KR20240136313A - 방사성동위원소 공급원을 구비한 범용 화학 프로세서 - Google Patents

방사성동위원소 공급원을 구비한 범용 화학 프로세서 Download PDF

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KR20240136313A
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inlet port
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커티스 번바흐
윌리엄 조이스
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어드밴스드 퓨젼 시스템스 엘엘씨
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Abstract

중심 종축 및 메인 챔버를 갖는 반응기 용기를 포함하는 범용 화학 프로세서(UCP)는 메인 공급원료를 위한 제1 유입구 포트, 유동화 매질을 위한 제2 유입구 포트 및 하나 이상의 반응물을 위한 제3 유입구 포트를 포함한다. UCP는 또한 메인 챔버에서 종축을 따라 연장하여 포지셔닝된 방사성 요소를 함유하는 반응성 방사성 화학 프로세서(R2CP)를 포함한다. 작동 시, 유동층은, 유동화 매질 및 공급원료가 제1 유입구 포트 및 제2 유입구 포트를 통해 메인 챔버에 공급될 때, 메인 챔버에서 지지될 수 있고, R2CP의 방사성 요소는 공급원료 및 반응물을 이온화하고, 화학 반응을 유도하고, 방사선 구역 내에서 임의의 유기 물질을 멸균 및 분해할 수 있는 이온화 방사선을 방출한다.

Description

방사성동위원소 공급원을 구비한 범용 화학 프로세서
본 개시내용은 화학 공학에 관한 것으로, 특히 더 낮은 비용으로 매우 다양한 화학 반응 및 프로세스를 유도하고 오염을 감소시키거나 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
정의
산성 광산 폐기물: 때때로 산성 광산 배수(Acid Mine Water)라고도 하고, 두 경우 모두에서 AMW로 약칭된다. 이것은 광산으로부터의 유출(run off) 또는 채광 작업의 산성 선광 프로세스에 의해 오염된 지하수이다. 이러한 액체는 매우 다양한 화학물질에 의해 심하게 오염되어 있고, 심각한 오염원으로 나타난다.
악티나이드(Actinide): 자연에서 다양한 정도로 방사성을 나타내는 주기율표의 원자 번호 위치 89 내지 103을 차지하는 화학 원소. 이러한 문헌의 목적을 위해, 원자 번호 88의 라듐, 및 또한 천연 방사성 원소인 기술적으로 란타나이드인, 원자 번호 61의 프로메튬이 악티나이드에 포함된다. 많은 경우에, 이러한 원소는 다양한 비율로 함께 발견되어, 후속 분리 프로세스를 복잡하게 한다는 것이 주목된다.
선광(Beneficiation): 광물학적 또는 야금학적 자원의 특성을 상업적 및 산업적 목적에 적합한 제품으로 증강시키는 프로세스 또는 프로세스들의 그룹.
농축: 매질에서 다른 바람직하지 않은 원소 또는 화합물의 존재를 제거함으로써 매질에서 원소 또는 화합물의 백분율을 증가시키는 화학적 또는 기계적 프로세스.
건조기: 이러한 문헌의 맥락에서, 당 분야의 용어 "건조기"는 상기 화학물질로부터 물 또는 다른 바람직하지 않은 액체 함유물을 제거하기 위해 화학 프로세스에 열 에너지를 인가하는 수단을 지칭한다. 건조기의 물리적 컴포넌트는 또한 적절한 작업에 대한 적절한 고려 사항이 관찰되는 한 주어진 시스템에서 다른 기능을 가질 수 있음에 유의한다.
건식 화학: 본 명세서에서 사용되는 용어 "건식 화학"은 용액보다는 플라즈마를 발생시키는 프로세스를 지칭한다. 이는 오염 물질을 덜 생산하고 정화(remediation)가 훨씬 더 단순하다. 이는 또한 액체 배스(liquid bath)에서 작동하지 않거나 이들 작업으로부터 상당한 양의 오염물질을 생성하지 않는, 파쇄, 그라인딩, 스크리닝 및 분류와 같은 다른 광물학적 선광 프로세스를 지칭하는 데 사용될 수 있다.
전자기장: 설명의 편의를 위해, 용어 "전자기장"이 본 명세서에서 단독으로 사용될 때, 이는 전기장 단독(E), 자기장 단독(H), 정전기장 또는 상기의 조합을 의미한다.
추출: 특정 원소 또는 화합물을 주변 매트릭스로부터 분리하도록 설계된 화학적 프로세스 또는 프로세스들의 그룹.
공급원료: 시스템에 의해 수행되는 프로세스의 의해 변형(예를 들어, 분리, 화학적 변경, 분해, 멸균)되도록 의도되는 시스템에 투입되는 출발 물질. 공급원료는 과립형 고체, 액체, 가스 또는 플라즈마를 포함할 수 있다.
장 증강(Field Enhancement): 이러한 문서의 맥락에서, 당 분야의 용어 "장 증강" 및 이의 파생어는 이러한 장의 존재가 의도적으로 인가된 전기장 및 자기장의 존재하에 일어나는 제공된 장치 내에서 수행되는 반응들의 일부 양태를 증가시키는 경우를 지칭한다.
플래시 X선 조사기(Flash X-ray Irradiator): 이의 내부 반응 구역 내에서 물질을 분해, 멸균 또는 반응시킬 목적으로 매우 높은 방사선 수준을 가질 수 있는 원통형 대면적 X선 공급원. 플래시 X선 조사기는 RXCP의 선행 기술이고, 미국 특허 제8,019,047호 "플래시 X선 조사기"(이하 '047 특허 또는 FXI)에 기술되어 있다. '047 특허는 임의의 목적을 위해 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다.
응집(Flocculation): 화학적 응고제가 배스에 첨가되고 입자들 사이의 결합을 용이하게 작용하여 더욱 분리하기 쉬운 더 큰 응집체를 생성하는 화학적 프로세스. 입자는 플록(floc) 또는 플레이크(flake)(당 분야에서 동의어임)의 형태로 현탁액으로부터 나온다. 이러한 작용은, 응집 전에 입자가 액체에서 안정한 분산액의 형태로 단지 현탁되고 용액 중에 진정으로 용해되지 않는다는 점에서 침전과 상이하다.
부유선광(Flotation): 스키머(skimmer) 또는 유사한 장치에 의해 제거될 수 있는 원하는 화학적 화합물 또는 원소를 표면 상으로 떠오르게 하기 위해 특정 pH 및 조성의 화학적 배스와 하나 이상의 원하는 화학적 화합물 또는 원소를 함유하는 용액을 혼합하는 화학적 프로세스. 부유선광 후, 원하는 화합물 또는 원소는 세척 및 건조되거나, 때로는 원하는 화합물 또는 원소를 추출하기 위해 추가의 습식 프로세스로 처리된다.
유동층(Fluidized Bed): 미립자 매질의 유동화로 지칭되는, 유체로서 거동하는 과립형 고체/유체 혼합물을 생성하기 위해 유체(액체, 가스 또는 플라즈마)가 적절한 조건 하에 일정량의 과립형 고체 매질(대개 보유 용기에 존재함)을 동반할 때 일어나는 물리적 현상. 이는 일반적으로 미립자 매질을 통해 가압 유체, 가스 또는 플라즈마의 도입에 의해 달성된다. 이러한 생성된 고체/유체 혼합물은 중력 하에서 자유 유동하거나 유체 타입 기술을 사용하여 펌핑되는 능력과 같은 정상 유체의 많은 특성 및 특징을 갖는다. 유동층은 화학 반응을 용이하게 하기 위해 사용되고, 밀도 및 입자 크기에 기초하여 물질을 분리하는 데 사용될 수 있다.
유동층 농축기: 입자 크기, 밀도 또는 유동화 매질 압력에 기초하여 공급원료의 물리적 분리를 달성하기 위해 유동층 기술의 양태를 이용하는 기계적 장치. 또한 FB 농축기 또는 FB 분리기로도 지칭됨.
유동화 매질(Fluidizing Medium): 층 매질의 유동화를 달성하기 위해 유동층에 주입되는 과립형 고체, 액체, 가스 또는 플라즈마.
플루오르아파타이트(Fluorapatite): 일부 비료, 인산, 플루오린화수소산 및 인산석고(phosphogypsum)가 생산되는 광석. 이의 화학식은 Ca 5 F(PO 4 ) 3 이다. 이는 일반적으로 하이드록시아파타이트[Ca 5 (PO 4 ) 3 OH]와 함께 발견된다.
이온화 방사선: 통과하는 매질에서 이온화를 야기하기에 충분한 에너지를 갖는 입자, X선 또는 감마선으로 이루어진 방사선.
란타나이드: 희토류로 공지되어 있고 주기율표에서 원자 번호 위치 57 내지 71을 차지하는 화학 원소, 및 원자 번호 21의 스칸듐 및 원자 번호 39의 이트륨.
침출(leaching): 요망되는 화학물질을 동원하기 위해 공급원료가 다른 화학물질과 혼합되지만, 전형적으로 항상 강산, 염기, 박테리아 또는 염과 혼합되지 않는 화학 프로세스. 원하는 화학물질은 용액에 들어가고 후속 프로세싱 단계에 이용 가능하다.
리간드: 리간드는 배위 착물을 형성하기 위해 중심 원자에 결합하는 이온 또는 분자이다. 착물에서 리간드는 리간드 치환 속도, 리간드 자체의 반응성 및 레독스를 포함하는, 중심 원자의 반응성에 영향을 준다. 리간드 선택은 이들을 포함하는 대부분의 반응에서 중요한 고려사항이다.
동원(Mobilization): 추가 선광을 가능하게 하기 위해 광물학적 자원에서 착물로부터의 원하는 원소 또는 화합물이 존재하지 않는 화학적 프로세스.
조절하다(Modulate): 아날로그 밸브와 같은 아날로그 장비의 설정을 연속적인 방식으로(즉, 완전히 폐쇄된 것에서 부분적으로 폐쇄된/개방된 것 내지 완전히 개방된 것으로) 조정하기 위함.
인산석고: 비료, 인산 및 플루오린화수소산의 생산에서 플루오르아파타이트의 정제로부터의 부산물. 화학적으로, 이는 칼슘 설페이트(CaSO 4 ·2H 2 O)의 수화물이다. 이러한 물질은 또한 회수 가능한 양의 희토류(란타나이드) 및 일부 방사성 원소(악티나이드)를 함유한다.
인산: 화학물질 H3PO4는 일부 비료의 생산에 사용되고, 또한 많은 화학 반응 및 일부 식품, 화장품 및 치약의 생산에서 사용된다.
플라즈마: 플라즈마는 물질의 네 번째 상태(그 외에 고체, 액체, 가스)이다. 이는 하나 이상의 전자가 제거되는 것을 특징으로 하고, 이는 액체 및 가스 둘 다의 특성을 나타낸다. 플라즈마는 DC 여기, RF(및 마이크로파) 여기, 및 X선, 감마선 및 고에너지 2차 전자에 의한 여기를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다수의 수단에 의해 생성된다. 본 발명은 주로 이온화 수단으로서 X선의 사용에 관한 것이다. X선은 매우 높은 에너지를 가지기 때문에 특히 유용하고, 따라서 단일 광자는 고에너지 2차 전자의 생성을 포함하는 주어진 반응에서 여러 번 사용될 수 있고, 이는 충분히 높은 에너지를 갖는 경우 반응을 자극하는데 유용하다. 이는 또한 본 발명에서 고려되는 많은 반응에 필요한 조건인 총 이온화를 달성하는 가장 간단한 수단이다.
침전(Precipitation): 원하는 화학적 화합물 또는 원소가 용기의 바닥으로 떨어지게 하고 이로부터 임의의 여러 잘 알려진 수단에 의해 이를 제거할 수 있게 하기 위해, 하나 이상의 원하는 화합물 또는 원소를 함유하는 용액을 용기에서 특정 pH 및 조성물의 화학적 배스와 혼합하는 화학적 프로세스.
희토류: 란타나이드, 원자 번호 21의 스칸듐 및 원자 번호 39의 이트륨을 포함하는 원소의 그룹(원자 번호 57 내지 71).
반응성 X선 화학 프로세서(Reactive X-ray Chemical Processor): 존재하는 종을 이온화시키고 플라즈마 환경에서 반응을 촉진시키기 위해 X선 방사선을 사용함으로써 반응 조건을 증진시키도록 설계된 한 타입의 화학 프로세서. 이러한 프로세서는 "X선 조사에 의한 화학 반응을 유도하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 제9,406,478호(이하 '478 특허 및/또는 RXCP)에 개시되어 있다. '478 특허는 본 명세서에 임의의 목적을 위해 그 전체가 참조로서 포함된다.
스크리닝: 스크린을 사용하여 과립화된 물질을 다수의 등급으로 기계적으로 분리하는 관행. 스크린은 홀의 크기보다 작은 입자가 통과할 수 있게 하는 홀의 조밀하고 균일한 패턴을 갖는 표면이다. 스크리닝은 중력, 진동, 밀도 또는 정전기 기술을 사용하여 달성될 수 있다.
분리: 화학적으로 유사한 화합물을 분리하도록 설계된 화학적 또는 기계적 프로세스 또는 프로세스들의 그룹.
침강(퇴적(sedimentation)): 추가적인 화학물질을 사용하지 않으면서, (전형적으로 중력으로 인해) 시간이 지남에 따라 용기에서 혼합물로부터 원하는 화합물 또는 원소가 떨어지는 침전과 유사한 프로세스. 이후에 원하는 화합물 또는 원소는 널리 공지된 수단에 의해 용기로부터 수집될 수 있다.
시빙(Sieving): 입자 크기를 기초로 하여 물질을 분류하는 데 정밀 스크린이 사용되는 실험실 절차인 스크리닝의 서브세트. ASTM(American Society for Testing of Materials)은 스크린 크기를 정의한다. 이들은 일반적으로 "메시"(mesh), 즉, 200 메시, 50 메시 등으로 표현된다.
스택(Stack): 인산석고는 일반적으로 "스택"으로 불리는 매우 큰 파일(pile)로 실외에 저장된다. 스택은 종종 수십 에이커(acre)의 크기이고 수백 피트 높이일 수 있다.
광미(Tailing): 채광 작업의 선광 프로세스로부터 남은 물질.
증점(Thickening): 이름에서 알 수 있듯이, 증점은 용액, 액체, 슬러리 등의 점도가 증가하는 프로세스이다. 일부 화학 프로세스는 낮은 점도에서 잘 작동하는 반면, 다른 프로세스는 높은 점도를 필요로 한다. 증점은 다양한 프로세싱 단계 동안 물질의 점도를 제어하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다.
습식 화학: 본 명세서에서 사용되는 용어 "습식 화학"은 액체 매질 및 상태에서 수행되는 화학적 프로세스를 지칭한다. 광물학적 광석, 광미, 폐기물 및 부산물의 프로세싱에서 사용되는 바와 같이, 이는 일반적으로 다량의 강산, 강염기, 아민 및 생물학적 제제를 이용하는 프로세스를 지칭한다. 습식 프로세스는 전형적으로 오염이 심하고 정화 비용이 많이 든다.
배경기술
많은 산업적 적용에서, 상이한 화학물질을 반응시키고 때로는 화학, 입자 크기 또는 밀도에 기초하여 이들을 분리하는 것이 필요하다. 이러한 프로세스는 전통적으로 습식 화학을 사용하여 수행되어, 종종 독성 및 오염 화학물질을 포함하고, 요망되는 최종 생성물 이외에 오염된 폐기물 스트림 및 부산물을 생산한다.
