된 바와 같이 전구체의 국부화를 결합하는 것, 즉 핵 타겟의 중공부에 분말 전구체를 제공하는 동시에 중공부를 둘러싸는 핵 타겟의 적어도 일부가 동일하거나 추가의 전구체로 구성되는 것이 가능하다. 전구체는 발사체 입자와의 충돌에 따라 방사성 동위원소와 같은 원하는 핵 반응 생성물을 형성하는 특정의 미리 결정된 동위원소에 의해 형성된다. 핵 타겟, 더욱 구체적으로는 전구체 또는 복수의 전구체의 재료는 가장 흔하게는 방사선 동위원소인 최종 생성물(들)을 성취하기 위한 전구체(들)와 발사체 입자(들)의 핵 반응을 위해 선택된다. 핵 타겟은 발사체 입자의 빔의 통과를 위한 적어도 하나의 개구부(opening)를 더 포함한다. 핵 타겟에는 발사체 입자의 입사를 위해 사용되는 개구부 뒤에 위치된 재료의 벌크에 중공부가 더 구비된다. 개구부를 통과하여 재료 벌크의 중공부에 입사하는 발사체 입자는 중공부에 있는 동위원소의 적어도 하나의 핵에서 탄성적으로 분산되거나, 또는 동위원소와의 원하는 핵 반응이 발사체 입자의 에너지에 따라 발생한다. 일부 발사체 입자는 중공부 외부로 다시 반사될 수 있으며, 반사된 입자는 손실을 생성한다. 손실은 중공부의 형상, 특히 기하학적 구조, 즉 개구부와 중공부의 위치에 따라 최소화될 수 있다. 중공부에 있는 동위원소/핵에서의 발사체 입자의 탄성 산란은 적어도 2가지 기술적 효과를 제공한다. 제1 기술적 효과는 중공부 내부의 에너지 소산으로 이어지고, 이에 의해 핵 타겟 재료의 가열로 이어진다. 제2 기술적 효과는 운동 에너지를 타겟/동위원소 핵으로 전달하는 것과 관련이 있으며, 따라서 이는 원하는 반응의 임계 에너지를 초과할 수 있다.
그 다음, 위에서 언급된 기술적 효과는 방사성 동위원소 생산의 증가된 효율 또는 다른 원하는 핵 반응의 수율, 예를 들어, 발열 반응 또는 변환된 핵의 빈도(frequency)와 관련된 시너지적 기술적 효과를 제공한다.
위에서 언급된 바와 같이, 핵 타겟은 재료의 벌크로 형성되며, 중공부의 형상은 원하는 핵 반응 과정에 대해 최적화된다. 특정 실시예에서, 재료의 벌크는 단일 벌크일 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 벌크는 복수의 세그먼트로 분할될 수 있다. 다른 실시예에서, 중공부를 마주보는 타겟의 개구부는 약간 구부러질 수 있고 그리고/또는 특히 중공부의 내부 측에 텍스처를 포함할 수 있다. 그러나, 핵 타겟은, 발사체 입자를 핵 타겟의 중공부로 들어가게 할 수 있도록, 항상 적어도 하나의 개구부, 바람직하게는 단지 하나의 개구부를 포함해야 한다. 따라서, 핵 타겟의 중공부는 발사체 입자가 탄성적으로 산란되는 동위원소 및 전구체(들)를 포함하는 재료에 의해 결코 완전히 둘러싸이지는 않는다. 개구가 하나만 있는 상기 바람직한 실시예는 산란된 발사체 입자, 2차 입자 및 이들에 의해 가속된 전구체 입자를 효과적으로 포획하는 이점을 제공한다. 후방 산란으로 인해 발사체 입자가 중공부로부터 탈출할 가능성은 중공부의 형상의 적절한 기하학적 구조에 의해 최소화될 수 있다.
중공부는 임의의 형상을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 중공부의 형상은 타원체 또는 구의 일부일 수 있다. 중공부의 최적화된 형상, 바람직하게는 보다 복잡한 형상은 연결 시 단일 벌크를 형성하는 세그먼트들에 의해 생성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 중공부는 적어도 2개의 부분을 포함한다. 제1 부분은 좁은 통로로 구성되며, 제2 부분은 더 넓고 더 큰 공간으로 구성된다. 제1 부분은 원통, 블록 또는 다면체의 형상일 수 있으며, 제2 부분은 타원체, 구 또는 예를 들어 다면체의 일부의 형상으로 매끄럽게 이어진다. 적어도 2개의 부분으로 분할된 중공부의 기하학적 구조는 중공부 내에 발사체 입자를 효과적으로 포획하는 동시에 이의 후방 산란을 상당히 제한하는 기술적 이점을 제공한다. 더욱 바람직한 실시예에서, 중공부의 제1 부분의 단면 크기는 발사체 입자의 빔의 가로 크기에 대응한다.
본 발명과 연계하여, 전구체는 발사체 입자와 상호 작용하는 원자 핵을 의미하며, 특히 발사체 입자와 원자 핵의 충돌이 있으며, 상호 작용으로 인해 유도된 핵 반응이 발생한다. 최종 또는 중간 생성물은 예를 들어 알파, 베타 및/또는 감마 붕괴에 의해 추가로 붕괴하는 방사성 동위원소일 수 있으며, 붕괴는 특정의 산업적 적용 분야에 추가로 활용된다. 또한, 중간 생성물은 원하는 핵 반응을 성취하는 데 필요한 중성자일 수도 있다. 특정 실시예에서, 전구체는 예를 들어 이온-원자 구현, 또는 기판 상으로의 원자 부착에 의한 CVD 또는 PVD에 의해 재료에 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 핵 타겟은 중공부를 둘러싸는 전구체 재료로 구성될 수 있으며, 투영 입자가 산란되는 적어도 하나의 동위원소가 핵 타겟의 재료에 제공된다. 다른 실시예에서, 전구체는 특정 부피까지 전구체를 채우도록 중공부의 일부를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 전구체는 재료와 캐비티(cavity) 충전 모두에 포함될 수 있다. 이 경우, 전구체는 반드시 하나일 필요는 없으며, 제1 전구체는 중공부의 벽에 구현되거나 중공부를 형성할 수 있고, 제2 전구체는 충전의 일부일 수 있다. 전구체는 예를 들어 10B; 11B; 붕소의 천연 혼합물; 13C; 14N; 15N; 16O; 18O; 20Ne; 99Mo, 186W, 핵 분열 반응 생성물, 233U, 235U, 239Pu의 방사성 의약품일 수 있다. 특정 실시예에서, 핵 타겟 재료의 벌크는 해당하는 전구체 재료로부터 제조될 수 있다.
발사체 입자는 핵 타겟에 충격을 가하는 입자이다. 발사체 입자는 사용하는 경우에 레이저 타겟의 재료에 따라 예를 들어 양성자, 중성자, 중수소, α-입자, 경이온(예를 들어, 14C, 16O), 중간 중이온(예를 들어, 27Al) 또는 197Au와 같은 훨씬 무거운 핵일 수 있다. 발사체 입자는 최첨단 가속기에 의해 생성될 수 있거나, 방사성 동위원소, 예를 들어, AmBe 또는 PuBe에 의해 방출될 수 있거나, 레이저 구동 가속기로 생성될 수 있다.
발사체 입자를 이용한 탄성 산란이 발생하는 동위원소는 발사체 입자의 에너지가 허용된 채널의 공진 폭에 대응하지 않는 경우에 이미 발생된 반응의 2차 생성물의 핵, 전구체의 핵 및 핵 타겟의 핵일 수 있다. 핵 타겟의 재료에 전구체가 구현되지 않은 경우, 발사체 및 2차 입자와 핵 타겟 핵의 가능한 반응은 탄성 산란인 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 입자는 부분적으로 다시 반사되어 전구체의 핵과 상호 작용할 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 핵 타겟은 180W, 182W, 183W, 184W 및 186W 동위원소를 포함하며, 최대 6 MeV의 양성자 에너지를 갖는 발사체 입자로서의 양성자의 경우, 실질적으로 탄성 산란만 발생한다. 양성자의 에너지는 전구체와의 일부 가능한 반응의 공진 에너지에 도달할 때까지 다중 탄성 산란을 통해 소산될 수 있다.
본 발명과 연계한 유도된 핵 반응은 핵 변환, 파쇄 또는 핵 분열 반응, 핵 융합 반응, 또는 복합 핵 반응일 수 있다. 적절한 유도 핵 반응의 예가 아래에 제공된다.
바람직한 실시예에서, 핵 타겟에는 레이저 조사 시 발사체 입자를 방출하는 레이저 타겟이 추가로 구비된다. 레이저 타겟은 바람직하게는 핵 타겟 개구부 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 타겟은 발사체 입자를 방출하는 레이저 타겟과 핵 타겟 개구부 사이에 공간을 생성하기 위해 핵 타겟의 개구부 앞에 위치 설정될 수 있다. 이 공간은 바람직하게는 레이저 타겟의 레이저 조사에 의해 형성된 다른 입자를 필터링하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 타겟과 핵 타겟 사이의 개구부는 폐쇄되고 전구체 핵을 함유하는 유체와 같은 유체로 채워질 수 있다. 레이저 타겟에 대해 위에 개시된 실시예는 전기 전도성 재료를 포함하는 핵 타겟 재료의 경우에 이점을 추가로 제공한다. 예를 들어 고출력 펄스형 레이저에 의해 방출되는 레이저 펄스는 전기 전도성 핵 타겟 내부에서 전류가 생성되게 할 수 있다. 이 경우, 레이저 타겟의 삽입은 바람직하게는 전기 전도성 핵 타겟에 영향을 미치는 전자기 방사선의 특정 격리 측면에서 이루어진다. 일 실시예에서, 레이저 펄스의 파라미터는 EP2833365로부터 얻을 수 있다.