예를 들어, 채광 산업에서, 광물 광석으로부터 유용한 광물 자원을 추출하기 위해, 채광 작업은 다양한 선광 프로세스를 이용하여 원하는 광물 및 원소를 광석에 존재하는 다른 것들로부터 화학적으로 그리고 기계적으로 분리한다. 관련된 이러한 프로세스는 침출, 스트리핑, 침전, 침강, 부유 선별, 침강, 응집, 농축, 동원, 스크리닝, 및 증점을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 이러한 프로세스는 때때로 "습식" 프로세스로 지칭된다.
대부분의 경우, 이러한 프로세스는 강산(황산, 질산, 염산, 플루오린화수소산 등), 강알칼리성(몇 가지 예를 들면, 가성 소다(NaOH), 생석회(CaO), 암모니아(NH3), 소다회(Na2CO3), 석회석(CaCO3)), 농축염(칼륨 클로라이드 등), 다양한 아민 등과 같은 독성이고 고도의 오염 화학물질을 사용하는 대규모 액체 화학 작업(예를 들어, 큰 액체 배스, 탱크 또는 폰드(pond)에서)을 기초로 한다. 이러한 화학물질은 요망되는 화학 반응을 생성하는데 효율적일 수 있지만, 선광 프로세스 동안 액체는 고도로 오염되고 환경적으로 건전한 방식으로 처리하기가 매우 어렵고 비용이 많이 든다.
습식 화학 프로세스와 관련된 환경 문제로 인해, 미국에서는 희토류 프로세싱과 같은, 특정의 프로세싱 활동이 거의 수행되지 않거나 드물게 수행된다. 희토류 광물의 첨단 기술 제조에 대한 결정적인 중요성에도 불구하고, 미국은 운영하는 환경 규제를 준수하면서 희토류를 함유하는 물질을 선광시키는 것이 너무 어렵고 비용이 많이 드는 것으로 판명됨에 따라 1980년대에 채광 및 희토류 가공에서 세계적으로 지배적인 위치를 포기하였다. 희토류 광물의 매장량이 많고 제한적인 환경 규제가 적은 중국은 이후 최대 희토류 가공업체가 되었다. 전 세계적으로, 상당한 희토류 자원을 갖는 많은 회사는 물질을 현지에서 가공하고 해당 활동의 독성 부산물을 다루는 것을 피하기 위해 중국 및 하나 또는 두 다른 국가로 가공을 위한 채광된 광석을 보낸다.
미국이 이러한 시장에서 자급자족의 위치로 돌아갈 필요성에 대한 인식이 나타난 것은 최근 몇 년이다. 그러나, 희토류 선광을 위한 최신 기술은 여전히 동일한 세트의 환경 문제에 지장을 주는 습식 화학 공정으로 남아 있다. 따라서, 특히 희토류 광물에 대한, 개선된 프로세스 기술이 실질적으로 필요하다.
제1 양태에서, 본 개시내용은 중심 종축 및 메인 챔버를 갖는 반응기 용기를 포함하는 범용 화학 프로세서(universal chemical processor: UCP)를 제공하며, 메인 챔버는 메인 공급원료를 위한 제1 유입구 포트, 유동화 매질을 위한 제2 유입구 포트 및 하나 이상의 반응물을 위한 제3 유입구 포트를 포함한다. UCP는 또한 메인 챔버에서 종축을 따라 연장하여 포지셔닝된 방사성 요소(radioactive element)를 함유하는 반응성 방사성 화학 프로세서(reactive radioactive chemical processor: R2CP)를 포함한다. 작동 시, 유동화 매질 및 공급원료가 제1 유입구 포트 및 제2 유입구 포트를 통해 메인 챔버로 공급되고 R2CP의 방사성 요소가 공급원료 및 반응물을 이온화하고, 화학 반응을 유도하고, 방사선 구역 내에서 임의의 유기 물질을 멸균 및 분해시킬 수 있는 이온화 방사선을 방출할 때 유동층은 메인 챔버에서 지지될 수 있으며, 상기 프로세스는 개별적으로 또는 다양한 조합으로 이용 가능하다.
또 다른 양태에서, 본 개시내용은 공급원료, 유동화 매질 및 반응물을 수용하고 유동층을 지지하고 용기 내의 방사선 구역에서 이온화 방사선을 방출시키도록 작동시키는 용기 내의 방사성 요소를 위치시키도록 반응기 용기를 구성하는 단계를 포함하는 화학 프로세싱 방법을 제공한다.
유동층은 통상적인 유동층 반응성 화학적 작업뿐만 아니라 분리 프로세스 둘 다에 사용될 수 있다. 유동층은 RXCP와 별도로 또는 이와 함께 사용될 수 있고, RXCP는 유동층과 별도로, 또는 이와 함께 사용될 수 있다.
본 개시내용의 다수의 추가적인 본 발명의 양태는 하기 상세한 설명에 기재되어 있다.
도 1은 본 개시내용에 따른 범용 화학 프로세서(UCP)의 실시형태의 단면도이다.
도 2는 X선 없이 플라즈마 강화된 유동층에 대한 예시적인 전극 구성을 나타내는 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP의 단순화된 개략적인 단면도이다.
도 3은 유동층 작업을 위한 공급원료 인젝터로서 사용하기 위해 변형된 예시적인 반응물 인젝터를 도시한 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP 평면의 단순화된 개략 단면도이다
도 4는 UCP에서 촉매의 예시적인 배열을 도시한 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP의 단순화된 개략 단면도이다.
도 5는 본 개시내용에 따른 UCP 및 제어 시스템을 포함하는 시스템의 실시형태를 도시한 개략도이다.
도 6은 UCP에서 생성된 플라즈마가 정전기장 증강을 사용하여 제한되는 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP의 단면도이다.
도 7은 UCP에서 생성된 플라즈마가 전자기장 증강을 사용하여 제한되는 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP의 단면도이다.
도 8은 UCP의 유동층 작업을 사용하는 본 개시내용에 따른 분리 프로세스의 제1 단계를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 UCP의 유동층 작업을 사용하는 본 개시내용에 따른 분리 프로세스의 제2 단계를 나타내는 개략 단면도이다.
도 10은 UCP의 유동층 작업을 사용하는 본 개시내용에 따른 분리 프로세스의 제3 단계를 나타내는 개략 단면도이다.
도 11은 가열/전극 요소를 갖는 본 개시내용의 실시형태에 따른 UCP의 개략 단면도이다.
도 12는 R2CP로 지칭되는 UCP의 RXCP/FXI 부분의 또 다른 실시형태의 종단면도이며, 여기서 중앙에 위치한 방사성 동위원소는 전기-동력식 전자총 대신에 이온화 방사선의 공급원으로서 사용된다.
도 13은 변경될 필요가 있을 때 방사성 중심 요소의 교체를 가능하게 하도록 제거 가능한 생물학적 방사선 차폐물의 제거 가능한 부분을 도시한 R2CP의 다른 길이방향 도면이다.
도 14는 방사성 요소가 반응 구역의 외부 표면 주위에 균일하게 배치된 R2CP의 상이한 구성의 단면도를 도시한다. 방사선이 반응 구역의 벽을 관통할 때, 이는 FXI, RXCP 및 UCP와 유사한 방식으로 추가적인 x선 및 2차 전자를 생성한다.
이전에 언급된 바와 같이, 광업의 현재 관행은 침출, 부유선광, 침전, 응집 및 침강과 같은 "습식" 프로세스를 사용하여 선광을 수행한다. 이러한 프로세스는 전형적으로 다량의 강산(전형적으로 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 염산(HCl), 플루오린화수소산(HF) 등), 강알칼리(몇 가지만 예를 들면, 가성 소다(NaOH), 생석회(CaO), 암모니아(NH3), 소다회(Na2CO3), 석회석(CaCO3)), 박테리아 또는 다른 염 용액을 필요로 한다. 이러한 프로세스의 종료 시, 상당한 오염 위협을 나타내는 광범위한 독성 화학물질에 의해 오염된 많은 양의 이러한 화학물질이 남는다. 이러한 폐기물을 복원하는 것은 비용이 많이 들고, 생성된 생성물의 전체 비용을 증가시킨다. 또한, 선광 작업은 종종 상당한 양의 처리 없이는 방출될 수 없는 다량의 오염된 공정 용수(process water)를 생산한다. 요컨대, 광업에 의해 수행되는 분리 및 관련 프로세스는 광업에 의해 생산된 독성 폐기물의 상당한 부분의 생성을 야기하며, 무공해 대안으로의 교체는 오랫동안 추구된 문제를 해결할 것이다.
본 개시내용은 화학적 프로세싱을 위한 방법 및 장치를 제공한다. 바람직한 실시형태에서, 범용 화학 프로세서(UCP)로 지칭되는 화학적 프로세싱을 위한 장치는 반응성 X선 화학 프로세서(RXCP)에 통합된 유동층 반응기를 포함한다. 일부 작동 구성에서, RXCP는 플래시 X선 조사기(flash X-ray irradiation: FXI)로서 작동될 수 있다. UCP는 건조 및 전자기장 증강을 위한 추가적인 컴포넌트를 포함할 수 있다. 전자기장 증강은 다양한 작동 모드를 통해 UCP에서 화학 반응에 영향을 주기 위해 전기장, 정전기장 및 자기장을 사용하는 것을 포함한다. 따라서, UCP는 유동층, X선 또는 감마 조사 및 다른 기술 둘 다의 양태를 조합하여 부분보다 큰 총합(sum)를 달성하고, 이전에는 이용 가능하지 않았던 플라즈마-기반 프로세싱 체제를 가능하게 한다. 유동층은 반응성 화학 프로세서로서 작동할 수 있을 뿐만 아니라 작동 제어 파라미터를 변경함으로써 순수하게 기계적 기반으로 분리를 수행할 수 있다. 개별적으로, 각각의 컴포넌트는 특정 범위의 작동이 가능하다. 조합될 때, 개별 작업에 추가하여, 본 개시내용의 방법 및 장치는 하기 논의되는 바와 같이 다수의 개별 단계 및 작업의 조합의 직접적인 결과로서 프로세스 단계 및 물리적 플랜트 장비의 예상치 못한 감소를 가능하게 한다. 본 개시내용은 UCP로 구현될 수 있는 여러 예시적인 프로세스를 제공하며, 이들 모두는 UCP의 독특한 아키텍처(architecture)로 인해 직접적으로 전통적인 접근법에 비해 개선을 구성한다. 또 다른 실시형태에서, 본 개시내용은 방사성 동위원소 공급원을 사용하는 화학적 프로세싱, 분해 및 멸균을 위한 장치를 제공한다.
도 1은 본 개시내용에 따른 UCP의 실시형태의 단면도이다. UCP(100)는 이러한 경우 수직의 길이방향 중심축을 갖는 일반적으로 원통형 또는 기둥형 용기(105)를 포함한다. UCP는 상이하게 배향될 수 있고 수평 또는 기울어진 종축을 가질 수 있지만, 유동층 작업의 경우, 대부분의 경우에서 수직 배향이 바람직하다는 것이 주목된다. 도 1에 도시된 바와 같이 하부 부분인 용기(105)의 기저부(108)에는, 당 분야에 공지된 바와 같이 용기(105)에 용접, 성형 또는 끼워맞춰질 수 있는 여러 투입 포트가 위치한다. 도시된 실시형태에서, 공급원료 유입구 포트(110)는 용기의 기저부(108)에 커플링되고, 공급원료가 용기 내로 전달되는 도관을 제공한다. 공급원료는 전형적으로 다른 도입된 물질보다 큰 직경을 갖기 때문에, 공급원료 유입구 포트(110)의 직경은 공급원료 생성물을 수용하기에 상응하는 크기를 갖는다. 공급원료는 일부 방식으로 용기에서 프로세싱되도록 의도된 과립형 고체, 액체, 가스 또는 플라즈마 물질을 포함한다. 예를 들어, 공급원료는 하나 이상의 화학 반응을 거치기 위해, 공급원료 유체의 성분들을 분리하기 위해, 제한적 화학 가공, 촉매 크래킹, 연소, 열 또는 물질 전달, 생성물 분리, 또는 계면 개질(예를 들어, 고체 품목 상에 코팅을 적용함)을 위해 용기에 도입될 수 있다. 하나의 유리한 구현예에서, 공급원료는 비료 생산의 부산물인 폐기물 저장 스택으로부터의 인산석고이며, 이는 희토류 및 방사성 원소를 포함하는 다수의 오염물을 포함할 수 있다. 공급원료는 공급원료 유입구 포트(110)로 연속적으로 또는 회분식으로(배치 모드로 지칭됨) 전달될 수 있고, 오염물은 추가 가공을 위해 또는 그대로 사용하기 위해 분리될 수 있다. 공급원료는 또한 반응물 인젝터 포트와 같은 다른 포트를 사용하여 전달될 수 있다.
유동화 매질 유입구 포트(112)는 기저부(108)에서 공급원료 투입 포트에 인접하게 포지셔닝된다. 유동화 매질은 전형적으로 대기압보다 높은 압력에서 유동화 매질 유입구 포트(112)를 통해 용기(105)로 전달된다. 유동화 매질은 반응기의 전체 바닥에 걸쳐 압력 하에 도입된다. 유동화 매질은 압축 공기와 같은 균일한 가스 또는 물과 같은 균일한 액체를 포함할 수 있다. 대안적으로, 유동화 매질은 가스, 플라즈마 또는 액체의 혼합물을 포함할 수 있다. 의도된 프로세스의 따라 광범위한 액체 및 가스가 사용될 수 있다. 예로서, 프로세싱(예를 들어, 분리)되는 물질이 산소의 존재에 의해 악영향을 받을 수 있는 경우, 질소 또는 아르곤이 압축 공기 대신에 유동화 매질로서 사용될 수 있다. 다양한 플라즈마가 또한 추가적인 반응을 발생시키는 효과와 함께 사용될 수 있다. 유동화 매질의 선택은 요망되는 최종 생성물에 의존적이다. 바람직하게는, 유동화 매질 포트 및 인젝터는 X선 조사에 대해 차폐된다. 차폐는 납과 같은 X선 방사선에 내성인 물질의 적어도 일부로 구성된 충전제 물질로 적층된 동심원 파이프를 사용하여 유입구 포트를 형성함으로써 구현될 수 있다. 격리 밸브(명확성을 위해 도 1에 도시되지 않음)는 필요하지 않을 때 유동화 매질의 흐름을 개방, 폐쇄 또는 조절하기 위해 유동화 매질 유입구 포트(112)에 커플링될 수 있다.
공급원료 및 유동화 매질 이외에, 하나 이상의 화학 반응, 열 전달, 촉매 작용 또는 다른 것을 증진시키기 위한 추가적인 반응물이 또한 기저부(108)에 위치된 하나 이상의 반응물 유입구 포트(114)를 통해 용기에 도입될 수 있다. 유동화 매질 포트와 마찬가지로, 반응물 유입구 포트(114)는 바람직하게는 X선 조사에 대해 차폐된다. 일 실시형태에서, 반응물 유입구 포트는 납과 같은 X선 방사선에 내성인 물질의 적어도 부분적으로 구성된 동심원 파이프 사이에 충전제 물질을 갖는 동심원 파이프로 형성될 수 있는 차폐부(117)에 의해 둘러싸여 있다. 외부 파이프는 316 강 또는 티탄과 같이 반응 구역에 존재하는 다른 물질과 반응하지 않을 물질로 구성되어야 한다. 묘사된 실시형태에서, 공급원료 및 유동화 매질 유입구 포트(110, 112)와 달리, 반응물 유입구 포트는 반응물을 용기의 기저부로 전달하지 않고, 오히려 반응물 유입구 포트는 예를 들어, 용기에서 다양한 높이에 위치된, 복수의 유출구 노즐, 예를 들어, (127)을 갖는 반응물 인젝터(125)로 이어진다. 차폐부(117)는 반응물이 반응 챔버(135)에 있고 균일한 방식으로 반응 구역에 도입될 때까지 반응물이 이온화되지 않고 도입되도록 한다. 일부 구현예(도시되지 않음)에서, 공급원료 유입구 포트(112)는 바람직하게는 더 적은 노즐로 물질을 챔버(135)의 중간에 도입하기 위해 반응물 유입구 포트와 유사하게 구성될 수 있고, 각각의 노즐은 반응물 유입구 노즐의 직경보다 큰 직경을 갖는다.
도 2는 세라믹 물질로 제조될 수 있는 절연된 피드스루(208)로 UCP의 하우징에 커플링될 수 있는 전기 절연된 반응물 유입구 인젝터(205)를 나타내는 UCP의 실시형태의 개략적인 단면도이다. 인젝터(205)는 UCP의 메인 챔버(215) 내로 길이방향으로 연장되는 차폐된 도관이다. 반응물 인젝터를 통해 수송된 반응물은 복수의 노즐, 예를 들어, (212), (214), (216)을 통해 메인 챔버 내의 반응 구역에서 나온다. 도 3은 또한 UCP의 메인 챔버(315) 내로 길이방향으로 연장되는 공급원료 전달에 적합한 차폐된 인젝터(305)를 포함하는 실시형태의 개략적인 단면도이다. 도 2에 도시된 실시형태와 달리, 차폐된 인젝터(305)를 통해 수송된 물질은 단일의 대형 노즐(320)을 통해 UCP의 메인 챔버 내의 반응 구역으로 배출된다.
일부 실시형태에서, UCP는 메인 챔버(135) 내에 플라즈마 또는 전자기장을 생성하거나 용기에 투입된 플라즈마를 유지하도록 구성된 메인 챔버 내에 전극을 포함한다. 플라즈마는 유동층에서의 화학 반응 및 플라즈마의 임의의 다른 효과 또는 용도를 유도하는 데 사용될 수 있다. 도 2에서, 메인 챔버(135)에서 반응 구역을 통해 연장되는 막대 형태의 전극(220)이 도시되어 있다. 전극은 또한 세라믹 물질로 제조될 수 있는 절연된 피드스루(225)를 통해 전원(도시되지 않음)에 커플링된다. 전원은 원하는 특정 타입의 플라즈마, 전자기장 및 바이어싱에 따라 AC, DC 또는 RF일 수 있다. 전극의 전압은 플라즈마의 밀도, 반응 구역에서 공급원료 및 반응물의 조성 및 밀도, 및 플라즈마의 압력을 포함하는 다수의 입자에 따라, 2 내지 20 볼트 및 최대 수 킬로볼트의 작은 범위일 수 있다. 플라즈마 또는 장 증강의 성공적인 구현에 필수적인 것은 절연체의 전압 등급, 및 벽 또는 촉매 등과 같은 다른 접지된 물체로부터의 전극 구조의 형상 및 간격에 주의를 기울이는 것이다.
플라즈마가 UCP 반응 구역의 벽에 닿지 않도록 하는 것이 바람직하며, 이는 "격납"으로 지칭된다. 이는 정전기적 또는 전자기적 수단을 사용하여 달성될 수 있다. 바람직한 정전기적 실시형태에서, 플라즈마는 도 2에 도시된 전극(220)과 유사한 전극이 사용되는 도 6(하기 논의됨)에 도시된 바와 같이 내부 정전기장에 의해 X선을 사용하지 않고 생성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 외부 전자기 코일은 도 7(하기 논의됨)에 도시된 바와 같이 RXCP 반응 구역 영역 내에 자기장을 생성하는 데 사용될 수 있다. 챔버 벽으로부터 플라즈마의 요망되는 분리를 제공하기 위해 작용할 정전기 및 전자기 둘 다의 많은 장 구성이 존재한다. 이는 당업자에게 명백할 것이다.
도 1로 돌아가서, UCP의 투입 및 출력 말단에서 포트(118, 180)는 질량 분석기로 이어진다. 이는 UCP에 의해 프로세싱되기 전 및 후에 공급원료 물질의 실시간 분석을 가능하게 한다. 용기 내로 공급된 유동화 매질 및 공급원료는 조합되어 용기의 기저부 위에 그러나 근접하게 포지셔닝된 확산판(120)을 통해 강제된다. 확산판(120)은 적절하게 다공성인 한, 다양한 내방사선성 물질로 제조될 수 있다. 대안적으로, 확산판은 동일한 효과를 달성하기 위해 균일한 패턴의 홀(hole)을 가질 수 있다. 확산판(120)은 분리 및/또는 다른 프로세스가 일어나는 용기의 메인 챔버(135)에 들어갈 때 유동화 매질을 분배하고 균일성을 증가시키는 효과를 갖는다(유동층이 공급원료 물질을 분리하기 위해 작동될 때 "분리 영역"으로 지칭됨). 재순환 파이프(138)는 챔버의 상부로부터 유동화 매질의 유동을 취하고, 이를 재순환 펌프를 통해 진행하게 하고, 이를 재순환 루프(도 1에 도시되지 않음)를 통해 챔버의 바닥에 재적용하여, 이를 유입되는 유동화 매질과 혼합시킨다.
일부 구현예에서, 촉매는 확산판 위에 위치할 수 있다. 그러나, 보다 일반적으로, 촉매는 반응 구역 내의 상이한 위치에 위치할 수 있고; 상이한 위치는 산출물에서 상이한 화학적 결과를 제공한다. 예를 들어, 일부 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이 반응 구역의 시작에 촉매를 갖는 것이 바람직하지만, 촉매는 또한 중심, 반응 구역의 상부 말단 근처에, 또는 반응 구역 외부에 전체적으로 포지셔닝된다. 위치는 원하는 촉매작용의 정도에 의존한다. 촉매는 많은 형태로 존재하지만, 명확성을 위해, 하나 이상의 스크린으로서의 이들의 구현예는 도 4에 도시되어 있다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 2개의 촉매 스크린(404, 408)은 UCP의 메인 챔버에서 확산판(410) 위에 그리고 반응 구역(414)의 하한 아래에 포지셔닝된다(반응 구역은 하기 UCP의 RXCP 섹션을 참조하여 설명된다). 2개의 스크린(404, 408)이 도시되어 있지만, 단일 스크린 또는 더 많은 수의 유사한 스크린이 존재할 수 있다. 스크린 구현예는 촉매를 UCP에서 생성된 반응에 도입하는 하나의 일반적인 방법이다. 촉매를 도입하는 다른 형태는 플레이트, 트레이, 메시 및 다양한 타입의 다공성 용기를 포함한다. 일부 구현예에서, 확산판(410)은 촉매를 운반하는 데 사용될 수 있다. 다른 형태의 촉매의 도입은 이러한 분야의 당업자에게 명백할 것이다.
일부 실시형태에서, 전기촉매로 알려진 특정 카테고리의 촉매가 선광 프로세스에서 사용될 수 있다. 전기촉매는 전극 표면에서 기능하거나, 가장 일반적으로 전극 표면 자체에 도입될 수 있다. 전기촉매는 백금화된 전극과 같이 불균일할 수 있다. 이는 전기 절연된 구조(도시되지 않음) 상에 촉매를 장착하고 전압 또는 신호가 촉매를 바이어싱하게 하여 전기촉매를 생성하도록 전기 절연된 전기적 피드스루를 제공함으로써 달성된다. 가용성인 균질한 전기촉매는 전극과 반응물 사이에서 전자를 이동시키는 것을 돕고/돕거나 전체 반쪽 반응에 의해 기술되는 중간 화학적 변형을 촉진한다. 균질한 전기촉매는 특정 타입의 반응에 사용될 수 있지만, 물리적 불안정성 및 용해성을 겪을 수 있으므로 모든 반응에 적합하지는 않다. 전기촉매 작용은 직접적인 전기적 연결에 의해 또는 반응기 용기 내의 전기장과의 상호작용에 의해 자극될 수 있다.
공급원료 물질은 메인 챔버(135)에서 유동화 매질에 혼입되고, 과립형 고체 및 유체(가스 및 플라즈마 포함)의 생성된 조합은 특정 제어된 조건 하에 유체로서 거동된다(즉, 유동화를 겪는다). 유동화는 용기의 치수, 층에 걸친 압력 강하, 평균 입자 밀도, 공급원료 및 반응물 유량, 및 다른 인자(하기 논의됨)를 포함하는 다양한 인자 및 파라미터가 공급원료 및 유체 혼합물이 유체로서 거동하도록 설계된 크기를 가질 때 일어난다. 묘사된 실시형태에서, 이는 적절한 직경의 용기의 기저부에서 미립자 매질을 통해 가압된 유동화 매질의 도입에 의해 달성된다. 유동층으로 지칭되는 조합된 과립형 고체/유체 매질은 현탁액이고, 중력 하에서 자유 유동하거나 유체-타입 기술을 사용하여 펌핑되는 능력과 같은 정상 유체의 많은 특성을 갖는다. 수평 작동을 가능하게 하는 것은 유동층의 이러한 양태이다. 재순환 파이프(138)는 챔버의 상부에서 가압된 유동화 매질을 수용하고, 펌프(161) 매질을 통해 유동화 매질에 압력을 가하고, 재진입 포트(163)에서 챔버의 바닥에 유동화 매질을 재적용하여, 이를 유입되는 유동화 매질과 혼합한다. 위에서 언급된 바와 같이, 유입구 포트(112)로부터 유입되는 추가적인 유동화 매질은 필요할 때 격리 밸브(도 1에 도시되지 않음)를 통해 차단될 수 있다. 그러나, 추가적인 유동화 매질은 전형적으로 생성물이 제거됨에 따라 부피 손실을 상쇄하고 FB 농축기 내에서 일정한 압력을 유지하기 위해 필요하다.
챔버(135) 내에서, 층의 상부 표면은 비교적 수평이지만, 본질적으로 물결 모양일 수 있으며, 이는 정수압 거동과 유사하다. 층은 단일 벌크 밀도로 표시될 수 있는 유체 및 과립형 고체의 불균질한 혼합물로 간주될 수 있다. 유동층 내부에서, 무겁고 조밀한 입자는 층에서 아래쪽으로 이동하는 경향이 있는 반면, 가볍고 매우 작은 조밀한 입자는 위쪽으로 이동하는 경향이 있어, 아르키메데스 원리에 따라 유체 거동을 나타낸다. 층의 밀도(보다 정확하게는, 현탁액의 고체 부피 분율)는 유체 분율을 변화시킴으로써 변경될 수 있으므로, 층의 평균 밀도와 비교하여 상이한 밀도를 갖는 물체는 가라앉거나 부유될 수 있다. 유동화 매질의 상향력은 입자의 상향 운동에 대한 강한 기여자이다.
유동층에서, 유동화 매질과 과립형 고체 입자의 접촉은 충전층과 비교할 때 크게 향상된다. 유동화된 연소층에서의 이러한 거동은 시스템 내부의 높은 정도의 열 전달 및 입자와 유동화 매질 사이의 열 전달을 가능하게 한다. 증강된 열 전달은 잘-혼합된 가스와 유사한 열 균일성을 가능하게 하고, 유동층은 균질한 온도 장을 유지하면서 상당한 열용량을 가질 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 유동층에서, 더 조밀한 물질은 FB의 바닥으로 이동하는 경향이 있다. 매우 작은 조밀한 입자가 FB의 상부로 이동할 수 있음에 유의해야 한다. 이는 추가 분리 작업에 대한 필요성을 발생시킨다. 이는 단순한 중력 유도 과정 때문이다. 예로서, 공기가 유동화 매질로서 사용되는 경우, 물질의 층을 통한 상향 유동은 층의 물질이 유동화 매질 상에 본질적으로 부유하게 한다. 물질이 부유할 때, 이는 전체 칼럼을 유동화시키고 더 가벼운 물질을 칼럼의 상부를 향해 밀어내는데 충분한 압력이 존재하는 반면 물질의 더 밀집된 부분은 칼럼에서 더 낮은 높이에 머무르거나 더 낮은 높이로 이동함을 의미한다.
유동화 조건은 하기 수학식 (1)에 의해 제시될 수 있고, 여기서 겉보기 압력 강하에 층의 단면적을 곱한 값은 과립형 고체 입자의 중량의 힘(유체에서 과립형 고체의 부력 제외)과 동일하다.
상기 식에서, Δp w 는 층 압력 강하이고, H w 는 층 높이이고, ε w 는 층 공극비(즉, 입자 사이의 유체 공간에 의해 점유되는 층 부피의 분율)이고, ρ s 는 층 입자의 겉보기 밀도이고, ρ f 는 유동화 유체의 밀도이고, g는 중력 가속도이고, M s 는 층에서 고체의 총 질량이고, A 는 층의 단면적이다.
추가적으로, 메인 챔버(135)로의 유동화 매질의 도입은 공급원료 물질의 입자 및 압력 차이와의 물리적 상호작용의 결과로서 형성되는 버블을 생성하는 효과를 갖는다. 물리적으로 작은 층에서, 형성된 버블은 작고 때로는 미시적이다. 직경이 10 내지 15 피트일 수 있는 대규모 산업 층에서, 버블은 상당히 클 수 있다. 버블은 유동층에서 화학물질의 혼합을 증가시킨다. 압력을 배출시키는 수단(예를 들어, 방출 밸브(relief valve))(138)는 층 내에서 일정한 차압 환경이 유지되도록 하기 위해 용기의 상부에 포함된다. 압력 완화는 바람직하게는, 특히 유동화 매질이 재사용될 때, 재순환 배관에 의해 달성된다. 주어진 버블 또는 공기 분자가 층의 상부 영역에 도달할 때, 공기의 속도는 층의 직경의 증가로 인해 갑자기 거의 10배만큼 떨어진다. 이는 더 가벼운(덜 조밀한) 입자가 재순환되는 난류 영역으로 다시 붕괴되어 결국 입자 크기, 밀도 및 유동화 매질 압력에 기반하여 안정한 층의 높이에 도달할 것임을 의미한다. 유동층은 대기압, 양압 또는 부분 진공 하에 작동될 수 있음이 주목된다.
다양한 물질 혼합물은 유동층을 사용하여 분리될 수 있다. 그리고 언급된 바와 같이, 가스, 액체, 과립형 고체, 또는 혼합 가스가 유동화 매질로서 이용될 수 있다. 특정 물질 및 유동화 수단은 당면한 특정 작업에 적절하게 선택된다. 배치-배향 가공이 의도되는 경우, 유동층 방법은 연장된 기간 동안 프로세스를 수행함으로써 높은 수준의 분리를 달성할 수 있다. 그러나, 산업 규모의 적용에서 전형적으로 발견되는 것과 같은 연속 공정이 요망되는 경우, 유동층은 프로세싱될 물질을 연속적으로 도입하기 위한 수단 및 상이한 밀도의 분리된 물질을 제거하기 위한 수단을 포함하도록 변형될 수 있다. 원하는 정도의 가공 및/또는 분리를 달성하기 위해 별개의 용기에 다수의 유동층을 포함하는 다수의 단계가 필요할 수 있다.