특정 실시예에서, 핵 타겟의 재료는 정확히 2개의 동위원소를 포함하는 재료로만 구성되도록 적절하게 선택될 수 있다. 제1 동위원소는 전구체이고, 제2 동위원소는 발사체 입자가 탄성적으로 산란되는 동위원소이다. 본 실시예의 기술적 이점은 조사 직후 핵 타겟의 중공부에서 2가지 상호 작용만 일어난다는 것이다. 제1 상호 작용은 전구체와 발사체 입자의 핵 반응을 유도한다. 제2 상호 작용은 동위원소에 대한 발사체의 탄성 산란을 나타낸다. 따라서, 핵 반응 유도 또는 방사성 동위원소 생산의 효율이 향상된다. 그러나, 일정 시간 후, 전구체와의 핵 상호 작용으로 인해, 이의 생성물이 나타나고 진행 중인 상호 작용도 시작된다.
다른 실시예에서, 레이저 타겟 재료는 바람직하게는 다수의 동위원소를 포함하도록 선택될 수 있다. 레이저 타겟이 다수의 동위원소로 구성된 경우, 발사체 입자를 형성하는 이의 방출된 이온이 특정 순서로 핵 타겟과 상호 작용할 것이다. 이는 진행 중인 반응의 동역학에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다. 핵 타겟의 중공부에서 일련의 유도된 핵 반응을 제공하는 상기 일련의 입사 발사체 입자는 핵 타겟에 삽입된 레이저 타겟이 제공되게 함으로써 보장될 수 있다. 삽입의 규모는 반응 동역학에 따라 유리하게 선택될 수 있다.
이하, IAEA 협약에 따라, 핵 반응의 소위 약식 표기법 사용할 것이다. 즉, 반응 발사체 P + 타겟 T → 방출된 입자 X + 잔류 핵 R을 T(P, X)R로 사용할 것이다. 동위원소 1H, 2H, 3H 및 4He는 반응에서 타겟, 즉 전구체 또는 잔류 핵으로 작용할 때 그에 따라 표시된다. 2H와 3H는 때때로 관례에 따라 각각 D와 T로 표시된다. 동위원소 1H, 2H, 3H 및 4He가 발사체 또는 방출 입자로 나타나는 경우, 이들을 관례에 따라 각각 p, d, t 및 α로 표시할 것이다. 다른 동위원소는 반응에서의 모든 역할에서 디폴트로 표시된다.
다른 바람직한 실시예에서, 중공부의 내벽에는 2차 발사체 입자를 방출하는 재료를 포함하는 층이 제공되며, 2차 발사체 입자는 충분한 운동량을 갖는 1차 발사체 입자 또는 다른 입자의 상호 작용에 따라 이 층으로부터 방출된다. 다른 실시예에서, 중공부에는 발사체 및/또는 다른 입자의 상호 작용에 따라 2차 발사체 입자를 방출할 수 있는 재료가 그 부피 내에 제공될 수 있다. 또한, 상기 접근 방식들은 조합할 수도 있다. 이러한 재료의 예는 실용적인 이유로 화합물 형태, 예를 들어 폴리에틸렌 또는 HDPE(high density polyethylene)로 존재할 수 있는 1H, 2H이다. 중공부의 내벽은 이 층으로 완전히 덮일 필요는 없다; 덮은 부분만 있으면 충분하다. 이 실시예의 이점은 중공부에서의 발사체 입자의 연쇄 성장이다. 1차 발사체 입자와 2차 발사체 입자는 동일할 필요가 없다. 예를 들어, 1차 발사체 입자는 양성자일 수 있고, 2차 발사체 입자는 예를 들어 알파 입자 또는 중성자일 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 핵 타겟에는 대응하는 복수의 중공부에 계속되는 복수의 개구부가 제공될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예는 유도된 발열 핵 반응 및/또는 방사성 동위원소의 생산의 연속적인 작동에 있어서 이점을 나타낸다. 핵 타겟은 핵 타겟과 함께 임의의 방향으로 이동하고 그리고/또는 이를 회전시키는 전동 홀더에 배치될 수 있다. 대응하는 유도 핵 반응에 따라 충분한 양의 방사성 동위원소가 생성되거나, 핵 타겟의 중공부에 있는 전구체가 모두 소모되기만 하면, 핵 타겟은 입사된 발사체 입자가 아직 소비되지 않은 전구체를 포함하는 다음 중공부 또는 중공부들로 떨어지도록 이동된다.
다른 바람직한 실시예에서, 핵 타겟 또는 전구체의 재료는 해당하는 산업적 적용 분야에 따라 선택될 수 있다. 방사성 동위원소 생산에 유리한 특정 실시예에서, 다음의 전구체 11B, 98Mo, 186W, 또는 전구체 98Mo 및 2H의 혼합물이 선택될 수 있다. 전리 방사선을 사용하는 진단 방법에 적합한 동위원소의 생산에 유리한 다른 실시예에서, 전구체는 다음의 185Re, 187Re 그룹 또는 NatRe인 천연 혼합물로부터 선택될 수 있다. 소비된 핵 폐기물 변환의 산업적 적용 분야에 유리한 다른 실시예에서, 핵 타겟 전구체가 선택되거나, 핵 타겟의 재료가 더 긴 반감기를 갖는 동위원소로 구성된다. 이러한 동위원소는 233U, 235,U, 239Pu의 핵 분열 생성물을 포함한다. 이 경우, 발사체 입자(예를 들어, 양성자 조사 시 2H, 중수소 조사 시 3H)로 조사된 후에 중성자를 또한 제공하는 재료를 추가 전구체로서 사용하는 것이 또한 적합할 수 있다. 핵 에너지를 열로 변환하는 데 바람직한 다른 실시예에서, 2H, 6Li, 7Li, 10B, 11B, 15N 또는 이들의 혼합물이 전구체로 선택된다.
다른 바람직한 실시예에서, 발광단(luminophore) 또는 신틸레이터(scintillator)가 개구부 및/또는 중공부의 일부에 적용될 수 있다. 발광단 또는 신틸레이터는 이중적인 기술적 기능을 제공한다. 제1 기능은 핵 타겟의 중공부로부터의 방사성 입자의 방출을 제어하는 것에 특징이 있다. 방사성 입자의 방출은 반드시 아원자 또는 원자 입자일 필요는 없지만 반응 메커니즘으로 인해 재료의 일부가 중공부 밖으로 방출된 중공부의 거시적 부분을 형성할 수도 있다. 제2 기술적 기능은 발사체 입자의 빔을 집속하고 이를 핵 타겟의 중공부로 부착하는 것을 제어하거나 이의 최적 형상을 제어하는 것에 특징이 있다.
본 발명의 제2 실시예는 청구항 12에 정의된 바와 같은 핵 반응을 유도하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은 완전히 보편적이며 위에서 언급된 여러 산업적 문제에 적용될 수 있다.
방법은 전구체 함유 재료 벌크로부터 핵 타겟에 입사하는 발사체 입자의 빔을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법을 수행하기 위한 발명의 특성은 발사체 입자의 빔이 핵 타겟의 중공부에 집속되고, 발사체 입자는 중공부 내부의 적어도 하나의 동위원소 핵에서 탄성적으로 산란되고; 탄성 산란은 바람직하게는 중공부 충전재에 함유된 동위원소 및/또는 핵 타겟 벽의 동위원소에서 발생하는 것을 특징으로 한다. 발사체 입자는 전구체에서 핵 반응을 유도할 때까지, 또는 발사체 입자와 전구체 사이에 상호 작용이 일어날 때까지 탄성적으로 산란된다.
바람직한 실시예에서, 발사체 입자는 레이저 제어 가속기에서 생성된다. 레이저 제어 가속기는 대체로 일반적으로 사용되는 가속기에 비해 더 작고 더 저렴한 옵션으로 간주된다.
다른 바람직한 실시예에서, 방사성 의약품이 본 발명의 방법에 의해 생산될 수 있으며, 발사체 입자 및 전구체는 발사체 d를 사용할 때 98Mo(p, n)99mTc 및 98Mo(n, γ)99mTc의 후속 반응을 갖는 2H(d, n+p)2H 및/또는 2H(d, n)3He의 동시 반응을 유도하기 위하여 다음의 핵 반응 11B(p, n)11C, 98Mo(p, n)99mTc, 186W(p, n)186Re 또는 전구체 98Mo 및 2H의 혼합물에 따라 선택된다. 또한, 다시 발사체 입자로서 중수소를 사용하고 더욱 바람직하게는 레이저 타겟으로부터 생성되는 중수소 및/또는 핵 타겟의 중공부에 존재하고 임의의 발사체 입자와의 탄성 충돌에 의해 활성화되는 중수소를 사용하는 바람직한 실시예에서, 185Re(n, γ)186Re, 187Re(n, γ)188Re의 반응도 가능하다.