유동층에 의해 수행되는 분리 프로세스는 산업, 채광, 및 실험실 화학 프로세스에서 전형적으로 발견되는 부유선광, 침강, 일부 침전, 및 침강 프로세스를 대신하는 것으로 의도된다. 가장 중요한 이점은 다량의 독성 및 환경적으로 불건전한 화학물질을 사용하지 않고 분리가 수행된다는 것이다. 분리는 성분 공급원료 물질을 완전히 혼합하고 일정 기간에 걸쳐 밀도에 의해 물질을 효과적으로 분리하는 유동층의 특성으로 인해 진행된다. 하부 및 상부 산출(124, 128)은 작동하는 동안 분리 스트림의 온라인 분석이 FB 농축기로 수행될 수 있도록 질량 분석기 또는 이들에 연결된 다른 분석 기기를 가질 수 있다.
도 8 내지 10은 UCP의 FB 농축기 기능을 사용하는 본 개시내용에 따른 분리 프로세스의 예시적인 시퀀스의 단계를 도시한다. 도 8에서, 상이한 밀도의 주로 제1 및 제2 성분(성분 A 및 B)을 함유하는 공급원료는 공급원료 유입구(810)를 통해 UCP의 메인 챔버(835)(분리 구역)로 진입하고, 여기서 유동층은 유동화 매질 유입구(812)를 통한 유동화 매질의 공급을 통해 유지된다. 도시된 실시예에서, 성분 A는 성분 B보다 밀도가 높다. 도 8에 도시된 바와 같이, 공급원료 물질이 메인 챔버(835)에 진입함에 따라, 공급원료 물질은 초기에 일반적으로 무작위 방식으로 챔버의 부피로 확산된다.
도 9에 도시된 제2 단계에 의해, 공급원료 물질은 유동층의 부피 전체에 걸쳐 퍼지고, 더 높은 밀도의 성분(A)이 공급원료에 비해 더 높은 수준으로 농축되는 메인 챔버의 바닥을 향해 위치된 제1 부분적으로 분리된 혼합물(820)로 그리고 더 낮은 밀도의 성분(B)이 공급원료에 비해 더 높은 수준으로 농축되는 메인 챔버의 상부를 향해 위치된 제2 영역(825)으로 분리되기 시작하였다. 도 9에 도시된 제2 단계에서, 분리 프로세스는 초기 또는 중간 지점에서 수행된다. 농도 구배가 형성되기 시작했지만, 성분이 완전히 분리되지는 않았다.
도 10에 도시된 제3 단계에서, 성분 A 및 B는 보다 완전히 분리되었고, 영역(820 및 825)은 실질적으로 하나의 성분 또는 다른 성분을 함유한다(즉, 영역(925)에는 성분 A가 거의 없고, 영역(920)에는 성분 B가 거의 없다). 이러한 지점에서, 하부 및 상부 유출구 포트(140, 142)는 분리된 산출을 허용하도록 개방된다. 고농도의 성분 A를 갖는 유체는 하부 유출구(840)를 통해 용기 외부로 유동하고, 고농도의 성분 B 유체를 갖는 유체는 상부 유출구(842)를 통해 용기 외부로 유동한다. 위에서 언급된 바와 같이, 유출구 포트(840, 842)에서의 산출 스트림은 투입 공급원료에 비해 크게 농축되어 있지만, 원하는 목적을 위해 충분히 농축되지 않을 수 있고, 산출물은 성분을 추가로 분리하거나 달리 프로세싱하기 위해 UCP, 유동층 농축기 또는 프로세싱 디바이스로 투입될 수 있다. 추가적으로, 위에서 언급된 바와 같이, 유동화 매질은 유동층에서 유동화 매질의 부피 및 압력을 유지하기 위해 재순환 파이프(838) 및 펌프(846)를 통해 재순환된다.
일 예에서, UCP는 광물학적 공급원료 물질로부터 악티나이드 원소를 제거하는 데 사용될 수 있다. UCP는 우라늄, 라듐, 토륨 등과 같은 공급원료로부터 비교적 악티나이드를 분리하기 위해 유동층 모드로(하나 이상의 단계로) 작동될 수 있다. 이러한 농축된 산출물 물질은 전자레인지 또는 다른 건조 장치를 사용하여 건조될 수 있다. 유동층으로부터 비교적 가벼운 물질 산출물은 RXCP 모드로 작동하는 UCP일 수 있으며, 여기서, 물질은 암모니아(NH3)의 존재 하에 화학 반응을 겪는다. 이러한 단계는 망간 옥사이드(MnO2)의 존재 하에서 통상적인 습식 침출을 대체한다. RXCP 모드에서 반응의 생성물은 밀도에 따라 생성물을 다시 분리하는 추가 유동층 단계로 산출될 수 있다. 제2 유동층 단계로부터의 더 높은 밀도의 산출물은 전형적으로 라듐과 같은 잔여 악티나이드가 풍부하다. 이러한 추가적인 산출물은 편리한 무공해 제거를 위해 건조될 수 있다.
유동층 분리 프로세스는 유동층 작업 전 및 후에 스크리닝의 사용에 의해 증진될 수 있다. 스크리닝은 과립화된 물질을 스크린을 사용하여 입자 크기별로 여러 등급으로 기계적으로 분리하는 것을 포함한다. 스크리닝은 유동층 단계의 수가 감소될 수 있게 하여, 비용, 풋프린트, 안전성 및 처리량의 추가적인 개선을 야기할 수 있다.
하나의 중요한 적용에서, 유동층은 란타나이드 및 악티나이드의 선광에서 이들의 밀도에 기초하여 물질을 분리하는 수단으로서 사용될 수 있다. 기본적인 유동층 분리와 관련된 화학 반응이 없기 때문에, 유동층은 화학 산업에서 일반적으로 발견되는 것보다 간단한 방식으로 구현될 수 있고, 예를 들어, 유동층은 폴리에틸렌의 제조에 사용된다.
역사적으로, 유동층은 과립형 고체, 액체 및 가스를 사용하여 작동되었다. 본 발명자들은 또한 층에서 유동화 매질로서 플라즈마를 사용하거나 층에서 다른 유동화 매질의 존재 하에 플라즈마를 갖는 유동층을 작동시키는 것이 가능하다는 것을 깨달았다. 원하는 최종 결과를 달성하기 위해 플라즈마가 일부 속도로 챔버 내로 유동하는 다른 플라즈마 프로세스의 예가 있다. 하나의 그러한 예는 인공위성의 대기로의 재진입 및 인공위성이 재진입시 연소될 것임을 확인하기 위해 그러한 상황에서 겪게 되는 플라즈마 조건을 시뮬레이션하는 데 사용되는 플라즈마 풍동(plasma wind tunnel)이다. 본 발명은 많은 방식으로 가스로서 거동하는 플라즈마를 적절한 유입구 포트(114)를 통해 챔버로 가져오고, 플라즈마를 접지로부터 격리시키는 절연 수단을 제공하여 플라즈마의 전하를 접지시키지 않도록 한다. 일단 반응기 내부에 있는 플라즈마는 가스와 마찬가지로 거동하지만, 또한 RXCP 모드에서와 같이 거동한다. 이의 영향은 반응기에서 실질적으로 증가된 반응 속도 및 감소된 체류 시간이다.
X선이 존재하지 않을 때 유동층에서 플라즈마 또는 전자기장을 유지하기 위해 바이어스 전압이 인가될 수 있는 절연된 전극을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 반응 구역(170)에서 별도의 전극에 의해 또는 전극으로서 반응물 인젝터의 외부 셸을 사용하고 반응물 인젝터가 분리되고 접지 전위보다 높게 유지하기 위해 반응기에 진입하는 반응물 인젝터에 대한 절연 수단을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 전극 구성이 도 5에 도시되어 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 공급원료 물질이 밀도에 의해 분리될 때, 더 가벼운 성분은 메인 챔버(135)의 상부에 또는 그 근처에 포지셔닝된 상부 출력 포트(140)(또는 복수의 이러한 포트)를 통해 제거되고, 더 무거운 성분은 확산판(120) 위의 메인 챔버의 바닥을 향해 포지셔닝된 하부 출력 포트(142)(또는 복수의 이러한 포트)로부터 제거된다. 포트의 높이 및 입자 크기 밀도는 제거되는 물질의 밀도를 결정한다. 분리된 물질은 층 내의 내부 압력에 의해 출력 포트(140, 142)를 통해 유동층 밖으로 밀려 나온다. 출력 포트(140, 142)는 프로세싱되는 물질에 따라 크게 달라질 수 있는 프로세스의 후속 부분에 연결된다. 또한, 화학물질 생산과 같은 비-FB 프로세스를 위해 반응기의 상부에 포지셔닝된 메인 출력 포트(145)가 존재한다.
본 개시내용의 유동층은 산업, 채광, 및 실험실 화학 프로세스에서 전형적으로 발견되는 부유선광, 침강, 일부 침전 및 침강 프로세스에 대한 대체물로 의도된다. 가장 중요한 이점은 다량의 독성 및 환경적으로 불건전한 화학물질을 사용하지 않고 분리가 수행된다는 것이다. 분리는 성분 공급원료 물질을 완전히 혼합한 다음 시간 경과에 따라 밀도에 의해 물질을 효과적으로 분리하는 유동층의 특성으로 인해 진행된다.
UCP는 단독으로 또는 반응성 X선 화학 프로세서(RXCP) 플라즈마-발생 프로세스, 장-증강 및 건조와 함께 유동층으로서 작동될 수 있음이 주목된다. 유동층, 플라즈마-발생, 장-증강은 UCP 용기에서 동시에 또는 다양한 조합으로 순차적으로, 배치 프로세싱 환경에서 동일한 유닛으로, 또는 연속 프로세싱 환경에서 별도의 유닛으로 사용될 수 있다.
도 1에서, UCP의 중간 섹션은 용기 내에 도입된 화학 반응물을 (임의의 원하는 상태로) 완전히 또는 부분적으로 이온화할 수 있는 반응성 X선 화학 프로세서(RXCP)의 요소를 포함한다. 독립형 반응성 X선 화학 프로세서(RXCP)의 실시형태는 "Method and Apparatus for Inducing Chemical Reactions by X-ray Irradiation"라는 명칭의 공동 소유 및 양도된 미국 특허 제9,406,478호에 개시되어 있다. 이러한 능력은 특정 반응을 향상시킬 이러한 장의 영향 하에 반응을 수행하는 능력을 제공하는 전자기장 및 정전기장 공급원 둘 다의 첨가에 의해 추가로 향상된다. 추가적으로, UCP는 투입물 또는 반응 생성물로부터 물 또는 다른 원하지 않는 액체 내용물을 제거하기 위한 건조기를 포함할 수 있다.
RXCP 섹션의 기본 프로세스는 공급원료 유입구(110)를 통해 투입되는 공급원료 반응물의 전부 또는 일부, 및 하나 이상의 방사선-차폐된 반응물 인젝터(114, 116)를 통해 투입되는 다른 모든 반응물의 전체 또는 부분 이온화로 시작된다. 이는 공급원료 및 반응물이 플라즈마가 되게 한다. 이어서, 생성된 원자 종의 혼합물을 이들의 가장 낮은 에너지 상태로 재조합한다. 반응기 내의 반응물 및 이온화된 공급원료는 플라즈마 상태가 된다. 생성된 원자 종의 혼합물은 산출 유동을 생성한다. RXCP 섹션은 디바이스의 중심 영역에 위치한 반응물 측정, 제어, 및 주입 시스템(도 1에 도시되지 않음)과 함께 원통형 저온 전계 방출 중공 캐소드(150), 중공 그리드(155), 및 중공 애노드(160) 투과형 X선 공급원을 사용한다. 저온 전계 방출 캐소드(150)는 전자총을 함께 포함하는 그리드(155)를 포함한다. 투과 X선 튜브의 구조는 내부에 동축으로 배향된 중공 그리드(155)가 존재하는, 중공 캐소드(150)로 시작하고, 이러한 것 내에 축으로 배향된 중공 애노드(160)가 존재하고, 모두는 이들의 중심 축이 일치하도록 배열된다. RXCP의 전자총은 펄스 모드에서 대략 80,000 Amps/cm2의 이론적 최대 전류 밀도를 달성할 수 있고, 이는 X선 빔을 생성하는 데 사용되는 많은 수의 전자에 의해 생성된 높은 플루언스(fluence)로 인해 궁극적으로 높은 수준의 조사를 가능하게 한다. 실제 적용에서, 캐소드(150)는 이론적인 최대치로 로딩되지 않고, 오히려 약간 더 작은 값으로 로딩된다. 예를 들어, UCP의 RXCP 섹션은 전형적으로 0.025 내지 5 MeV의 높은 X선 광자 에너지, 및 전형적으로 킬로암페어에서 많은 메가암페어의 범위일 수 있는 높은 빔 전류를 달성할 수 있다. RXCP 섹션은 더 낮은 전류 수준에서 작동할 수 있고, 이는 특정 반응의 플루언스 요건에 의존한다. 하기에 기재되는 방사성 공급원(R2CP)을 이용하는 실시형태는 유사한 전류 밀도, 광자 에너지, 빔 전류 및 플루언스를 달성할 수 있음에 유의한다.
작동 시, 캐소드(150)는 전압, 전류 및 펄스 모드에서 사용되는 경우 상승 시간 및 펄스 반복률 요건을 충족시키는 전원(도 1에 도시되지 않음)을 사용하여 충전된다. 바이어스 저항기(또한 도시되지 않음)는 캐소드(150)와 그리드(155) 사이에 연결되고, 그리드(155) 상에 전압을 생성하는 데 사용되어 튜브가 일반적으로 스탠드오프 상태(전도되지 않음)에 있게 된다. 접지 전위의 제어 신호가 그리드(155)에 인가될 때, 그리드는 캐소드(160)의 제어를 해제하고 캐소드가 방전된다. 전자는 이후 캐소드(150)에서 애노드(160)로 이동한다. 이들이 애노드(160)에 충돌할 때, 이들은 X선 방사선 및 2차 전자를 생성한다. X선과 2차 전자의 혼합물은 등방성 방식으로 애노드(160)의 X선 방출 (내부) 표면으로부터 유리된다. 중공 애노드(160)의 비교적 얇은 벽으로 인해, 생성된 2차 전자 및 x선의 실질적인 부분(약 50%)은 중공 애노드의 중심 영역으로 전파한다. 입사 전자의 침투 깊이는 캐소드 전압과 애노드(160)의 두께 사이의 균형에 의해 제어된다. 애노드(160)는 전형적으로 원하는 투과된 조사에 대한 제어 정도를 달성하기 위해 조사 부피의 영역에서 얇은 벽 섹션을 갖는다. 애노드 벽 섹션 두께는 내부 공간의 직경, 캐소드 전압 및 애노드의 원자 번호(Z)의 함수이다. 애노드로부터 방출된 2차 전자는 전위 반응의 수를 극적으로 증가시키기 때문에 중요한 역할을 한다. 각각의 유리된 2차 전자는 또한 애노드 내의 원자를 공격하여 추가의 X선 방출 및 추가적인 2차 전자의 방출을 야기할 수 있다. 2차 전자의 이러한 캐스케이드 효과는 현실적인 에너지 균형이 달성될 수 있게 하는데 도움이 된다. 캐소드 전압은 캐소드 전기적으로 절연된 진공 피드스루(162)를 통해 공급되고, 그리드 전압은 그리드 전기적으로 절연된 진공 피드스루(164)를 통해 공급된다. 피드스루(162, 164) 둘 다는 전기적으로 절연되고 고진공 밀봉되고, 생물학적 방사선 차폐물(165) 및 용기 하우징을 관통한다.
콜드 캐소드 전계 방출 X선 공급원 대신에 다른 방사선원이 사용될 수 있다. 대안은 복수의 통상적인 X선 공급원을 사용하는 것이다. 적절한 감마 방사선 출력 및 반감기를 갖는 경우 핵 방사성 동위원소 공급원을 사용하는 것이 또한 가능하다. 전체 UCP 장치는 생성된 X선(또는 감마) 에너지에 상응하는 두께를 갖는 방사선 차폐부(365)에 의해 둘러싸여 있다.
RXCP 섹션에 의해 생성된 X선은 하한(185) 및 상한(187)에 의해 용기 내에서 공간적으로 한정되는 방사선 구역(170)으로 지칭되는 곳에서 메인 챔버(135)의 중심 부분으로 진입한다. 방사선 구역 내에서, 미리 설정된 화합물 및 원자는 총에 의해 형성된 X선 광자와 2차 전자의 혼합물 및 반응 구역 내의 다른 충돌 상호작용에 의해 존재하는 원자 종의 이온으로 구성 분자로 부분적으로 또는 완전히 이온화된다. 동시에, 또는 이와 동시에 일어나게, 2차, 삼차 및 추가적인 반응물이 반응 공간에 주입되고 동시에 또는 순차적으로 완전히 이온화될 수 있다. 임의의 이온, 전자, 원자 및 분자의 완전한 혼합 및 상호작용을 보장하기 위해 방사선 구역에 상당한 의도적인 난류가 존재한다. 반응의 특정 특성을 향상시키기 위해 방사선 구역에 촉매를 포함시키는 것이 가능하고 빈번하게 필요하다. 대부분의 경우, 이는 이를 변경하기 위한 특정 조치가 취해지지 않는 한 가장 낮은 에너지 상태 화합물일 것이다. 이러한 시스템의 자연스러운 경향은 가장 낮은 에너지 상태의 화합물을 생산하는 것이다. 다양한 파라미터를 조정함으로써, 재결합이 허용되면(X선 플럭스의 중단에 의해) 어떤 분자가 나타날 것인지를 정확하게 결정하는 것이 가능하다. 반응의 타입 및 일어나는 화학 반응 속도를 제어하기 위해 다수의 조정 가능한 파라미터가 사용된다. 조정 가능한 파라미터는 1) X선 전압; X선 전류(펄스 또는 연속 모드로); X선 펄스 지속시간; 제1 및 제2(및 존재하는 경우 후속) 반응물의 비율; 반응기를 통한 반응물의 유량 및 반응물로 선택된 특정 화학물질; 촉매 등의 사용을 포함한다.
반응물은 차폐된 반응물 인젝터(들)(125)를 통해 메인 챔버 내로 도입되고, 이를 통해 반응물은 차폐된 반응물 인젝터(들)(125)를 통해 메인 챔버(135)의 반응 구역에 진입한다. 다수의 반응물 인젝터가 사용될 수 있지만, 다수의 반응물 종은 단일 반응물 인젝터를 통해 도입될 수 있다. 일부 유동층 적용에 바람직한 바와 같이, 주입 포트는 상당한 양의 반응물이 반응 구역(170)으로 유동할 수 있도록 크게 만들어질 수 있음에 유의한다(도 3 참조). 주입 포트의 수는 원하는 만큼 적을 수 있다.
주입 전에 반응물의 분자 구조를 보존하기 위해, X-방사선 차폐된 주입 수단을 제공할 필요가 있다. 이는 조사 부피(170)로의 공급원료 물질의 도입 및 반응물의 도입 중 하나 또는 둘 다 전에 주입된 반응물의 조기 해리, 또는 조기 부분 또는 전체 이온화를 방지한다. 차폐된 주입 수단에 대한 요건은 바람직하게는 동심 파이프 사이의 간극 공간을 채우는, 전형적으로 납 또는 또 다른 높은 원자 번호 원소인 X선 방사선 차폐 물질(117)을 갖는 동심 파이프를 사용하여 반응물 도관(125)을 구현함으로써 충족된다. 파이프는 유입구(110, 114)를 통해 투입되는 공급원료 및 반응물 또는 조사 부피(170)의 방사선 환경과 양립 가능하지만 이에 의해 영향을 받지 않는 스테인리스강 또는 일부 다른 비반응성 물질로 제조될 수 있다. 반응물 유입구 포트(114)는 노즐, 예를 들어, 127을 갖는 일반적으로 원통형의 도관인 차폐된 반응물 인젝터(125)로 이어진다. 도 1은 또한 인젝터 도관 주위에 원주방향으로 포지셔닝된 노즐의 분포를 나타내는 다른 차폐된 반응물 인젝터(UCP는 1개, 2개 또는 그 초과의 차폐된 반응물 인젝터를 포함할 수 있음)의 평면도(절단되지 않음)를 포함하며, 반응물 인젝터의 수는 의도된 반응의 요건에 의존적이다.
개별 전극의 형태 또는 전기적으로 절연된 차폐된 반응물 인젝터의 형태의 추가적인 전극이 플라즈마 지원 및 전기장 증강을 위해 본 명세서에 포함될 수 있거나, 플라즈마 가둠 또는 전기장 생성을 위해 외부 자기 코일이 제공될 수 있음에 유의한다. 두 조건 모두 다를 지원하는 것이 가능하지만, 이러한 구성은 기능적으로 불필요할 것이다.
공급원료 물질 및 반응물 둘 다는 메인 챔버(135)로 진입하고, X선 및 2차 전자에 노출된다. 유동층이 동시에 존재하는 경우, 유동층의 유체 상이 또한 존재하고 X선에 노출된다. 반응물은 광범위한 액체, 가스, 플라즈마, 및 일부 경우에, 과립형 고체로 다양할 수 있다. 각 반응물 및 1차 공급원료의 양은 반도체 산업에 의해 개발된 바와 같은 질량 유동 제어기를 사용하여 계량된다. 이러한 제어기는 문자 그대로 원자 수준의 정확도로 매우 정확한 양의 물질을 전달할 수 있게 한다. 이는 반응의 화학량론의 매우 정밀한 제어를 제공한다.
유동층의 작동은 UCP에서 여러 수단 중 하나에 의해 향상될 수 있다. 첫째는 유동층 내에서 플라즈마의 개시에 의한 것이다. 이는 여러 수단 중 하나에 의해 달성될 수 있다. 하나는 RXCP의 X선 방출기를 켜는 것이다. 이는 이온화하고 반응 특성을 향상시키기 위해 고에너지 방사선을 제공한다. 두 번째 방법은 절연된 전극(히터 또는 건조기로서도 기능할 수 있음)에 고전압 DC 신호를 인가하는 것이다. 이는 X선을 사용하여 생성된 것보다 더 낮은 에너지의 플라즈마를 생성한다. 세 번째 방법은 다시 절연된 전극을 통해 RF 신호를 인가하는 것이다. 이는 X선에 의해 생성된 것과 DC에 의해 생성된 것 사이의 에너지를 갖는 플라즈마를 생성한다. 이온화 수단의 선택은 생성된 반응으로부터의 요망되는 최종 결과에 의존적일 것이다. 이와 관련하여, 반응 챔버에서 생성된 플라즈마의 고온은 또한 로스팅 프로세스에 의해 다양한 반응을 일으키기에 충분할 수 있음이 주목된다.
본 발명에 의해 고려되는 플라즈마의 고 반응성 특성으로 인해, 플라즈마를 벽 및 인젝터로부터 멀리 유지하기 위한 수단을 제공하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위한 3가지 주요 수단이 존재한다: (1) 바람직한 실시형태인 정전기적으로(도 6에 도시됨); (2) 전자기적으로(도 7에 도시됨): 일부 상황에서 사용 가능함; 및 (3) 물리적 격리 배리어(도시되지 않음)를 사용함. 후자로 시작하여, 물리적 격리 배리어는 다양한 반응물의 주입 및 또한 X선 및 2차 전자 둘 다에 의한 조명을 여전히 허용하면서 특정 영역으로의 플라즈마를 함유하는 반응 구역에 유전체 비반응성 삽입물을 배치하는 것을 포함한다.
도 6은 종종 장 가둠(field confinement) 또는 장 증강(field enhancement)으로 지칭되는 정전기 플라즈마 가둠(electrostatic plasma confinement)을 채용하고 바람직한 실시형태인 UCP의 실시형태의 단순화된 단면도이다. 도시된 실시형태에서, 3개의 등거리 전극(602, 604, 606)은 RXCP의 내벽(610)의 메인 챔버 내부의 작업 구역 내에, 그러나 반응 구역의 바로 외부에 포지셔닝된다. 전극(602, 604, 606)은 플라즈마 가둠 영역(615)으로 지칭되는, 플라즈마 반응이 일어날 균일한, 일반적으로 원통형 또는 구형 장을 생성하도록 구성된다. 다른 장 구성이 가능하다는 것이 주목된다. 정전기장 생성을 위한 전극으로서 하나 이상의 반응물 인젝터를 이용하는 것이 가능하다는 것이 추가로 주목된다.
도 7은 전자기 플라즈마 가둠을 이용하는 UCP의 실시형태의 단순화된 단면도이다. 도시된 실시형태에서, 4개의 전자석 코일(702, 704, 706, 708)은 반응 구역 주위에 포지셔닝된다. 활성화 전압/전류는 직류(DC) 또는 교류(AC)일 수 있다. 활성화될 때, 전자석 코일(702, 704, 706, 708)은 필드 라인(712)에 의해 예시된 자기장을 생성한다. 자기장은 가둠 영역(즉, 전류) 밖으로 이동하는 하전 입자를 다시 봉쇄 영역(715)으로 편향시킴으로써 반응 구역 내에서 생성된 플라즈마를 가둔다. 다른 코일 및 전자기장 구성이 가능하다는 것이 주목된다.
UCP 내에서 물질을 건조시킬 수 있는 것이 또한 바람직하다. 도 11은 건조기 요소를 갖는 UCP의 실시형태의 단면도이다. 도시된 축방향 단면도에서, 최외측에서 최내측으로 차례로 나열되는 여러 동심 원통형 요소가 있다: 차폐된 하우징(165); 캐소드(150), 그리드(155); 애노드(160) 및 건조기 요소(910). 건조기 요소는 중공 애노드(160)의 내벽 바로 내부의 전기 절연체(914, 918) 상에 장착되는 일반적으로 원통형인 구불구불한 저항 가열 요소를 포함할 수 있다. 건조기 요소(910)는 또한 건조기 요소를 UCP의 내부 부피 외부의 스위칭 수단에 커플링시킴으로써 플라즈마 개시 및 유지를 위한 전극으로서 사용될 수 있다.
질량 분석기 유입구 포트(118)를 통한 공급원료의 온라인 분석은 프로세싱 전에 수행된다. 반응기를 통과한 후, 반응물이 요망되는 상태로 반응되었음을 보장하기 위해 챔버의 상단에 있는 제2 질량 분석기 유입구(180)에서 유출물을 샘플링함으로써 제2 온라인 화학 분석이 수득된다. 추가적인 반응물은 요망되는 반응 및 농도를 달성하기 위해 정확한 비율로 첨가될 수 있음에 유의한다. 질량 유량계(도 1에 도시되지 않음)는 시스템에 공급되는 반응물의 정확한 양을 제어하기 위한 계측 분배 및 피드백 시스템을 제공한다. X선 전압 및 전류와 함께 이러한 인자를 제어함으로써, 광범위한 화학적 산출물을 생성하도록 시스템을 조정하는 것이 가능하다. 적합한 프로세싱, 메모리 및 통신 리소스가 장착된 호스트 컴퓨터(또한 도시되지 않음)는 공급 유입구, 유량계 및 질량 분석기에 연결되고, 모든 정보 소스를 결합하고 인공 지능 기반 작업을 활용하여 원하는 산출물 제품을 위해 반응기 파라미터가 항상 최적화되도록 보장한다. 질량 유량 제어기의 작동은 시스템의 투입 및 산출을 모니터링하는 시스템에 부착된 잔여 가스 분석기 및 다른 분석 기기로부터의 입력으로 호스트 컴퓨터에 의해 제어된다.
호스트 컴퓨터는 소프트웨어 명령 또는 적합한 펌웨어를 사용하여 다른 데이터 소스 중에서 공급원료 투입 및 산출로부터 생성된 질량 분석기 데이터를 비교하고, 출력 데이터를 원하는 최종 생성물의 기준 스펙트럼과 비교하도록 구성된다. 이러한 분석에 기초하여, 호스트 컴퓨터는 반응물의 동일한 유량을 증가, 감소 또는 유지할지 여부를 결정한다. 이러한 조정이 이루어지면, 호스트 컴퓨터는 수행된 조정이 최종 생성물을 요망되는 최종 결과 생성물에 더 가깝게 또는 더 멀어지게 하는지를 결정하기 위해 추가 분석을 반복한다. 이러한 반복에 기초하여 추가 조정이 이루어질 수 있다. 호스트 컴퓨터는 출력이 설정된 하한 및 상한 내에서 안정화될 때까지 반복을 계속한다. 생성된 출력 생성물이 호스트 컴퓨터에 대한 사양을 수정하기에 너무 벗어난 것으로 결정되면, 호스트 컴퓨터는 화학 프로세스를 중단하고 운영자에게 통지한다. 호스트 컴퓨터는 또한 안전 목적을 위해 다른 중요한 기능을 모니터링하고, 모니터링된 파라미터 중 임의의 것이 특정 범위를 벗어나서 안전 위험을 나타내는 경우 시스템을 종료할 것이다.
메인 챔버(135)에서 반응이 일어나면, 특정 화합물이 침전되어 적절한 출력 포트 중 하나를 통해 시스템의 산출부로부터 제거된다. 이러한 프로세스의 1회 이상의 반복 후, 유출물에는 원치 않는 화학적 성분 및 임의의 생물학적 또는 유기 성분이 없어진다. 예를 들어, UCP가 물의 처리에 사용될 때, 이는 존재하는 임의의 의약 또는 다른 복합 유기 화합물, 예컨대, 살충제를 분해한다.
UCP의 RXCP 섹션은 플래시 X선 조사기(FXI)로서 작동될 수 있다. FXI 모드에서, 고강도 x-방사선은 전형적으로 반응물 공급이 꺼진 상태에서 반응 구역에 적용된다. 이러한 모드에서, 공급원료는 일반적으로 나머지 포트가 꺼진 상태에서 공급원료 투입 포트를 통해 투입된다. 그러나, 일부 상황에서, 다른 유입구 포트는 FXI 모드에서 물질을 공급하는 데 사용될 수 있다. 반응(방사선) 구역에 존재하는 물질에 따라, 분해 및 가교는 이러한 모드에서 일어날 수 있는 반응의 전형이다. 이러한 맥락에서, 분해는 X선이 관련된 개별 요소의 K-에지 결합 에너지를 실질적으로 초과하는 강렬한 X선으로 조사될 때 복합 분자에 일어나는 것을 지칭한다. 이러한 특정 프로세스는 유기 성분이 존재하고 이를 제거하는 것이 요망될 때 유용하다. FXI 모드에서 강렬한 X선 조사는 임의의 유기 물질을 파괴하고, 이를 이의 구성 요소로 분해한 후 이들의 가장 낮은 에너지 상태 형태로 재결합한다. 추가적으로, 이온화 방사선(X선)은 중합체 등에서 가교 반응을 개시할 수 있는 것으로 잘 알려져 있다. 올바른 작동 파라미터를 설정함으로써, FXI는 이러한 작동 환경을 쉽게 달성한다. 이러한 프로세스 및 기타의 상세한 설명은 공동 소유 및 양도된 미국 특허 제8,019,047호에서 확인된다. 참조의 편의를 위해, 본 출원에서 RXCP 모드 또는 FXI에서 X선을 생성하는 데 사용되는 요소는 RXCP로 지칭된다.