다른 바람직한 실시예에서, 소비된 핵 폐기물의 핵은 발사체 입자 및 전구체가 다음의 반응 233U(p, 핵 분열), 235U(p, 핵 분열), 239Pu(p, 핵 분열), 특히 233U(n, 핵 분열), 235U(n, 핵 분열), 239Pu(n, 핵 분열) 또는 60Co(n, γ)61Co에 따라 선택되는 방법에 의해 변환될 수 있다. 중성자에 의해 유도되는 핵 분열 동안, 중성자는 발사체 입자로서의 중성자와 전구체의 상호 작용에 의해 생성되어야 한다. 특정 실시예에서, 중성자 생성은 예를 들어 추가적인 발사체 입자 및 중수소를 함유하는 전구체에 의해 성취될 수 있다. 본 실시예의 입자의 상호 작용에서, 2H(d, n)3He 및/또는 2H(d, n+p)2H, 또는 2H(d, p)3H 및 그 다음의 2H(t, n)4He의 반응이 발생하거나, 전구체가 삼중수소 3H를 함유할 것이고, 3H(d, n)4He의 반응이 발생한다.
다른 바람직한 실시예에서, 핵 에너지는 발사체 입자 및 전구체가 2차 반응 6Li(3He, 2α)1H 및 3He(3He, 2p)4He가 이어지는 다음의 핵 반응 3He(d, p)4He, 6Li(d, α)4He, 7Li(p, α)4He, 10B(p, α)7Be, 11B(p, 2α)4He, 15N(p, α)12C 또는 6Li(p, 3He)4He에 따라 선택되는 방법에 의해 열로 변환될 수 있다. 다른 가능한 반응은 3H(d, n)4He, 2H(t, n)4He, 2H(n, γ)3H, 6Li(n, 3He)4He, 10B(n, α)7Li, 7Be(n, p)7Li, 13C(n, γ)14C, 14N(n, p)14C, 17O(n, α)14C, 21Ne(n, α)18O, 22Na(n, p)22Ne 또는 37Ar(n, α)34S를 포함한다. 더욱 바람직한 실시예에서, 열 교환기를 사용하여 핵 타겟으로부터 열이 전도된다.
본 발명의 제3 실시예는 본 발명의 제2 실시예 또는 바람직한 실시예에 따른 방법을 수행하는데 적합한, 즉 배타적으로 사용되지 않는 장치에 관한 것이다. 장치는 청구항 19에 정의된다.
장치는 발사체 입자 소스와 본 발명에 따른 핵 타겟을 포함하며, 발사체 입자 소스는 발사체 입자를 본 발명에 따른 핵 타겟의 중공부 내에 부착하도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 장치는 핵 및 레이저 타겟을 포함하며, 핵 타겟은 본 발명에 따른 핵 타겟이고, 레이저 타겟은 레이저 펄스 타격 시 발사체 입자를 방출할 수 있다. 레이저 타겟은 EP2833365에 개시된 레이저 타겟과 같이 고체 상태일 수도 있고, 레이저 웨이크필드(wakefield) 가속 현상을 이용하여 가스 제트 타겟도 사용될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 장치는 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.
도 1a 내지 1f는 타겟 내 전구체 배치의 다양한 대안에 있어서 본 발명에 따른 핵 타겟의 제1 실시예의 개략도이다.
도 2a 및 2b는 중공부의 제1 부분과 제2 부분을 갖는 본 발명에 따른 핵 타겟의 바람직한 제2 실시예의 개략도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 발사체 입자를 생성할 수 있는 레이저 타겟을 포함하는 본 발명에 따른 핵 타겟의 다른 바람직한 실시예의 개략도이고, 도 3b는 삽입된 레이저 타겟을 갖는 더욱 바람직한 실시예를 도시하고, 도 3c는 액체 또는 기체 형태의 전구체를 포함하는 바람직한 실시예를 도시하고, 전구체는 핵 타겟의 중공부에 포함된다.
도 4는 본 발명에 따른 핵 타겟 중공부의 일 실시예의 개략도이며, 중공부에는 1차 발사체 입자와의 상호 작용 시 2차 발사체 입자를 방출하는 층이 구비된다.
도 5는 본 발명에 따른 핵 타겟이 제공된 연속 밴드의 일 실시예의 개략도이다.
도 6a 및 6b는 발광단이 제공된 핵 타겟의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 열교환기와 조합된 핵 타겟의 일 실시예의 개략도이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명에 따른 핵 타겟 중공부 기하학적 구조의 다양한 실시예를 도시한다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 핵 타겟을 포함하는 발사체 입자를 생성하는 레이저 제어 가속기를 포함하는 장치의 개략도이다.
도 10a 및 10b는 실험에 사용된 본 발명에 따른 핵 타겟의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 핵 타겟 #1, #2, #6의 중공부에 대한 실험 후 분석을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 핵 타겟 #1, #2, #6의 높이 프로파일에 대한 실험 후 분석을 나타낸다.
도 2a 및 2b는 중공부의 제1 부분과 제2 부분을 갖는 본 발명에 따른 핵 타겟의 바람직한 제2 실시예의 개략도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 발사체 입자를 생성할 수 있는 레이저 타겟을 포함하는 본 발명에 따른 핵 타겟의 다른 바람직한 실시예의 개략도이고, 도 3b는 삽입된 레이저 타겟을 갖는 더욱 바람직한 실시예를 도시하고, 도 3c는 액체 또는 기체 형태의 전구체를 포함하는 바람직한 실시예를 도시하고, 전구체는 핵 타겟의 중공부에 포함된다.
도 4는 본 발명에 따른 핵 타겟 중공부의 일 실시예의 개략도이며, 중공부에는 1차 발사체 입자와의 상호 작용 시 2차 발사체 입자를 방출하는 층이 구비된다.
도 5는 본 발명에 따른 핵 타겟이 제공된 연속 밴드의 일 실시예의 개략도이다.
도 6a 및 6b는 발광단이 제공된 핵 타겟의 일 실시예의 개략도이다.
도 7은 열교환기와 조합된 핵 타겟의 일 실시예의 개략도이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명에 따른 핵 타겟 중공부 기하학적 구조의 다양한 실시예를 도시한다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 핵 타겟을 포함하는 발사체 입자를 생성하는 레이저 제어 가속기를 포함하는 장치의 개략도이다.
도 10a 및 10b는 실험에 사용된 본 발명에 따른 핵 타겟의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 핵 타겟 #1, #2, #6의 중공부에 대한 실험 후 분석을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 핵 타겟 #1, #2, #6의 높이 프로파일에 대한 실험 후 분석을 나타낸다.
방사성 동위원소는 전구체(들)(21 및/또는 22 및/또는 23)를 포함하는 핵 타겟(1)에 충격을 가하거나 조사하여 생성된다. 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)는 최종 생성물을 성취하기 위하여 발사체 입자(3)와 상호 작용하는 원자 핵을 말하며, 당해 업계에 일반적으로 그렇게 알려져 있다. 최종 생성물은 종종 알파, 베타 및/또는 감마 붕괴에 의해 추가로 붕괴되는 불안정한 방사성 동위원소이다. 본 발명에 따라 유도된 핵 반응에 의한 생성물의 생성은 실질적으로 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내부에서 발생하며, 중공부(12) 내에 존재하는/포함되는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 적어도 일부는 발사체 입자(3)와 상호 작용하고 핵 반응에 의해 최종 생성물을 형성한다. 대부분의 경우, 가장 흔히 방사성 동위원소인 형성된 생성물은 결과적으로 핵 타겟(1)을 형성하는 다른 재료와 혼합되며, 변형되지 않은 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)는 상기 핵 타겟(1)에 무작위로 분포된 상태로 유지된다. 최종 생성물(들)로 변환된 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 특정 부분은 화학적 방법을 사용하여 분리될 수 있다. 변환된 방사성 동위원소를 분리하기 위한 화학적 방법의 일례는 핵 타겟(1) 또는 타겟(1)의 중공부(12)의 내용물을 강산에 용해시킨 후 방사성 동위원소 및 이의 침전물을 여과하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따른 핵 타겟(1)은 핵 타겟(1)의 엔벨로프 내의 전구체(21 또는 22) 및/또는 핵 반응에 의해 생성물 핵으로 변환되는 중공부(12) 내부의 전구체(23)의 적어도 하나의 핵; 및 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 상호 작용할 때까지 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 동위원소(4)를 포함한다. 도 1a 내지 1f에 따른 예의 경우, 전구체(21 및/또는 22) 또는 전구체(23) 자체는 발사체 입자(3)의 운동 에너지가 반응 채널의 에너지와 동일할 때까지 동위원소(4)일 수 있다. 이러한 재료의 예는 예를 들어 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵으로서의 10B, 발사체 입자(3)로서 p를 포함할 수 있으며, 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 동위원소(4)는 안정적인 동위원소(4) W(도 1a에 따른 180W, 182W, 183W, 184W, 186W; 또는 이의 천연 혼합물) 중 하나이고, 결과적인 핵 반응은 10B(p, α)7Be이다. 다른 예에서, 11B(p, α)8Be가 선택될 수 있으며, 8Be는 8Be → 2α에 따라 더 붕괴되고, W 동위원소(4)는 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 핵으로 사용된다. 다른 예는 98Mo(p, n)99mTc의 핵 반응을 포함할 수 있고, 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 동위원소(4)는 핵 타겟(1)의 엔벨로프를 형성하는 W 동위원소(4)이다. 다른 실시예에서, 전구체(21 또는 22)를 예를 들어 중공부(12)의 엔벨로프의 일부로서 핵 타겟(1)의 몸체 내로 배치하는 것(도 1a, 1b, 1d, 1e 및 1f) 및/또는 이를 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 배치하는 것(도 1c, 1d, 1e 및 1f)이 가능하다. 또한, 도 1d 내지 1f에 개략적으로 도시된 바와 같이 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 상기 배치를 조합하는 것도 가능하다.