유동층과 RXCP를 조합하기 위해, RXCP가 전형적으로 원통형 공정 섹션을 포함한다는 사실을 이용하기 위해 특정 변형이 이루어진다. 하나의 가능한 변형은 유동화 수단을 위한 공급 연결부를 갖는 천공된 바닥 플레이트, 및 UCP가 수직으로 장착되는 경우 반응 영역의 측면의 유입구 포트 및 유출구 포트, 또는 수평인 경우 천공된 바닥 플레이트를 부가하는 것이다. 분리될 물질의 사양 조성에 따라, 분리 효율을 증가시키기 위해, 유동층 단계 전 또는 후에, 그리고 UCP 외부에 스크리닝 단계를 도입시키는 것이 바람직할 수 있다. 유입구 포트 및 유출구 포트의 위치는 UCP가 회분식 또는 연속 모드로 사용될 것인지, 및 이것이 수평으로 또는 수직으로 사용될 것인지에 의존적임에 유의한다. UCP가 수평 위치에서 유동층으로서 작동될 때, 이러한 배향을 수용하기 위해 디퓨저 및 촉매를 재배치할 필요가 있는데, 이는 디퓨저가 층이 작동하기 위해 유동층의 바닥에 있어야 하기 때문이다. FXI 기능은 반응물 주입 수단을 끄고 UCP의 X선 생성 섹션(즉, 캐소드, 그리드 및 애노드)을 작동시킴으로써 달성된다. 본 출원의 목적을 위해, 배치 가공 수직 모드가 바람직한 실시형태이지만, 연속 모드의 수평 작동이 실용적이고 산업 규모의 프로세스에서 이용될 수 있다.
UCP가 사용되는 모드에 관계없이, 다음을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다중 순차적 모드에서 작동하는 능력을 포함하여 확인된 특정 공통점이 있다: i) 단지 유동층(FB); ii) 단지 RXCP; iii) 단지 플래시 X선, 하기를 포함하는 전체 UC, iv) FB + RXCP; v) FB + RXCP + FXI; vi) FB + 건조; vii) FB + RXCP + 건조; viii) FB + RXCP + 장 증강; ix) RXCP + 건조 및 x) RXCP + 장 증강. 상기 모든 작동 모드는 연속 또는 배치 모드로 수행될 수 있다. 상기 모드 모두는 전자기장 증강, 정전기장 증강, 두 증진 기술 모두로 수행될 수 있고, 상기 중 임의의 것은 필요에 따라 플라즈마 또는 비-플라즈마 환경에서 수행될 수 있다. UCP 모드는 단지 반응물을 중단시킴으로써 FXI 능력을 포함한다는 것이 다시 주목된다. 다른 FXI 작동도 이러한 모드 동안 일어날 것이다. 달성 가능한 프로세스의 다양한 조합은 당업자에게 명백할 것이다. 하기에 기재되는 R2CP는 상기 조합의 설명에서 RXCP를 대체할 수 있다.
촉매는 화학 반응을 가속화하기 위해 반응물 공급을 통해 UCP에 도입될 수 있거나, 반응 구역에 영구적으로 장착될 수 있다. 촉매는 촉매화된 반응에서 소모되지 않으므로 반응 후에 변하지 않는다. 많은 타입의 반응에서, 종종 매우 적은 양의 촉매만 필요하다. 또한, 일부 반응은 촉매의 존재하에만 일어날 수 있다. 유동층 및 RXCP(및 FXI)의 작동 둘 다는 특정 상황에서 촉매의 사용에 의해 증진될 수 있다. 일반적으로, 촉매는 촉매화되지 않은 메커니즘보다 더 낮은 활성화 에너지를 갖는 대안적인 반응 경로 또는 메커니즘을 제공하기 때문에, 화학 반응은 촉매의 존재하에 더 빠르게 일어난다. 촉매화된 메커니즘에서, 촉매는 일반적으로 반응하여 중간체를 형성한 다음, 프로세스에서 원래의 촉매를 재생시킨다. 티타니아(티타늄 디옥사이드(TiO2)) 또는 망간 디옥사이드(MnO2)와 같은 무기 화합물로부터 윌킨슨 촉매, RhCl(PPh3)3과 같은 복합 유기 화합물에 이르는 많은 물질이 촉매로서 기능할 수 있다. 예시적인 예로서, 윌킨슨 촉매는 진정한 촉매 사이클에 들어가기 전에 하나의 트리페닐포스핀 리간드를 잃는다. 일반적으로, 리간드는 전자 공여체로 간주되고 금속은 전자 수용체로 간주된다(즉, 각각 루이스 염기 및 루이스 산. 플라즈마 화학에서, 리간드의 사용은 생성될 수 있는 잉여 전자로 인해 생략될 수 있다. 이는 모든 반응에 적용되는 것은 아니지만 일부 반응에서는 주요 비용 절감 인자가 될 수 있다.
UCP의 유동층 부분의 경우, 촉매의 사용이 연구되었고, 유동층에서 수행된 수많은 반응성 프로세스는 촉매의 존재에 의해 가능하다. UCP의 RXCP 섹션의 경우, 촉매의 도입은 반응을 가능하게 하는 데 중추적인 첨가일 수 있다. RXCP(및 FXI)의 작동 원리는 이러한 프로세스에서 총 이온화 단계 후, 존재하는 이온이 상기 기재된 바와 같이 이들의 가장 낮은 에너지 상태로 즉시 재결합하려고 한다는 것이다. 촉매의 도입에 의해, 이러한 프로세스는 다른 것에 비해 한 화합물의 형성에 유리하도록 변경될 수 있다.
UCP의 일부 용도에 대한 개선된 공정 결과를 달성하기 위해, 반응기가 처리해야 하는 물질의 양을 최소화하기 위해 가능한 한 많은 미립자 반응물 물질을 제거하기 위해 공급원료 및 반응물 물질의 반응전 여과 및 침전된 물질을 제거하기 위한 후-여과를 수행하는 것이 종종 유용하다. 이는 본 개시내용에 따른 유동층 분리, 스크리닝, 하이드로사이클론 분리, 원심분리, 바스켓 타입 필터 또는 임의의 여러 다른 것을 포함하지만 이로 제한되지 않는 임의의 다수의 잘 알려진 프로세스의 의해 수행될 수 있다. 하이드로사이클론 방법은 연속적인 고용량 분리 방법이기 때문에 적절하고, 다수의 하드웨어 공급업체가 있으며, 하이드로사이클론 분리기는 바스켓 타입 필터보다 적은 유지보수를 필요로 한다. 하이드로사이클론 분리의 중요한 단점은 바스켓 타입 필터 또는 다른 공정만큼 미세하고 미시적인 오염물을 제거하는데 효과적이지 않다는 것이다. UCP 프로세스의 RXCP 섹션 전에 많은 물질을 제거하면 프로세스를 실행하는데 필요한 에너지의 양이 감소한다는 점에 주목한다.
유사하게, UCP의 RXCP 섹션은 이의 산출 스트림에서 여러 화합물의 침전물을 생산하도록 설계되기 때문에, 이들은 분리되어 이들을 다른 목적에 사용 가능하게 할 수 있다. 많은 다른 수단이 가능하지만, 점진적으로 더 미세한 공극 크기의 다단계 바스켓 필터는 요망되는 청정도 상태를 달성하는 좋은 방법이다.
도 5는 본 개시내용에 따른 UCP 및 제어 시스템을 포함하는 시스템의 실시형태를 도시한 개략도이다. 시스템(500)에서, 다수의 제어된 입력이 UCP에 공급되고, 입력 및 출력 둘 다가 모니터링되고 호스트 컴퓨터(550)의 제어 하에 있다. 탱크 또는 다른 용기와 같은 공급원료 공급(502)은 공급원료 공급 라인을 통해 투입 공급원료 물질의 질량 유량을 측정하는 공급원료 유량계(504)에 의해 모니터링되는 공급 라인을 통해 공급원료 물질을 전달한다. 공급원료 유량계로부터의 출력은 (유선 또는 무선 연결을 통해) 호스트 컴퓨터(550)로 전달된다. 공급원료 공급 제어 밸브(508)는 유량계(504)와 UCP(100)의 공급원료 투입 포트(110) 사이의 공급원료 공급 라인에 위치된다. 공급원료 제어 밸브는 또한 호스트 컴퓨터(550)에 의해 실행되는 알고리즘에 의해 결정된 바와 같이 UCP의 작동에 따라 밸브를 개방, 폐쇄 또는 조절하기 위한 제어 신호를 수신하기 위해 호스트 컴퓨터에 통신 가능하게 커플링된다.
유사하게, 유동화 매질 공급부(512)는 유동화 매질 공급 라인을 통해 유동화 매질의 질량 유량을 측정하는 유동화 매질 유량계(514)에 의해 모니터링되는 공급 라인을 통해 유동화 매질을 전달한다. 유동화 매질 공급부는 가압 액체 및/또는 가스 탱크를 포함할 수 있다. 유동화 매질 제어 밸브(518)는 UCP(100)의 유동화 매질 유량계(514)와 유동화 매질 투입 포트(112) 사이에 위치된다. 유동화 매질 유량계(514) 및 유동화 매질 제어 밸브(518) 둘 다는 호스트 컴퓨터(550)에 통신 가능하게 커플링되고, 유동화 매질 유량계(514)는 호스트 컴퓨터(550)에 측정 신호를 제공하고 반응물 공급 제어 밸브(528)는 호스트 컴퓨터로부터 명령 신호를 수신하여 UCP의 작동 조건에 따라 반응물 공급부를 조절한다. 마찬가지로, 탱크 또는 다른 용기를 또한 포함할 수 있는 반응물 공급부(522)는 투입 반응물 물질의 질량 유량을 측정하는 반응물 유량계(524)에 의해 모니터링되는 공급 라인을 통해 반응물 물질을 전달한다. 반응물 공급 제어 밸브(528)는 반응물 유량계(524)와 UCP(100)의 반응물 투입 포트(114) 사이에 위치된다. 반응물 유량계(524) 및 반응물 공급 제어 밸브(528) 둘 다는 호스트 컴퓨터(550)에 통신 가능하게 커플링되고, 반응물 유량계(524)는 반응물 질량 유량을 나타내는 신호를 호스트 컴퓨터(550)에 제공하고, 반응물 공급 제어 밸브(528)는 UCP의 작동 조건에 따라 반응물 공급을 조절하기 위해 호스트 컴퓨터로부터 명령 신호를 수신한다. 일부 구현예에서, 추가 반응물 공급부(532)는 공급원료 제어 밸브(504)를 통해 공급원료 공급 라인으로 이어지는 2차 반응물 공급 라인으로 추가 반응물(이는 반응물 공급부(522)로부터의 반응물과 상이할 수 있음)을 전달한다. 따라서, 공급원료 및 2차 반응물은 공급원료 투입 라인(110)을 통해 UCP(100)로 공급된다. 2차 반응물 유량계(534)는 2차 반응물 공급 라인을 통해 질량 유량을 측정하고 측정 신호를 호스트 컴퓨터(550)에 전달한다. 공급원료, 유동화 매질 및 반응물 공급물(502, 512, 522, 532)은 연속 모드의 탱크보다는 파이프를 포함할 수 있다.
유량계 및 제어 밸브(504/508, 514/518 및 524/528)의 쌍은 별개의 디바이스로 구현될 수 있지만 반드시 필요한 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 계량 및 유체 조절 기능 둘 다는 당 분야에 공지된 반도체 기술을 사용하여 단일 디바이스에 의해 수행될 수 있다. UCP는 또한 펌프가 반응기/농축기의 메인 챔버의 상부로부터 바닥으로 다시 유체를 재순환시키는 유동화 매질을 위한 재순환 루프(도 5에 도시되지 않음)를 포함한다.
UCP(100)는 UCP(100)의 근위 말단으로 공급되는 투입 물질의 샘플을 제1 질량 분석기(도 2에 도시되지 않음)로 공급하는 제1 분석 출력(118)을 포함한다. 제1 질량 분석기로부터의 출력은 호스트 컴퓨터(250)에 공급된다. UCP의 원위 말단에는 출력 생성물의 샘플을 제2 질량 분석기(또한 도시되지 않음)에 공급하는 제2 분석 출력(180)이 있다. 제2 질량 분석기로부터의 출력은 또한 호스트 컴퓨터(550)에 공급된다. UCP의 원위 말단은 또한 UCP 내에서 발생하는 반응 및 다른 프로세스의 생성물을 위한 메인 출력 포트(145)뿐만 아니라 압력 방출 배기구(138)를 포함한다. 출력 유량계(540)는 출력 생성물의 유량을 측정하고 측정 신호를 호스트 컴퓨터(550)에 전달한다. RXCP 또는 FXI 작업에 의해 유도되는 반응의 요망되는 생성물일 수 있는 메인 출력 포트(145)를 통해 나가는 물질은 탱크, 파이프 또는 추가적인 공정 컴포넌트로 이어질 수 있다. 배치 모드로 사용될 때, 단일 반응기가 사용될 수 있고 다양한 공급물 및 전기적 파라미터를 변화시킴으로써 다양한 프로세스 단계가 순차적으로 구현된다. 연속 모드에서 작동될 때, 더 적은 동시 작동이 사용되며, 다중 UCP는 특정 프로세스를 구현하기 위해 순차적으로 또는 달리 커플링될 수 있다.
호스트 컴퓨터(550)는 또한 UCP 내의 압력을 조절하기 위해 압력 배출(138)에 통신 가능하게 커플링된다. 호스트 컴퓨터(550)는 제어 밸브(504, 514, 524)를 통해 UCP로의 물질의 흐름을 조절하기 위해, 투입 반응물(모든 반응물은 공급원료를 포함함) 및 산출 반응물의 조성에 관한 질량 분석기로부터 수신된 정보뿐만 아니라 유량계로부터 수신된 유량 정보를 평가하도록 구성된다. 예를 들어, 호스트 컴퓨터는 반응이 너무 빨리 진행되고 있음을 결정하고 반응 속도를 늦추기 위해 투입 물질의 흐름을 제한하는 명령을 실행할 수 있다.
전력 공급기(545)는 UCP(100)의 캐소드 및 그리드에 전력을 제공한다. 호스트 컴퓨터(550)는 또한 UCP(100)의 RXCP 섹션의 다양한 컴포넌트를 작동시키기 위한 제어 신호를 제공하고 UCP의 상태를 모니터링하기 위한 전기 신호를 수신한다. 예를 들어, 호스트 컴퓨터(550)는 전자총을 켜지게 하거나 꺼지게 하도록 RXCP의 그리드(155)의 동작을 제어한다. 방사성 동위원소 공급원이 하기에 기재되는 실시형태(R2CP)에서와 같이 사용될 때, 이온화 공급원은 전기적으로 전력을 공급받을 필요가 없기 때문에 전력 공급은 실질적으로 단순화될 수 있다.
UCP가 공급원료 물질의 분리를 위해 사용될 때, 전형적으로 그러나 반드시는 아니지만, 유동층 작업에서, 비교적 무거운 성분은 하부 출력 포트(140)로부터 나오고 더 가벼운 성분은 상부 산출부(142)로부터 나온다(도 2에 도시되지 않음). 유량계(또한 도시되지 않음)는 또한 하부 및 상부 분리 출력 포트(140, 142)에 위치되어 분리된 흐름에 대한 질량 유량 데이터를 호스트 컴퓨터(550)에 제공할 수 있다. 제어 시스템의 독립적인 특성의 결과로서, 상호 배타적인 FXI 및 RXCP 기능을 제외하고는 UCP와 함께 임의의 특징 또는 특징들의 조합이 가능하다.
본 명세서에 기재된 UCP는 독립형 컴포넌트 및 다른 타입의 화학 프로세서에 비해 많은 상승효과 및 이점을 제공한다. 향상된 유동층의 존재로 인한 반응물, 촉매, 및 공급원료의 증가된 혼합 및 접촉은 통상적인 개별 반응기 및 프로세서보다 단계 당 더 높은 처리량 및 더 완전한 반응을 초래한다. 이는 단일 시스템이 다수의 프로세스를 구현할 수 있다는 점에서 UCP가 다양성을 증가시켰기 때문이다. 또한, 프로세스는 광범위한 전환 작업 없이 변경(예를 들어, 유동층 모드 단독에서 RXCP 모드에 의해 유동화로 작업 변경)될 수 있다. 달리 말하면, 단일 디바이스에서 다중 작동 모드를 지원하는 능력은 단일 공장이 개별 단계보다 더 쉽게 다중 제품을 생산하거나 공정 파라미터 및 구성을 변경할 수 있음을 의미한다.
UCP는 또한 유사한 기능의 통상적인 반응기보다 더 컴팩트한 설계 및 더 작은 풋프린트를 갖는다. 컴팩트한 설계는 더 나은 조정으로 더 간단한 전기 시스템을 가능하게 한다. 전술한 이점은 더 적은 변형을 필요로 하는 보다 보편적인 설계로 인해 제조 비용을 낮추고, 더 큰 규모의 경제를 달성할 수 있다. 본 명세서에 제시된 UCP 개념은 종래의 화학 가공 플랜트에서 지금까지 사용할 수 없었던 공정 유연성을 달성하는 예상치 못한 수단을 나타낸다.
특히, 채광 산업, 및 희토류 채광과 회수와 관련하여, 본 개시내용의 UCP는 오랫동안 추구된 요구를 충족시킨다. UCP의 기능의 타입은 수백 년 동안 사용되어 온 독성 및 오염 습식 화학 프로세스의 필요성을 제거할 수 있다. 이러한 채광 작업에 근접한 환경 및 민간인 인구 둘 다에 대한 영향은 즉각적이고 거대하다. 유동층을 이용한 효과적인 물질 분리, 환경 독소의 제거 및 위험한 부산물을 변형 또는 분해시키는 RXCP의 능력을 이용한 저감의 조합으로 인해, 희토류 프로세싱은, 더 이상, 다량의 독성 액체 폐기물의 생성으로 인해 환경적으로 유해하고 이전에는 불가능했을 위치 및 지역(jurisdiction)에서 비용 효율적으로 수행될 수 있는 활동일 필요가 없다. UCP는 소수의 국가들이 희토류 프로세싱에서 유지하는 거의 독점을 깨뜨릴 수 있기 때문에, 미국의 경우, 이는 국가 안보에 도움이 된다.
다른 채광 산업이 본 발명의 기술로부터 이익을 얻을 수 있음이 주목된다. 예를 들어, 오일 및 가스 생산 산업은 방사성이고 그 자체로 심각한 환경 문제를 나타내는 방대한 양의 폐기물 부산물을 생산한다. 인산석고 폐기물로부터 방사성 물질의 제거를 위해 본 명세서에 기재된 본질적으로 동일한 공정(하기 실시예 2 참조)은 인산석고, 라듐 및 라돈이 교정되어야 하는 2가지의 주요 방사성 성분인 경우와 같이, 본질적으로 동일한 요건(즉, 프로세스 스트림으로부터 방사성 물질의 제거)(하기 실시예 3 참조)에 대해 오일 및 가스 산업에 의해 유리하게 이용될 수 있다. 인산석고를 갖는 가스와 마찬가지로, 라듐 및 라돈은 개선되어야 하는 두 가지 주요 방사성 성분이다.
방사성 동위원소 실시형태(R 2 CP)
상기 기재된 바와 같이, UCP의 RXCP/FXI 섹션은 궁극적으로 이온화 방사선의 발생을 야기하는 전자총에 전력을 공급하기 위한 에너지를 공급하기 위해 전력 공급을 필요로 한다. 전력의 이용 가능성이 제한되거나 심지어 존재하지 않는 위치에서 UCP를 작동시키는 것이 유용한 상황이 있다. 이러한 상황에서, 방사성 동위원소는 전기적으로 구동되는 전자총 대신에 공지된 속도로 자연적으로 이온화 방사선을 방출하기 때문에, 방사성 동위원소 공급원은 이온화 방사선을 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다. 일부 방사성 동위원소는 이온화 감마 방사선을 직접 발생시킬 뿐만 아니라 X선 및 2차 전자와 같은 다른 형태의 이온화 방사선의 2차 발생을 유도할 수 있는 다른 에너지 입자(예를 들어, 알파 및 베타)를 발생시킨다. 하기 섹션은 방사성 동위원소 기반 반응성 화학 프로세서(이하 "R2CP"로 지칭됨)의 실시형태를 설명하며, 이는 반응성 방사성 화학 프로세서(Reactive Radioactive Chemical Processor)를 나타내는 약어이다(2는 "R 제곱 CP"를 나타내는 위 첨자이다).
R2CP는 또한 이온화 방사선을 생성한다는 점에서 FXI/RXCP/UCP와 동일한 기능성을 가지며, 이러한 경우에는 이는 전자총보다 방사성 동위원소 공급원을 사용하여 화학 반응을 촉진하고, 분해 및 멸균을 유도하고, 다른 적용을 위해 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, R2CP는 RXCP 모드(화학 반응을 촉진시키기 위한 반응물 포함), FXI 모드(반응물 없이, 분해 및 멸균에 더 많이 사용됨)와 유사한 방식으로 사용될 수 있고, 다른 방식뿐만 아니라 유동층을 지지하는 능력을 포함하는 UCP에서 사용될 수 있다. 따라서, R2CP는 RXCP 및 FXI 모드와 관련하여 설명되는 하기 논의되는 임의의 및 모든 화학 반응에서 사용될 수 있다.
도 12는 본 개시내용에 따른 R2CP의 실시형태의 종단면도이다. R2CP는 매질 및 반응물이 이를 통해 유동하는 중앙 파이프(1010)를 포함한다. 중앙 파이프(1010) 내에 방사성 물질을 함유하는 중앙에 위치한 유선형(streamlined)의 원통형 방사성 요소(1020)가 배치된다. 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소(1020)는 중실일 수 있거나 중공 실린더로서 형성될 수 있다. 유리하게는, 이러한 적용을 위해, 원자로로부터의 사용후 핵연료봉은 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소(1020)로서 사용될 수 있다. 이에 의해, 본 출원은 전기 에너지의 원자력 발전, 유해 핵 폐기물의 처리에 수반되는 주요 문제에 대한 해결책을 제공한다. 더 이상 원자력 에너지를 생산하기에 적합하지 않은 연료봉은 여전히 UCP의 목적에 충분한 방사성 물질을 함유한다. 연료봉(1020)(신규 또는 사용됨)은 이의 원래 상태일 수 있거나, 잘게 잘리거나, 파쇄되거나, 산에 용해될 수 있다(그 후에 산이 중화됨). 이는 요망되는 물질의 캐스팅을 용이하게 한다. 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소(1020)는 스테인리스 또는 지르코늄 컨테이너 내부에 기밀하게 밀봉된다. 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소(1020)의 컨테이너는 유동 안정화를 돕도록 지시될 수 있다. 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소는 중앙 파이프(1010)에 커플링되고, 이로부터 한 쌍의 3점 현수 핀(1024, 1028)(이 중 2개가 도면에 도시됨)을 이용하여 지지되며, 이는 또한 이들의 핀-형상 단면으로 인해 유동 안정화를 제공한다. 지지 핀(1024, 1028)은 조사의 지속기간을 증가시키는 효과를 가질 난류 조건을 도입하도록 기울어질 수 있음에 유의한다. 생물학적 방사선 차폐물(1030)은 중앙 파이프(1010)를 둘러싸서 임의의 방사선이 디바이스의 외부로 빠져나가는 것을 방지한다. 차폐물(1030)은 바람직하게는 납으로 제조되지만, 콘크리트, 강철, 천연 암석, 또는 적합한 원자 밀도의 다른 이러한 물질과 같은 임의의 적합한 차폐 물질이 사용될 수 있다. 플랜지(1034, 1038)는 반응기로부터 물질을 전달하고 제거하는 파이프 시스템에 대한 누출 방지 연결을 위한 플랫폼을 제공하는 중앙 파이프의 길이방향 단부에 위치된다.
중앙에 위치하는 유선형의 원통형 방사성 요소가 형성되거나, 중실 또는 중공이거나, 중앙에 위치하거나 반응물을 원주방향으로 둘러싸는 방식에 관계없이, 요 인자는 방사성 물질의 양 및 이것이 생성하는 이온화 방출이 필요한 정도의 이온화를 생성하는 데 충분히 높은 에너지 및 충분한 수준의 이온화 방사선을 제공하는 다수의 이온화 이벤트(event)라는 것이다. 일부 실시형태에서, 연료봉(1020)은 코발트-60, 토륨 232, 우라늄 233, 플루토늄 239, 세슘 137 등의 입자를 포함할 수 있다. 임의의 다른 방사성 동위원소는, 충분히 긴 반감기를 가지고 R2CP 프로세스에 의해 필요한 이온화 이벤트의 수를 달성하는데 충분한 고에너지 입자를 생성하는 한 사용될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시된 실시형태의 변형예를 예시한다. 이러한 실시형태에서, R2CP(1100)는 폐쇄될 때 방사선 밀봉 환경을 제공하는 제거 가능한 차폐된 덮개(1110)를 포함한다. 덮개는 공급원 어셈블리의 컴포넌트에 커플링되고, 중앙에 위치하는 유선형의 원통형 방사성 요소(1120)를 포함하는 어셈블리를 제거하고 새로운 연료봉으로 대체할 수 있게 하는 리프팅 링(1115)을 포함한다. R2CP(1100)로부터 제거된 어셈블리의 사용후 연료는 이후 차폐된 용기에 배치되고, 이는 또한 현장에서 폐기물 처리 현장으로의 운송을 위해 트럭, 철도 차량 또는 바지선과 같은 운송수단에 단단히 장착된다.
바람직한 실시형태에서, 로봇 디바이스는 R2CP에서 연료봉에 커플링하고, 제거하고, 교체하는 데 사용되는다는 점에 유의한다. 이러한 목적을 위해, 로봇 디바이스는 리프팅 링과 맞물릴 수 있는 특징뿐만 아니라 R2CP를 유지하는데 유용한 추가 특징을 포함할 수 있다. 로봇 디바이스의 사용은 방사성 물질 취급의 안전성 문제로 인해 중요할 뿐만 아니라, R2CP가 인간 인력이 없을 수 있는, 원격 또는 심지어 달과 같은 외계 위치에서 사용하기 위한 것으로 의도되기 때문에 중요하다.
도 14는 본 개시내용에 따른 R2CP의 또 다른 실시형태의 종단면도이다. 도 14에서, R2CP(1200)는 FXI, RXCP 및 UCP에서와 유사하고 동일한 설계 방정식에 의해 지배되는 얇은 벽 섹션을 갖는 중앙 파이프(1210)를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 방사성 물질은 중앙 파이프(1210)의 내부에 함유되지 않는다. 오히려, 중앙 파이프(1210)의 얇은 벽 섹션은 방사성 물질(1220)의 재킷에 의해 원주방향으로 둘러싸여 있다. 방사성 재킷(1220)에 함유된 방사성 물질은 캐스팅되거나, 기계가공되거나, 또는 분말 형태일 수 있다. 방사성 재킷(1220)은 또한 생물학적 방사선 차폐물(1230)에 의해 둘러싸여 있으며, 이는 다른 실시형태에서와 같이 납 또는 다른 적합한 차폐 물질로 제조될 수 있다.
모든 실시형태에서, 차폐는 R2CP에 함유된 방사성 공급원이 환경으로부터 기밀하게 밀봉되고(NRC 규정에 따라), 방출된 방사선을 대략 배경 방사선 수준으로 제한하도록 설계되도록 구조화된다.
중앙에 위치한 방사성 동위원소 공급원 또는 원주에 위치한 방사성 동위원소 공급원에서, 프로세싱되는 물질로부터 방사성 동위원소 공급원을 분리하는 물질의 벽 두께는 상기 동위원소 공급원으로부터의 감마선 방출의 에너지 수준을 중앙 파이프의 직경 및 프로세싱되는 물질의 밀도에 적절한 미리 결정된 에너지로 감소시키도록 조작되다는 점에 유의한다. 이는 일반적으로 보다 에너지가 높은 감마선 공급원을 FXI/RXCP/UCP 디바이스의 전자총과 동일한 에너지 범위에서 작동하도록 한다. 이는 또한 일반적으로 FXI/RXCP/UCP 디바이스에서 발견되는 때때로 매우 얇은 벽보다 기계가공이 더 용이한 격리 벽에 대해 더 두꺼운 벽 섹션을 필요로 한다. 이러한 조정성은 더 넓은 범위의 동위원소 공급원이 사용될 수 있게 한다. 원주에 위치한 방사성 동위원소 공급원의 경우, 벽 두께 파라미터는 특정 사전선택된 방사성 동위원소 공급원의 사용에 기초하여 제조 전에 결정된다. 도 14에 도시된 실시형태에서, 공급원이 제거 가능한 경우, 조사를 위한 보다 다양한 에너지를 허용하기 위해 또는 이전에 설치된 공급원을 대체할 때 상이한 동위원소 공급원이 이용 가능한 경우 상이한 공급원이 설치될 수 있다. 대부분의 적용에서, 메인 챔버에 도달하는 방출된 감마 방사선의 에너지를 쌍 생산 임계값으로 알려진 1.2 MeV 미만으로 유지하는 것이 중요하다. 이러한 수준 이상의 방사선은 방사능을 유발할 수 있으며, 이는 대부분의 적용에서 피해야 할 결과이다.
R2CP의 가능한 실시형태는 우주 탐사에서의 이의 사용이다. 여기서, 이는 이전에 기재된 것과 유사한 용도뿐만 아니라 외계체 상의 미네랄을 다른 보다 유용한 화학물질 또는 화합물로 전환시키는 것을 발견한다. 이는 이러한 외계체에 구조물을 건설하거나 상업적으로 이용하기 위한 것일 수 있다.
다른 광업 산업이 본 발명의 기술로부터 이익을 얻을 수 있음이 주목된다. 예를 들어, 오일 및 가스 생산 산업은 방사성이고 그 자체로 심각한 환경 문제를 나타내는 방대한 양의 폐 부산물을 생산한다. 인산석고 폐기물로부터 방사성 물질의 제거를 위해 본 명세서에 기재된 본질적으로 동일한 프로세스(하기 실시예 2 참조)는 본질적으로 동일한 요건(즉, 프로세스 스트림으로부터 방사성 물질의 제거)(하기 실시예 3 참조)에 대해 오일 및 가스 산업에 의해 유리하게 이용될 수 있다. 인산석고를 갖는 가스와 마찬가지로, 라듐 및 라돈은 개선되어야 하는 두 가지 주요 방사성 성분이다.