실시예의 다른 예에 따르면, 핵 타겟(1)은 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵으로서 붕소의 천연 혼합물, 즉 20%의 10B 및 80%의 11B를 포함할 수 있다. 도 1a는 단면이 원에 대응하는 전구체(21)의 정돈된 분포를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 해당하는 전구체(21)는 화학적 또는 물리적 기상 증착(각각 CVD 또는 PVD)과 같은 다양한 화학적-물리적 공정을 사용하여 핵 타겟(1)의 몸체에 주입될 수 있다. 도 1b는 전구체(22)가 정의된 영역에 부착되어 중공부(12)를 갖는 재료의 벌크를 형성하는 상황을 개략적으로 도시한다. 도 1c는 전구체(23)가 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내에 직접 배치되는, 즉 전구체(23)가 핵 타겟(1)의 재료에 주입되지 않고, 핵 타겟(1)의 중공부(12)의 일부에 배치되어 중공부(12) 내의 충전재로 사용되는 실시예를 도시한다. 또한, 전구체(22)는 PVD, CVD 또는 이온 주입의 공지된 방법을 사용하여 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내로 직접적으로 배치되거나 또는 재료의 벌크로서 배치된다. 도 1d는 2개의 전구체(22 및 23) 배치의 가능한 조합을 개략적으로 도시한다. 유사하게, 전구체(21 및 23)가 존재하는 도 1e에 따른 실시예를 제공하는 것이 가능하며, 제1 전구체(21)는 재료 벌크의 일부를 형성한다. 제2 전구체(23)는 중공부(12) 내에 배치된다. 도 1f에 따른 제1 및 제2 전구체(21 및/또는 22 및 23)는 동일한 동위원소일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 전구체(21 및/또는 22 또는 23)의 동위원소 조성은 각각 도 1f에 따라 상이하다. 도 1d 내지 1f에 따른 바람직한 실시예는 특히 핵 분열 반응에 의한 열 생산 분야에서 사용될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예에서, 핵 타겟(1)은 예를 들어 동위원소 233U, 235U 및 239Pu를 함유하는 엔벨로프 전구체(21 및/또는 22)를 포함할 수 있다. 동시에, 핵 타겟(1)은 적어도 부분적으로 충전재 역할을 하는 전구체(23)로 채워지는 중공부(12)를 포함한다. 제2 전구체(23)는 발사체 입자(3)와 상호 작용할 때 전구체(21 및/또는 22) 상으로 핵 분열 반응을 개시할 수 있는 중성자를 방출하기 위해 3H 또는 LiD일 수 있다. 마지막으로, 발열 핵 반응은 위에서 선택된 전구체(21 및/또는 22 및 23)와 발사체 입자(3)의 상호 작용의 결과로 발생한다.
다른 실시예에서, 핵 타겟(1)은 예를 들어 10B를 갖는 타겟을 최대 90% 농도로 농축함으로써 위에서 언급된 핵 반응에 따라 적절한 반응 방식을 유도할 수 있다. 또한, 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 분포를 선택하는 것, 예를 들어 의도된 사용에 따라 핵 타겟(1)의 에지에서 더 높은 농도의 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)를 선택하는 것도 가능하다. 또한, 2가지 유형의 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23) 또는 예를 들어 도 1d 내지 1f에 따른 배열과 같은 동시 배치를 사용하는 것도 가능하다.
핵 타겟(1)은 개구부(11)와 개구부(11) 뒤에 위치된 재료의 벌크 내의 중공부(12)가 제공되는 실질적으로 평면 형상을 가질 수 있다. 중공부(12)는 임의의 형상을 취할 수 있다. 도 1a 내지 1d는 중공부(12)의 단면의 일부는 실질적으로 원 형상에 대응하는 핵 타겟(1)의 개략적인 단면을 도시한다. 예를 들어 도 8에 따른 다른 실시예에서, 중공부(12)의 단면 형상은 테이퍼형 개구부(11)를 갖는 타원형, 직사각형, 버섯형 또는 다각형의 단면에 대응할 수 있다. 그러나, 핵 타겟(1)은 항상 발사체 입자(3)가 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내로 통과하기 위한 개구부(11)를 포함한다.
도 2a에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예에서, 중공부(12)는 2개 부분으로 형성될 수 있다. 제1 부분(121)은 발사체 입자(3)가 통과하는 중공부(12)의 더 좁은 부분을 나타낸다. 제1 부분(121)보다 부피가 큰 중공부(12)의 제2 부분(122)에는, 발사체 입자(3)가 부착되어 동위원소(4)의 핵에서 탄성적으로 산란되거나 특정 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에서 핵 반응을 유도한다. 핵 타겟(1)의 중공부(12)의 더 좁은 부분(121)의 이점은 중공부(12)의 영역 외부의 핵 타겟(1)으로부터 나오는 후방 산란 입자(31)를 최소화하는 것이다. 부분(121 및 122)을 갖는 중공부(12)의 다른 이점은 발사체 입자(3)의 빔(3)이 핵 타겟(1)에 수직으로 집속될 필요가 없다는 것을 특징으로 한다. 발사체 입자(3)의 빔은, 예를 들어 특정 각도에서 도 2b에 따라, 중공부(12) 내로 부착될 수 있다. 중공부(12) 내에서의 발사체 입자(3)의 탄성 산란은 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에서 충분한 수의 핵 반응을 유도하기 위한 충분한 양의 포획된 발사체 입자(3)를 보장한다.
핵 타겟(1)의 개구부(11)는 일반적으로 사용되는 입자 가속기에서 가속될 수 있는 양성자, 중수소, 경핵과 같은 발사체 입자(3)의 진입을 위한 역할을 한다. 다른 실시예에서, 레이저 제어 가속기가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, AmBe, RaBe 또는 PuBe와 같은 정적 방출기로부터의 발사체 입자(3)의 시준된 빔이 또한 사용될 수 있다. 발사체 입자(3)로 사용되는 중성자의 경우, 핵 분열 반응기로부터 나오는 시준된 중성자 빔 또는 파쇄 소스를 사용하는 것도 가능하다. 발사체 입자(3)는 핵 타겟(1)의 개구부(11)를 통과하여 이의 캐비티(12) 내에 부착된다. 이상적으로는, 중공부(12)에서 발생하는 정확히 2가지 가능한 상호 작용이 있다. 제1 상호 작용은 발사체 입자(3)와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 유도된 핵 반응으로 구성되며, 발사체 입자(3)와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)는 산업적 적용 분야에 따라 적절하게 선택된다. 원하는 상호 작용의 후자의 경우, 발사체 입자(3)는 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란되며, 발사체 입자(3)의 운동 에너지는 발사체 입자(3)가 가능한 상호 작용 채널로부터 선택된 원하는 핵 반응과 상호 작용하고 핵 반응이 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에서 발생할 때까지 소산된다.
핵 타겟(1)의 부피, 핵 타겟(1)의 벽 두께, 중공부(12)의 크기 및 형상, 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 분포 및 핵 타겟(1)의 다른 일반적으로 필요한 파라미터는 원하는 핵 반응 및 관련 산업적 적용 분야에 따라 적절하게 선택된다. 일반적으로 사용되는 컴퓨터 프로그램이 상기 파라미터를 결정하는 데 사용될 수 있다.
발사체 입자(3)와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵의 반응의 최종 생성물은, 예를 들어, 방사선 치료에 사용되는 방사성 동위원소, 의료 적용 분야에서의 촬상 및/또는 재료의 진단에 사용되는 방사성 동위원소일 수 있다. 다른 실시예에서, 최종 생성물은 짧은 그리고/또는 중간 반감기를 갖는 안정적인 동위원소일 수 있다. 다른 실시예에서, 최종 생성물은 발열 핵 반응에서 만들어진 안정적인 동위원소(4)일 수 있으며, 이는 그 후 열 변환기(91)에서 열(9)로 변환될 수 있다.
도 3a 및 3b에 따른 실시예에서, 핵 타겟(1)에는 층(50)의 후방 측(51)이 레이저 빔에 노출되는 경우에 발사체 입자를 방출하는 층(50)을 포함하는 레이저 타겟(5)에 추가로 구비될 수 있다. 따라서, 가속된 발사체 입자(3)의 빔이 층(50)으로부터 방출되고, 이는 본 발명에 따른 핵 타겟(1)의 중공부(12)에서 핵 반응을 유도하는 데 사용될 수 있다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 층(50)이 제공된 레이저 타겟(5)은 핵 타겟(1)의 개구부(11) 앞에 단단히 배치된다. 레이저 펄스(52)에 의해 타격된 후, 발사체 입자(3)는 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내로 직접 방출되고, 여기에서 이는 핵 반응을 유도하거나 탄성적으로 분산된다. 발사체 입자(3)의 방출은 TNSA 메커니즘(M. Roth, M. Schollmeier. Ion Acceleration - Target Normal Sheath Acceleration. Vol. 1 (2016): Proceedings of the 2014 CAS-CERN Accelerator School: Plasma Wake Acceleration, DOI: https://doi.org/10.5170/CERN-2016-001.231)을 사용하여 제공될 수 있다. 도 3b에 도시된 다른 실시예에서, 레이저 타겟(5)은 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내로 발사체 입자(3)를 가속시키기 위하여 개구부(11) 앞에 삽입된 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 배치될 수 있다. 레이저 타겟(5)과 핵 타겟(1)의 개구부(11) 사이의 삽입의 이점은 레이저 펄스(52)의 영향 및 레이저 웨이크 필드 가속의 사용 하에서 레이저 타겟(5)으로부터 방출된 불순물을 빨아들이는 진공 펌프(6)를 배치할 수 있는 가능성을 제공한다. 또한, 바람직한 실시예는 핵 타겟(1)의 재료가 전기 전도성인 경우 레이저 방사선의 전자기 펄스와 핵 타겟(1) 사이에 차폐를 제공하는 층(50)을 갖는 레이저 타겟(5)의 오프셋을 제공한다. 발사체 입자(3)가 동위원소(4)의 혼합물을 나타내는 경우, 삽입은 발사체 입자(3)가 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에 충돌하여 이와 상호 작용하거나, 발사체 입자(3)의 이전 파동과 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 상호 작용의 생성물과 상호 작용하는 시간적 시퀀스를 구성하는 것을 가능하게 한다. 중공부(12) 내로의 발사체 입자(3)의 입사의 시간적 시퀀스를 갖는 이러한 예시적인 실시예는 Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M. & Krasa, Josef & Klir , Daniel. (2014). D - D nuclear fusion induced by laser-generated plasma at 1016 W cm-2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/0031- 8949/2014/T161/014026로부터 얻을 수 있다. 입사 발사체 입자(3)와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 상호 작용의 시퀀스는 D. Margarone, et. al. (2020). Generation of α-Particle Beams With a Multi-kJ, Peta-Watt Class Laser System. Frontiers in Physics, September 2020, Vol B, Article 343에 보고된 "포수-투수(catcher-pitcher)"와 같은 더 복잡한 레이저 타겟(5) 구성에 의해 제공된다.
레이저 타겟(5)이 제공되는 바람직한 실시예는 양성자, 경핵, 중핵(예를 들어, Au) 또는 중성자와 같은 강입자 입자의 고에너지 빔을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 복잡한 빔 전송이 필요 없는 전자 빔도 제공할 수 있다. 그 중에서도 도 3b에 도시된 바람직한 실시예는 일반적으로 기존 가속기에 비해 더 작고 더 저렴한 옵션으로 간주되는 레이저 제어 가속기의 사용을 가능하게 한다.
도 3c는 핵 타겟(1)과 레이저 타겟(5)을 포함하는 다른 실시예를 개략적으로 더 도시한다. 레이저 타겟(5)과 핵 타겟(1) 사이의 영역은 주변 환경과의 유체의 교환을 방지하기 위해 폐쇄된다. 그 다음, 폐쇄된 영역은 전구체(23)를 함유하는 액체 또는 기체로 채워질 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 레이저 타겟(5)의 재료, 이의 구조 및 두께는 TNSA 메커니즘을 사용하여 레이저 펄스(펄스 단면)의 적절하게 선택된 초점이 입자의 강도 및 에너지 스펙트럼 모두에서 발사체 입자의 최적 스펙트럼을 생성하도록 선택될 수 있다. 본 실시예의 특정 예에서, 핵 타겟(1)의 동위원소 조성은 정확히 2개의 동위원소로 구성되도록 선택된다. 제1 동위원소는 핵 타겟(1)의 엔벨로프 및/또는 중공부(12)에 국부적으로 위치되는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)이다. 제2 동위원소는 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 핵이다. 본 실시예는 발사체 입자(3)의 충격 직후 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 상호 작용만 허용되거나 발사체 입자(3)가 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 상호 작용할 때까지 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란된다는 이점을 제공한다. 다음 단계에서, 발사체 입자(3)와의 진행 중인 핵 반응의 생성물도 공정에 들어갈 수 있다. 이는, 예를 들어, Torrisi, Lorenzo & Cavallaro, Stefano & Cutroneo, M. & Krasa, Josef & Klir, Daniel. (2014). D - D nuclear fusion induced by laser-generated plasma at 1016 W cm-2 intensity. Physica Scripta. 2014. 014026. 10.1088/0031- 8949/2014/T161/014026에서 보고된 바와 같이, 특정 지연으로 중공부(12)에 도달하는 더 작은 전하 대 질량 비율(mass-to-charge ratio)을 갖는 이온일 수 있다. 궁극적으로, 핵 반응의 수율은 증가한다.
도 4에 도시된 예에서, 핵 타겟(1)의 중공부(12)의 내부 측(123)에는 층(32)이 제공된다. 층(32)은 발사체 입자(3)와의 상호 작용 후 2차 발사체 입자(320)를 방출할 수 있는 원자 핵을 포함한다. 도 4는 레이저 타겟(5)이 제공된 특정 실시예를 나타낸다. 그러나, 층(32)의 기술적 기능이 레이저 타겟(5)의 기술적 기능과 완전히 분리될 수 있고, 따라서 임의의 실시예에서, 예를 들어, 도 1a 내지 1f 및/또는 도 2a 및 2b에 따라, 어떠한 추가적인 기술적 어려움 없이 구현될 수 있거나, 유리한 기술적 효과가 상기 예들 중 임의의 예와 조합될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백하다. 더욱 구체적으로, 예를 들어, 도 4에 도시된 실시예에 따른 층(32)의 기술적 기능은 도 2a 또는 도 3b에 따른 실시예에서 사용되고 구현될 수 있다. 즉, 후방 산란된 입자(31)가 층(32)에 충돌하도록 핵 타겟(1)의 중공부(12)를 제1 부분(121) 및 제2 부분(122)의 구성하거나, 층(32)을 갖는 핵 타겟(1)에 레이저 타겟(5)을 제공하는 것이 가능하다. 기술적 기능은 제공된 이점을 포함하여 완전히 구별 가능하게 유지된다. 그러면, 층(32)은 1차 발사체 입자(3)와의 상호 작용의 결과로서 추가적인 2차 발사체 입자(320)를 방출할 수 있다. 이 바람직한 실시예는 연쇄 반응의 가능성, 1차 발사체 입자(3)의 빔에 의해 원래 부착된 것보다 더 많은 발사체 입자(3)를 중공부(12) 내로 방출할 수 있는 가능성을 제공한다. 유사하게, 이 이점은 중공부(12) 내의 전구체(23)의 적절한 조합에 의해 성취될 수 있다. 예를 들어, 레이저 타겟(5)이 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 이루어진 경우, 발사체 입자(3) 중에 양성자와 탄소 이온 12C가 있을 것이다. 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에 예를 들어 11B와 함께 수소가 또한 포함되어 있으면, 이의 핵 - 양성자는 발차체와의 2차 반응에 의해 150 keV 이상의 에너지로 점차적으로 가속될 것이며, 이에 의해 추가 반응, 예를 들어 11B(p, 2α)4He를 허용한다. 또한, 전구체(23)에서의 수소 핵은 이전의 p11B 반응에 형성된 α-입자에 의해 가속될 것이다.
도 5는 복수의 개구부(11)와 중공부(12)를 포함하는 본 발명에 따른 복수의 핵 타겟(1)을 갖는 밴드를 도시한다. 이 실시예는 핵 타겟(1)을 방향(7)으로 이동시키는 이점을 나타낸다. 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 특정 개수의 핵이 제1 중공부(12)의 부피에서 소비되면, 핵 타겟(1)은 발사체 입자(3)의 빔이 소비되지 않은 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와 함께 다음 중공부(12)로 떨어지는 방향(7)으로 이동되어, 핵 반응 유도의 연속성을 허용한다. 이 예는, 예를 들어, 핵 타겟(1) 주위로 위치된 열 교환기(91)를 사용한 발열 핵 반응의 경우에 사용될 수 있다. 이 실시예의 또 다른 이점은 핵 타겟(1)이 발사체 입자(3)의 하나의 소스에 의해 조사되는 무한 밴드를 형성할 수 있다는 것을 특징으로 하며, 핵 타겟은 필요에 따라 방향(7)으로 이동한다.
도 6a 및 6b는 개구부(11)에 적용된 발광단(8)이 제공되는 핵 타겟(1)의 일 실시예를 도시한다. 더욱 구체적으로, 개구부(11)의 외부 측(110)에는 발광단(8)이 제공된다. Gd3Ga3Al2O12:CeMg와 같은 일반적으로 사용되는 발광단(8)이 사용될 수 있다. 도 6은 발사체 입자(3)가 레이저 제어 가속기에 의해 레이저 타겟(5)으로부터 생성되고, 레이저 펄스(52)가 레이저 타겟(5)에 집속되는 상황을 도시한다. 발사체 입자(3)는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 상호 작용하면서 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내로 방출된다. 일 실시예에서, 발사체 입자(3)와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵 사이의 상호 작용은 발열 핵 반응일 수 있다. 상호 작용의 2차 생성물로서 너무 많은 가스(9)가 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 방출되는 상황이 발생할 수도 있거나, 또는 중공부(12)의 완전히 최적은 아닌 형상으로 인해 이러한 상황은 펄스(52)의 방향에 대하여 입자의 큰 역류를 야기한다. 그 결과, 중공부(12) 내부의 일부가 떨어져 방향(81)으로 외부로 방출될 수 있다. 방향(81)으로의 방출이 반드시 원자 및/또는 아원자 입자 또는 후방 산란된 발사체 입자(31)를 나타내는 것은 아니지만, 이는 육안으로 볼 수 있는 작은 입자일 수도 있다. 발광단(8)은, 상기 시나리오의 경우, 핵 타겟(1)의 일부가 떨어져 나가 중공부(12) 영역 밖으로 떨어졌는지 여부를 검출할 수 있는 안전 기능을 제공한다. 또한, 핵 분열 생성물과 같은 위험한 동위원소(4)를 다룰 때 이러한 유리한 실시예를 사용하는 것도 가능하다. 도 6a에서의 실시예는 중공부(12)에서 전구체(23)와 혼합될 수도 있는 발광단(8)을 도시한다. 유사하게, 도 6b는 발사체 입자(3)의 강도 및 에너지 스펙트럼을 최적화하는 데 도움이 될 수 있는 발광단(8)의 적용을 도시한다. 이것은 레이저 빔을 의도적으로 초점이 맞지 않게 한다. 레이저가 잘못 정렬된 경우, 펄스 트랙(52)은 개구부(11)와 최적으로 중첩되지 않을 수 있다. 조사 후의 발광단(8)의 후속 분포는 사용 목적에 따라 중공부(12)의 내부 형상을 최적화하는 데, 예를 들어, 도 8에 따라 중공부(12)의 형상을 최적화하는데 사용될 수 있다. 도 8e는 핵 타겟(1)의 중공부(12) 형상의 바람직한 실시예를 도시하며, 중공부(12)의 형상은 후방 산란된 입자가 중공부(12) 내로 더 반사되도록 최적화된다. 도 8e에 따른 핵 타겟(1)은 본질적으로 핵 타겟(1)의 임의의 형상의 중공부(12)를 제조하는 데 이점을 제공하는 여러 세그먼트(13)로 구성된다. 핵 타겟(1)의 개별 세그먼트(13)는 중공부(12)의 영역 외부에서 발사체 입자(31)의 산란을 효과적으로 방지하기 위하여 조립된다. 따라서, 중공부의 형상은 가능한 핵 반응 수율 손실에 대해 최적화된다.
위에서 언급된 실시예는 본 발명의 용도에 따라 선택된 바람직한 핵 반응과 조합될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 타겟(5)이 추가로 제공되는 핵 타겟(1)은 예를 들어 수소 핵이 예를 들어 Torris, L. and Cutroneo, M., "Triple nuclear reactions (d, n) in laser-generated plasma from deuterated targets", Physics of Plasmas, vol. 24, no. 6. 2017. doi: 10.1063/1.4984997에 따라 중수소 핵으로 대체되는 중합체(CD2)n-폴리에틸렌의 층(50)으로 구성되어 사용될 수 있다. 핵 타겟(1)은 텅스텐으로 이루어질 수 있으며 6LiD 및/또는 7LiD 또는 NatLiD의 전구체(21 또는 22 및 23)로 채워진다. 가속된 중수소, 탄소 핵 및 양성자 혼합물의 빔은 레이저 타겟(5)으로부터 핵 타겟(1)의 중공부(12)를 향해 방출되는 발사체 입자(3)의 빔을 형성한다. 발사체 입자(3)는 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 포함된 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 충돌한다. 이는 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내부에서 D-D 및 Li-D (7Li(d, n)8Be) 반응의 경우 중성자를 생성하는 해당하는 핵 반응을 유도한다. 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 충돌하지 않는 발사체 입자(3)는 해당하는 핵 반응이 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에서 일어날 때까지 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 발사체 입자(3)의 발생된 반응의 생성물의 핵에서 또는 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란된다.
다른 예에서, 레이저 타겟(5)은 HDPE의 층(50)으로 구성될 수 있다. 이 예에 따르면, 가속된 발사체 입자(3), 즉 양성자가 레이저 타겟(5)으로부터 생성되어, 예를 들어 분말형 비정질 10B 및/또는 11B 또는 NatB의 형태로 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 유도된 핵 반응으로 이어진다. 이 예에서, 다음 반응이 가능하다: 11B(p, α)8Be 및 10B(p, α)7Be의 병렬 반응이 진행 중인 11B(p, n)11C. 그 다음, 결과적인 방사성 동위원소는 화학적으로 분리될 수 있으며, 결과적인 생성 물 중 하나인 11C는 반감기가 20분인 순수 양전자 방출체이며 의료 진단 또는 재료 결함 진단에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 타겟(5)은 중수소를 방출할 수 있는 고분자 필름 (CD2)n의 층(50)일 수 있으며, 185Re, 187Re 또는 NatRe인 천연 혼합물이 핵 타겟(1)에서 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)로 사용될 수 있다. 천연 레늄은 37.4:62.6의 비율의 185Re 및 187Re라는 2가지 동위원소로 구성된다. 이 예에 따르면, 중수소인 발사체 입자(3)가 레이저 타겟(5)으로부터 생성되고, 중수소가 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내의 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에 포함되면, 2H(d, n)2He 또는 2H(d, n+p)2H의 핵 반응이 중성자를 생성하게 되고, 이어서 185Re(n, γ)186Re, 187Re(n, γ)188Re의 반응은 99mTc와 같은 의학에 사용되는 반감기가 90시간과 17시간인 186Re 및 188Re 방사성 핵종을 생성하게 된다.
다른 예에서, 발열 핵 반응을 유도할 목적으로 2차 반응 3He(6Li, 2α)1H 및 3He(3He, 2p)4He이 이어지는 반응 3He(d, p)4He, 6Li(d, α)4He, 7Li(p, α)4He, 10B(p, α)7Be, 11B(p, 2α)4He, 15N(p, α)12C 또는 6Li(p, 3He)4He을 사용하는 것이 가능하다. 다른 가능한 발열 핵 반응은 3H(d, n)4He, 2H(n, γ)3H, 6Li(n, 3He)4He, 10B(n, α)7Li, 7Be(n, p)7Li, 13C(n, γ)14C, 14N(n, p)14C, 17O(n, α)14C, 21Ne(n, α)18O, 22Na(n, p)22Ne 또는 37Ar(n, α)34S를 포함한다. 방출된 에너지는 열(9)로 변환될 수 있다. 도 6 및 7은 핵 타겟(1)에서 열(9)이 생성되는 예를 개략적으로 도시한다. 도 7은 싱크로트론(301)으로부터 생성된 발사체 입자(3)를 개략적으로 도시한다. 상기 바람직한 실시예들에 비추어, 일반적으로 사용되는 발사체 입자(3)의 가속기가 발사체 입자(3)의 생성기로 사용될 수 있다. 발사체 입자(3)는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 충돌할 때 핵 타겟(1)에서 발열 핵 반응을 유도하며, 열(9)은 핵 타겟(1)의 중공부(12)에서 생성된다. 그 후, 열(9)은 핵 타겟(1) 외부의 열 교환기(91)에 의해 전도된다. 열 교환기(91)는 이어서 전기 에너지를 생성하기 위해 증기 발생기에 연결될 수 있다. 핵 타겟(1)은 해당하는 핵 안전 규정에 따라 격납 용기(92) 내에서 교환기(91)와 함께 배치될 수 있다.
실시예의 다음 예에서, 본 발명은 핵 반응을 유도하기 위한 방법을 개시한다. 제1 단계에서, 발사체 입자(3)의 빔이 제공된다. 바람직한 실시예에서, 발사체 입자(3)는 원하는 반응에 대해 최적화된 스펙트럼 및 강도를 갖는다. 이러한 발사체 입자(3)는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵을 포함하는 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 부착된다. 발사체 입자(3)는 핵 반응을 유도하거나 핵 타겟(1)을 이루는 재료의 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란된다. 본 발명의 방법의 특정 단계에서, 유도된 반응이 연소된 후, 방사성 동위원소 생산 방법이 종료되거나 반복될 수 있다; 반복이 핵 타겟(1)의 동일한 중공부(12)에서 일어날 수 있거나, 핵 타겟(1)은 더 이동될 수 있고 발사체 입자(3)는 이전에 소모되지 않은 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)를 포함하는 새로운 중공부(12)에 집속된다.
전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에서 발생한 핵 반응의 수를 검출하는 한 가지 방법은 핵 타겟(1)으로부터 방출되는 전리 방사선을 측정하는 것이다. 일 실시예에서, 핵 반응 10B(p, α)7Be가 사용되어 7Be의 탈여기로부터 감마 방사선을 검출할 수 있다. 감마선의 모니터링은 유도된 핵 반응의 수를 나타내는 지표 역할을 할 수 있다.
또한, 가속된 발사체 입자(3)는 핵 타겟(1)의 중공부(12) 내부의 다른 재료와의 핵 융합 또는 핵 분열을 유도할 수 있는 양이온일 수도 있다.
특정 예에서, 조사된 핵 타겟(1)의 재료를 조합함으로써, 바람직하게는 레이저 타겟(5)에 의해 가속된 발사체 입자(3)를 생성함으로써, 위에서 언급된 것 이외의 많은 반응을 유도하는 것이 가능하다.
다른 조합은 고에너지를 갖는 고에너지 발사체 입자(3)로서의 양성자와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵 16O의 충돌을 포함한다. 충돌은 16O(p, α)13N의 핵 반응을 유도할 수 있고, 13N은 알파 붕괴에 의해 추가로 붕괴될 수 있는 반감기가 짧은 방사성 동위원소이다.
다른 실시예에서, 가속된 발사체 입자(3)로서의 양성자는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵 18O을 포함하는 핵 타겟(1)과 충돌하여 핵 융합 18O(p, n)18F을 유도하고, 18F는 반감기가 109분인 방사성 동위원소이다.
다른 예에서, 가속된 발사체 입자(3)로서의 양성자는 10B를 포함하는 핵 타겟(1)과 충돌하여 10B(p, α)7Be의 핵 반응을 유도하고, 7Be는 반감기가 53일인 방사성 동위원소이다.
다른 예에서, 가속된 발사체 입자(3)로서의 양성자는 15N을 포함하는 핵 타겟(1)과 충돌하여 15N(p, n)15O의 핵 반응을 유도하고, 15O은 반감기가 짧은 방사성 동위원소이다.
다른 발사체 입자(3)를 사용하거나 다른 레이저 타겟(5)을 사용함으로써, 양이온 발사체 입자(3)를 생성하는 것이 가능하다. 특정 실시예에서, 이는 12C(d, n)13N의 핵 반응을 유도할 수 있는 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 12C 핵을 포함하는 핵 타겟(1)의 중공부(12)로 떨어지는 고에너지 중수소일 수 있고, 13N은 반감기가 짧은 방사성 동위원소이다.
다른 예에서, 가속된 발사체 입자(3)로서의 중수소와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 14N 핵의 충돌은 14N(d, n)15O의 핵 반응을 유도할 수 있고, 15O은 반감기가 짧은 방사성 동위원소이다.
다른 예에서, 가속된 발사체 입자(3)로서 중수소와 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 20Ne 핵의 충돌은 20Ne(d, α)18F의 핵 반응을 유도할 수 있고, 18F는 반감기가 짧은 방사성 동위원소이다.
다른 예에서, 중성자가 발사체 입자(3)로 사용될 수 있으며, 이는 제1 레이저 타겟에서 생성된 중성자가 예를 들어 LiF로 이루어진 제2 레이저 타겟에 떨어지는 2단계 레이저 타겟(5)에 의해 가속될 수 있다. 또한, 중수소의 일부로서, 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 반응에서 스트리핑(stripping) 반응이 사용되며, 예를 들어 2H(d, n)3He, 2H(d, n+p)2H 반응, 특히 3H(d, n)4He에 의해 중성자가 중공부(12)에서 직접 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, 중성자는 또한 2H(d, n)3He, 2H(d, n+p)2H 반응, 특히 3H(d, n)4He에 의한 방식에 따라 핵 분열을 위한 발사체 입자(3)로서 사용될 수도 있다.
다른 예에서, 핵 타겟(1)은 연소된 핵 연료의 핵으로 농축되거나 연소된 핵 연료의 재료로 만들어질 수 있으며, 발사체 입자(3)(중수소)로 충격을 받은 삼중수소 전구체(23)가 중공부(12)에 배치되어, 233U(n, 핵 분열), 235U(n, 핵 분열), 239Pu(n, 핵 분열) 반응에서 중핵의 핵을 분열시키는 중성자 펄스를 형성한다.
도 9a는 레이저 펄스(52)로 레이저 타겟(5)을 조사하는 레이저 제어 레이저 빔 방출 가속기를 개략적으로 도시한다. 레이저 타겟(5)은 레이저 펄스(52)에 노출되는 반전층(51)으로 구성되고, 레이저 타겟(5)에는 TNSA 메커니즘에 의해 핵 타겟(1)의 중공부(12)를 향해 가속된 발사체 입자(3)를 생성하는 층(50)이 제공된다. 가속된 발사체 입자(3)는 개구부(11)를 통해 중공부(12) 내로, 중공부(12)의 더 좁은 부분(121)을 통해 중공부(12)의 더 넓은 부분(122)으로 전달된다. 중공부(12)에서, 발사체 입자(3)는 전구체(23)의 핵과 충돌하거나, 동위원소(4)에서 탄성적으로 산란된다. 중공부(12)의 더 좁은 부분(121)은 후방 산란된 발사체 입자(31)가 중공부(12)를 떠나는 것을 방지한다. 도 9a에 따른 예에서, 핵 타겟(1)은 레이저 가속기의 일부인 레이저 타겟(5)으로부터 분리된다.
도 9b에 개략적으로 도시된 실시예의 다른 예에서, 핵 타겟(1)에 레이저 타겟(5)을 미리 구비하는 것, 즉, 레이저 펄스(52)가 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 충돌한 후 발사체 입자(3)가 레이저 타겟(5)으로부터 방출되도록 핵 타겟(1)을 강하게 고정하는 것이 가능하다. 도 9b에 따른 예에서, 장치에는 개구부(11)의 외부 측(110)에 부착된 발광단(8)을 포함하는 핵 타겟(1)이 추가로 구비된다. 따라서, 발사체 입자를 방출하는 층(50)은 가속기의 일부일 필요가 없으며 핵 타겟(1)과 함께 하나의 제품으로 공급될 수 있다. 미리 구성된 레이저 타겟(5)은 고출력 펄스 레이저에 의해 발생되는 전자기 펄스를 적어도 부분적으로 차폐하는 이점을 제공한다. 또한, 이러한 배열은 액체 전구체(23)의 사용을 허용한다.
실험예
실험 장치는 본 발명에 따른 핵 타겟의 거동에 전용이었다. 실험 증명에 대응하는 개략도가 도 10a 및 10b에 도시된다.
도 10a에 도시된 실험 장치는 텅스텐으로 이루어진 6개의 핵 타겟의 매트릭스를 포함한다. 각각의 핵 타겟은 도 10a에 도시된 바와 같이 직경 1mm, 깊이 0.8mm의 원통 형상의 중공부를 포함한다. 핵 타겟의 전체 두께는 1.6mm였다. 중공부는 두께 23㎛의 마일라(MYLAR) 호일로 덮였다. 각각의 중공부는 전구체를 포함하고, UV 광 하에서 발광을 생성하는 쿠마린으로 채워졌다. 중공부 매트릭스를 갖는 핵 타겟의 개략도가 도 10b에 도시된다. 다음 표는 도 10b에 개략적으로 도시된 중공부의 번호와 핵 타겟의 해당하는 중공부에 수행된 레이저 발사를 나타낸다. 적당한 레이저 콘트라스트 10-9를 갖는 레이저 펄스(30fs)가 비상대론적 강도(~1017W/cm2)를 제공했다. 사용된 레이저 펄스 에너지는 표에 표시된 바와 같이 6 또는 10 Joule이었다.
| #1 - 6J 레이저 발사 | #2 - 6J 레이저 발사 (캐비티가 대부분 벗어남) | #3 - 레이저 발사 없음 |
| #4 - 10J 레이저 발사 | #5 - 10J 레이저 발사 | #6 - 10J 레이저 발사 |
실험에서, 레이저 발사는 마일라 호일로 덮인 중공부로 지향되었다. 발명자의 관찰에 따르면, 레이저 발사는 레이저 펄스의 에너지에 관계 없이 핵 타겟의 텅스텐 표면에 어떤 영향도 미치지 않는다. 이는 레이저 발사가 중공부를 벗어나고 텅스텐 표면에 닿는 타겟 #2에서 특히 두드러졌다. 쿠마린 충전재는 레이저 발사에 의해 중공부로부터 방출되지 않았으며, 따라서 내부의 핵 반응 모니터링에 효율적으로 사용될 수 있다. 원자 번호 Z가 낮은 분말형 타겟 재료는 발사체와 2차 입자 모두의 재산란을 위한 충분히 긴 평균 자유 경로를 허용하고, 이는 타겟의 특정 부피 내에서 빔 에너지의 소산으로 이어진다. 이와 반대로, 큰 쿨롱 배리어를 가진 타겟의 높은 Z 텅스텐 몸체는 주어진 빔 파라미터에서 타겟 몸체의 어떠한 명백한 변화 없이 빔 입자를 반사한다. 발명자는 발사를 위해 의도된 각각의 중공부에 대한 실험 후 분석을 추가로 제공한다. 대표적인 예는 도 11에 도시된다. 도 12는 도 11에 도시된 선에 따르는 해당하는 타겟의 깊이 분석을 도시한다.
본 발명은 어느 정도 핵 반응을 유도하기 위한 보편적인 방법을 나타내기 때문에 여러 산업에서 적용된다. 특정 산업적 적용 분야에서, 본 발명은 방사성 동위원소, 특히 방사성 의약품을 생산하는 데 사용될 수 있다. 다른 산업적 적용 분야에서, 본 발명은 유해 핵 폐기물이 안정적인 동위원소, 또는 적어도 반감기가 짧은 동위원소로 변환되도록 연소된 핵 연료의 변환에 사용될 수 있다. 세번째이지만 마지막은 아닌 산업적 적용 분야에서, 본 발명은 제어된 핵 반응으로부터 열을 생성하는 데 사용될 수 있다.
1
핵 타겟
11 개구부
110 개구부의 외부 측
12 중공부
121 더 좁은 단면을 갖는 중공부의 제1 부분
122 확대된 단면을 갖는 중공부의 제2 부분
123 중공부의 내부 측
13 핵 타겟 세그먼트
21 중공부 주위로 핵 타겟의 재료에 주입된 전구체
22 중공부를 형성하는 전구체
23 중공부 내의 전구체
3 발사체 입자
31 후방 산란된 입자
32 2차 발사체 입자를 제공하는 레이저
320 2차 발사체 입자
301 싱크로트론
4 동위원소
5 레이저 타겟
50 발사체 입자를 방출하는 층
51 레이저 빔에 노출된 층(5)의 반대 측
52 레이저 펄스
6 진공 펌프
7 방향으로의 시프트
8 발광단
81 방출 (거시) 입자 방향
9 열
91 열 교환기
92 오염물
11 개구부
110 개구부의 외부 측
12 중공부
121 더 좁은 단면을 갖는 중공부의 제1 부분
122 확대된 단면을 갖는 중공부의 제2 부분
123 중공부의 내부 측
13 핵 타겟 세그먼트
21 중공부 주위로 핵 타겟의 재료에 주입된 전구체
22 중공부를 형성하는 전구체
23 중공부 내의 전구체
3 발사체 입자
31 후방 산란된 입자
32 2차 발사체 입자를 제공하는 레이저
320 2차 발사체 입자
301 싱크로트론
4 동위원소
5 레이저 타겟
50 발사체 입자를 방출하는 층
51 레이저 빔에 노출된 층(5)의 반대 측
52 레이저 펄스
6 진공 펌프
7 방향으로의 시프트
8 발광단
81 방출 (거시) 입자 방향
9 열
91 열 교환기
92 오염물
Claims (20)
- 벌크를 형성하는 핵 타겟(1)에 있어서, 상기 핵 타겟(1)은 발사체 입자(3)와의 상호 작용 시 핵 반응을 유도할 수 있는 적어도 하나의 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)를 포함하고, 상기 핵 타겟(1)은,
- 발사체 입자(3)의 빔의 통과를 위한 적어도 하나의 개구부(opening)(11); 및
- 상기 개구부(11) 뒤에 위치되는 상기 핵 타겟(1)의 벌크 내에 있는 중공부(hollow)(12)
를 포함하고,
- 상기 중공부(12)는 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)를 포함하고 그리고/또는 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에 의해 형성되고 그리고/또는 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)에 의해 둘러싸이며; 그리고
- 상기 핵 타겟(1)은 상기 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 적어도 하나의 동위원소(4)를 포함하는
것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항에 있어서,
상기 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 동위원소(4)는,
- 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 다른 핵인 동위원소(4); 또는
- 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 핵과 동일한 핵인 동위원소(4)
이며, 충돌하는 상기 발사체 입자(3)는 핵 반응의 유도를 위한 임계 에너지에 대해 다른 운동 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 핵 타겟. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)의 적어도 일부는 상기 중공부(12)를 둘러싸는 상기 전구체(22)에 의해 형성되고 그리고/또는 상기 중공부(12) 내에 상기 전구체(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)은 적어도 2개의 동일한 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23) 또는 그 내에 상이하게 위치된 상이한 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)은 2개의 동위원소로 구성되고, 제1 동위원소는 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)이고, 제2 동위원소는 상기 발사체 입자(3)가 탄성적으로 산란되는 상기 동위원소(4)인 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)에는 레이저 방사선과의 상호 작용 후 발사체 입자(3)를 방출할 수 있는 레이저 타겟(5)이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공부(12)의 내부 측(123)에는 재료의 층이 제공되고, 그리고/또는 상기 중공부(12)는 발사체 입자(3)의 상호 작용의 경우에서의 2차 발사체 입자(320) 또는 상기 중공부(12)에서의 상호 작용에 의해 생성되는 다른 입자를 방출하는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)에는 복수의 개구부(11) 및 대응하는 수의 중공부(12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)은 상기 발사체 입자(3) 또는 전구체(21 및/또는 22)의 핵과의 비탄성 산란 임계값을 갖는 핵으로부터 선택된 동위원소(4)를 포함하거나, 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 발사체의 반응 생성물의 핵은 상호 작용하는 핵의 에너지보다 더 높은 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개구부(11) 및/또는 상기 중공부(12)의 일부에는 발광단(luminophore)(8) 및/또는 신틸레이터(scintillator)가 제공되는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 핵 타겟(1)은 세그먼트가 재료의 단일 블록을 형성하도록 구성된 복수의 세그먼트(13)로 구성되고, 상기 중공부(12)의 형상은 상기 중공부(12)의 영역 외부에서 상기 발사체 입자(3)의 산란을 억제하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 핵 타겟(1). - 핵 반응 유도 방법에 있어서,
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 핵 타겟(1)에 충돌하는 발사체 입자(3)의 빔을 제공하는 단계;
- 상기 발사체 입자(3)의 빔이 상기 핵 타겟(1)의 상기 중공부(12)에 집속되는 단계
를 포함하고,
- 상기 발사체 입자(3)는 상기 발사체 입자(3)가 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와 상호 작용할 때까지 상기 핵 타겟(1)의 상기 중공부(12) 내부에 적어도 하나의 동위원소(4)의 핵에서 탄성적으로 산란되는
것을 특징으로 하는 핵 반응 유도 방법. - 제12항에 있어서,
상기 발사체 입자(3)는 레이저 구동 가속기에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 핵 반응 유도 방법. - 방사선 동위원소를 생성하기 위한 방법에 있어서,
상기 방법은 제12항 또는 제13항에 따른 핵 반응 유도 방법을 포함하고, 상기 발사체 입자(3)는 그룹 p, d, n으로부터 선택되고, 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)는 그룹 2H, 3H, 10B 및/또는 11B 또는 NatB, 99Mo, 186W, 185Re, 187Re 또는 NatRe인 천연 혼합물로부터 선택되고, 상기 발사체 입자(3) 및 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 조합은 바람직하게는 98Mo(n, γ)99mTc, 185Re(n, γ)186Re, 187Re(n, γ)188Re 반응이 이어지는 중성자 생성을 위한 11B(p, n)11C, 98Mo(p, n)99mTc, 186W(p, n)186Re 또는 2H(d, n)3He 및 2H(d, n+p)2H의 핵 반응을 유도하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방사선 동위원소를 생성하기 위한 방법. - 핵 폐기물 변환 방법에 있어서,
상기 방법은 제12항 또는 제13항에 따른 방사선 동위원소를 생성하기 위한 방법을 포함하고, 상기 발사체 입자(3)는 p, d, n로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)는 핵 폐기물로부터 선택되며, 상기 발사체 입자(3)와 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)의 조합은 바람직하게는 다음의 핵 233U(p, 핵 분열), 235U(p, 핵 분열), 239Pu(p, 핵 분열), 특히 233U(n, 핵 분열), 235U(n, 핵 분열), 239Pu(n, 핵 분열) 또는 60Co(n, γ)61Co가 되도록 선택되고, 중성자 분열 동안 이들의 생성은 또한 상기 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)와의 상호 작용, 특히 2H(d, n)3He 및/또는 2H(d, n+p)2H 또는 2H(d, p)3H 반응 및 그 다음의 2H(t, n)4He 반응, 또는 3H가 전구체(21 및/또는 22 및/또는 23)로 사용되는 경우의 반응 3H(d, n)4He에서 직접 발생하는 것을 특징으로 하는 핵 폐기물 변환 방법. - 발열 핵 반응 유도 방법에 있어서,
상기 방법은 제12항 또는 제13항에 따른 핵 반응을 유도하기 위한 방법을 포함하고, 상기 핵 반응은 2차 반응 6Li(3He, 2α)1H 및 3He(3He, 2p)4He, 3H(d, n)4He, 2H(t, n)4He, 2H(n, γ)3H, 6Li(n, 3He)4He, 10B(n, α)7Li, 7Be(n, p)7Li, 13C(n, γ)14C, 14N(n, p)14C, 17O(n, α)14C, 21Ne(n, α)18O, 22Na(n, p)22Ne 또는 37Ar(n, α)34S이 뒤따르는 3He(d, p)4He, 6Li(d, α)4He, 7Li(p, α)4He, 10B(p, α)7Be, 11B(p, 2α)4He, 15N(p, α)12C, 6Li(p, 3He)4He의 그룹으로부터 선택되는 발열 핵 반응 유도 방법. - 발열 핵 반응으로부터 열을 회수하기 위한 방법에 있어서,
상기 방법은 제15항 또는 제16항에 따른 방법을 포함하고, 열(9)이 열 교환기(91)로 전도되는 발열 핵 반응으로부터 열을 회수하기 위한 방법. - 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 타겟(5)으로부터 방출된 상기 발사체 입자(3)는 상기 발사체 입자(3)의 중량 및/또는 전하 대 질량 비율(mass-to-charge ratio)에 따라 상기 핵 타겟(1)의 상기 중공부(12)에 순차적으로 충돌하는 것을 특징으로 하는 방법. - 방사성 동위원소 생산에 적합한 장치에 있어서,
상기 장치는 발사체 입자(3)가 핵 타겟(1)의 중공부(12)에 떨어지도록 조정 가능한 발사체 입자(3)의 소스를 포함하고, 상기 핵 타겟(1)은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 핵 타겟(1) 것을 특징으로 하는 장치. - 제14항에 따른 방사선 동위원소의 생성에 적합한 장치에 있어서,
상기 장치는 레이저 펄스(52)가 충돌한 후 발사체 입자(3)를 방출할 수 있는 레이저 타겟(5)을 포함하고, 상기 레이저 타겟(5)은 방출된 상기 발사체 입자(3)가 상기 핵 타겟(1)의 상기 중공부(12)로 떨어지도록 상기 핵 타겟(1)의 상기 개구부(11) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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