샘플 반응: UCP 작동의 예를 설명하기 위해, 여러 샘플 반응이 제시된다:
1. 과산화수소의 제조: UCP에서 과산화수소(H 2 O 2 )를 제조하기 위해, 정제수가 1차 공급원료로서 사용된다. RXCP 모드에서, 이는 이온화되고 하기 반응에서 정제된 산소와 반응하여 H 2 O 2 를 생성한다:
이러한 반응은 원하는 임의의 농도의 H 2 O 2 를 생성하도록 조정될 수 있다. 20% 초과의 농도에서, H 2 O 2 는 폭발할 수 있는 포인트까지 점점 더 불안정해진다는 것이 주목된다. 10% 초과의 대부분의 농도의 경우, 이러한 문제를 완화시키기 위해 안정화제 화학물질이 첨가된다.
H 2 O 2 의 전통적인 생산 방법은 다량의 암모니아, 황산, 2-에틸안트라퀴논, 암모늄 퍼설페이트 등의 사용을 포함하며, 이들 모두는 독성이고 환경 오염물로 간주된다. UCP/RXCP 프로세스는 이러한 모든 물질 및 이들이 생산하는 다운스트림 오염물질을 제거한다. H 2 O 2 를 제조하는데는 단지 물, 산소 및 전기가 필요하다. 요망되고 에너지가 이용 가능한 경우, 유입되는 폐기물 스트림은 전기분해되어 요망되는 양의 산소를 생성할 수 있고, 부산물로서 단지 수소를 갖는다.
2. 플루오르아파타이트 광석으로부터 인산, 및 플루오린화수소산의 제조: 이를 달성하기 위한 전통적인 습식 화학 프로세스는 하기와 같다:
이러한 반응식으로부터, 본 발명자는 Ca5F(PO4)3(플루오르아파타이트)가 황산(H2SO4) 및 물과 반응하여 인산, 플루오린화수소산 및 인산석고를 생산한다는 것을 알 수 있다. 인산석고((CaSO4·2H20)는 이러한 프로세스의 부산물이고, 칼슘 설페이트의 수화물이다). 이러한 반응의 최종 생성물은 이후 추가 분리 단계로 처리되어 개별 화합물을 분리한다. 플라즈마-기반 프로세스를 사용하여 동일한 최종 생성물을 달성하기 위해, Ca5F(PO4)3는 물과 혼합되고 RXCP 또는 UCP 반응기를 통해 유동할 수 있다. 그곳에서, 이는 이온화되고, 황화수소 가스 및 산소와 반응하여 동일한 최종 생성물을 생성한다. 프로세스의 화학량론을 유지하기 위해 반응기 작동 파라미터를 설정할 때 주의를 기울여야 한다. 반응은 하기와 같다: UCP에서 동일한 최종 생성물을 달성하기 위해, Ca 5 F(PO 4 ) 3 는 물과 혼합되고 UCP 반응기를 통해 유동할 수 있다. 그곳에서, 이는 이온화되고 황화수소 가스와 반응하여 동일한 최종 생성물을 생성한다. 프로세스의 화학량론을 유지하기 위해 UCP 반응기 작동 파라미터를 설정할 때 주의를 기울여야 한다. 반응은 하기와 같다:
H 2 SO 4 가 액체 반응물로서 사용되는(전통적인 프로세스) 대신에, 플라즈마 프로세스는 플라즈마 프로세스에 더 적합한 가스상 반응물로서 황화수소 및 산소를 사용한다는 것이 주목된다. 바람직한 실시형태에서, 작동 조건의 올바른 선택으로, 인산은 액체로서 분리되고, 인산석고는 고체(침전물)로서 분리되고, HF는 가스로서 분리되는 것이 가능하다. 이는 추가 프로세스 단계의 필요성을 제거한다. UCP가 이러한 프로세스의 가져오는 이점은 임의의 원치 않는 부산물이 가스로서 방출되고 프로세스 펌프의 배기구의 열분해 유닛 공해 방지 장비에 의해 파괴될 수 있기 때문에 독성 액체 폐기물이 없다는 것이다. 이것은 프로세스 펌프의 배기구 및 대기로의 빌딩 배기구와 직렬로 배치된 소각로이다. 플라즈마 기술의 사용은 현대 반도체 프로세싱에서 표준이다. 동일한 최종 생성물을 달성하기 위한 다른 플라즈마 기반 접근법이 있음에 유의한다.
3. 플루오르아파타이트 또는 인산석고로부터 악티나이드의 분리:
플루오르아파타이트는 그 자체로 거의 발생하지 않는다. 이는 일반적으로 하이드록시아파타이트[Ca5(PO4)3OH], 다양한 희토류(란타나이드) 및 방사성 광물(악티나이드), 전형적으로 우라늄, 라듐 및 토륨과 함께 발견된다. 다른 악티나이드도 종종 소량으로 발견된다. 따라서, 특정 포인트에서, 플루오르아파타이트(또는 인산석고) 및 란타나이드로부터 악티나이드를 분리하는 것이 필요하다. 채광 현장의 현지 조건 및 규제에 따라, 이러한 분리는 #2(상기)에 기재된 플루오르아파타이트 반응 전 또는 후에 수행될 수 있지만, 일반적으로 다량의 방사성 폐기물을 생성하지 않도록 전에 수행된다. 플루오르아파타이트 또는 인산석고(비료, 플루오린화수소산 및 인산 제조의 부산물)로부터 임의의 방사성 물질(악티나이드)을 제거하여 이들 생성물 및 잔여 인산석고가 다른 목적으로 안전하게 사용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 기존의 습식 화학 프로세스는 다량의 독성 오염물질을 생산한다. 일부 경우에, UCP의 사용은 악티나이드가 인산석고에 화학적으로 결합되지 않은 경우 습식 화학 및 이의 관련 오염물질을 완전히 제거한다. 이러한 경우, UCP는 유동층 모드로 사용된다. 플루오르아파타이트 또는 인산석고(이러한 특정 경우에 공급원료)는 건조 분말로서 도입되고 (전형적으로) 공기로 유동화된다. 이는 공급원료의 일부를 칼럼의 상부로 상승시키고, 악티나이드를 칼럼의 바닥으로 떨어지게 하고, 여기서 이들은 인산석고의 경우 개개의 유출구 포트(140) 및 악티나이드의 경우 개개의 유출구 포트(142)로부터 칼럼을 빠져나간다. UCP가 이러한 모드로 사용될 때, 분리는 입자의 밀도에 기초하여 달성된다. 화합물이 화학적으로 결합된 경우, 공급원료로부터 방사성 물질의 완전한 분리를 달성하기 위해 물리적 분리 단계 전에 반응성 플라즈마 단계를 사용하는 것이 적절하다.
UCP를 사용하여 인산석고 또는 플루오르아파타이트로부터 악티나이드 및 란타나이드를 분리하는 다른 수단이 존재한다. 전형적으로, 우라늄, 토륨 및 라듐은 플루오로아파타이트 및 이에 따라 인산석고에서 발견되는 주요 악티나이드이다. 이러한 수단 중 하나는 악티나이드(수화물로서)를 물 및 NO(가스로서의 산화질소) 또는 HCl(가스로서)과 반응시켜 하기를 생성하는 것을 포함한다:
상기 식에서, ACT는 특정 악티나이드 화합물을 나타낸다. 대안적으로, 우라늄 또는 토륨은 상업적으로 판매 가능한 부산물로서 암모늄 하이드록사이드(수성 암모니아)와 함께 암모니아 및 이산화탄소 가스를 사용하여 분리될 수 있다.
선택된 특정 반응은 이용 가능한 원료에 의존적이며, 이는 그대로 또는 이러한 물질의 기계적 및 전기적 특성 둘 다를 조정하기 위해 어느 정도의 프리프로세싱(preprocessing)과 함께 사용될 수 있다.
4. 의약 및 다른 유기 및 생물학적 오염물의 제거: 대부분의 국가가 직면한 주요 오염 문제는 물에 의약 및 다른 유기 화학적 오염물의 존재이다. 이러한 프로세스에서, 예를 들어, 물은 이를 오염시키는 의약 제품(또는 다른 유기 오염물)을 가지고, UCP는 FXI 모드로 수행된다. 여기서, 오염된 물은 고선량의 X-방사선에 노출된다. 이는 물을 이온화시키는 동시에 유기 오염물(의약을 포함함)의 모든 결합을 파괴하는 두 효과 모두 다를 갖는다. 모든 생성된 이온은 이후, 이전에 미국 특허 제8,019,047호 "Flash X-ray Irradiator"에서 정의된 바와 같은 프로세스에 따라 이들의 가장 낮은 에너지 상태로 재결합한다. 수소 및 산소 이온은 또한 재결합하여 다시 물을 생성한다. 생성된 물은 이제 장쇄 유기 오염이 없고 또한 멸균되어 있다. UCP 시스템(FXI 또는 RXCP 모드에서)이 이러한 수준의 이온화 및 관련된 분해를 달성할 수 있는 이유는 생성된 2차 전자 및 X선(또는 R 2 CP의 경우에 감마선) 둘 다로부터의 입사 에너지가 K-셸 에너지 수준의 몇 배라는 것이며, 이러한 에너지 수준에서 K-셸 전자(및 다른 모든 것)는 원자에서 떨어져 나간다. 이는 모든 유기 화합물, 생물학적 물질, 석유화학 물질 및 의약에 적용된다. UCP는 RXCP 모드에서 실행될 수 있고, 오염을 추가로 개선하기 위해 오염된 물에 앞서 기재된 바와 같은 과산화수소(H 2 O 2 )를 첨가하는 데 사용될 수 있다는 것이 주목된다.
충분한 양의 X-방사선 또는 감마 방사선은 주요 생물학적 거대분자의 화학적 변화 및 유전적 손상을 유도하는, 분자 결합의 파괴에 의한 DNA의 파괴를 포함하지만 이로 제한되지 않는 여러 수단에 의해 생물학적 유기체에 치명적이며, 이들 중 임의의 것은 유기체의 죽음으로 이어질 수 있다. 멸균 처리 동안, 관심 샘플은 충분한 플루언스(fluence)에서 고에너지 X선, 전자 또는 감마선과 충돌하여, X선뿐만 아니라 극도로 불안정한 자유 라디칼, 분자 이온 및 2차 전자의 형성을 초래한다. 이러한 방사선 생성물은 이후 근처의 분자와 반응하여 화학 결합을 파괴하고 변경한다. DNA는 특히 방사선의 손상 효과에 매우 민감하고, 이온화 방사선에 노출 시 구조를 파괴, 해중합, 돌연변이 및 변경할 것이다. DNA 손상의 불완전한 복구는 궁극적으로 유전 정보의 손실 및 세포 사멸을 초래한다. 방사선에 대한 제공된 생물학적 유기체의 민감성은 십진 감소 선량(D 10 값)으로 제공되며, 이는 미생물 집단의 10배 감소를 초래하는 방사선의 선량이다.
5. 오일 및 화학물질 유출, 박테리아 및 조류 과증식과 같은 해양 오염물의 제거: 본 적용에서, 시스템은 보트, 호버크라프트 또는 다른 타입의 해양 운송 수단(marine vehicle), 바람직하게는 쌍동선(catamaran)에 장착되고, 보트가 움직이는 동안 물 속으로 내려갈 수 있는 뱃머리(bow) 사이에 포지셔닝된 큰 스쿱(scoop)이 존재한다. 스쿱은 오염된 물을 파이프를 통해 FXI 모드(가장 단순한 형태) 또는 산소가 첨가되어 과산화수소를 형성하는 RXCP 모드로 작동되는 UCP로 유도한다. FXI 모드에서, 임의의 유기물을 분해시키고 존재할 수 있는 임의의 박테리아 또는 다른 조류를 사멸시키기 위해 단지 방사선이 사용된다. RXCP 모드에서, 방사선 및 산화 둘 다는 오염물을 정화하고 제거하는 데 사용된다. 반응기를 통과하는 임의의 어류는 어느 하나의 프로세스 모드에서 죽을 가능성이 있음에 유의한다. 이는 어류가 유닛에 진입하는 것을 차단하기 위해 유입구 위에 메시를 사용함으로써 배제될 수 있다. 이러한 구현은 메시에 의해 포획된 어류 및 다른 물질을 제거하기 위해 또는 어류를 몰아내기 위해 발전된 용기 앞으로 유도된 물에 신호를 전송함으로써 주기적 세척을 필요로 할 수 있음에 유의한다. 산소가 본 출원에서 사용될 수 있는 유일한 첨가제가 아님이 추가로 주목된다. 염소와 같은 다른 가스는 동일한 목적을 달성하는데 성공적으로 사용될 수 있다.
이러한 적용을 구현하기 위해, UCP 또는 파생물에 추가하여, 발전기 및 고전압 전원이 보트에 장착되어야 할 것이다. 또한, 보트 속도가 일부 미리 규정된 한계를 초과하지 않는 경우, 충분한 물이 UCP 또는 파생물을 통과하도록 보장하기 위해 펌프를 포함할 필요가 있을 것이다. 일단 조사 디바이스를 통해, 프로세싱된 물을 다시 뽑아들인 수역으로 선미로 버려진다. 조류 성장물을 제거하는 이러한 방법은 표면에 부유하는 것으로 제한되지 않는다는 것이 주목된다. 스쿱은 물을 통하는 용기의 속도 및 수중 장애물과의 얽힘을 방지하기 위한 적절한 주의를 충분히 고려하여 임의의 원하는 깊이로 전개될 수 있다. 온보드 소나(on-board sonar)는 수중 장애물과 스쿱의 얽힘을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
유사하게, 오일 및 화학물질 유출의 경우, 동일한 장치가 사용된다. 독성 연기 또는 가연성 물질이 관련된 경우 용기의 조작자를 보호하기 위해 주의를 기울여야 한다.
매우 큰 유출의 경우, 전형적으로 바다, 만, 큰 만 또는 해협 등에서 더 빠른 크라프트가 필요할 수 있다. 이는 또한 조사 시스템이 더 높은 조사 수준에서 실행되어야 하기 때문에 전력 수요를 증가시킨다. 이러한 경우, 피크 전력 생성을 위해 전력 산업에서 사용되는 것과 같이 발전기에 커플링된 소형 제트 엔진(전형적으로 대형 비즈니스 제트에 사용되는 크기)이 사용될 수 있다. 배기 가스는 보트를 고속으로 이동시키기 위해 추력을 발생시키고, 발전기는 메가와트 범위의 전력을 생산할 수 있다. 이러한 타입의 모터 제너레이터는 여러 공급업체로부터 상업적으로 입수 가능하다. 저속 기동을 위해 더 작은 통상적인 모터 및 프로펠러 시스템도 포함된다. 고속 작동을 가능하게 하기 위해 기동 시스템 프로펠러가 페더링될 수 있는 것이 필수적이다.
조사 용기의 조작자에 대한 방사선 보호를 제공할 필요가 있다. 이는 조사 시스템으로부터의 방사선이 조작자를 타격하는 것을 차단하도록 배치된 납 또는 다른 높은 원자 번호 차폐 물질의 형태일 수 있다. 시스템이 작동하지 않을 때 조작자 및 승무원에게 방사선 위험이 없음에 유의한다. 대안적으로, 해양 운송 수단은 UCP에 의해 생성된 방사선으로부터 안전한 거리에 조작자를 배치시키기 위해 원격으로 작동될 수 있다.
R2CP 실시형태가 해양 적용을 위해 사용될 때, 전자총, 발전기 및 연료 공급을 제거함으로써 제거되는 중량은 일반적으로 용기를 인간 조작자에게 안전하게 만드는 데 필요한 생물학적 차폐 필요성의 추가된 중량에 의해 상쇄된다. 제트 추진력의 손실은 그렇지 않으면 저속 작동 및 근접 기동에 존재했을 것보다 더 큰 전통적인 엔진을 포함함으로써 보상된다.
본 명세서에 개시된 임의의 구조적 및 기능적 세부사항은 시스템 및 방법을 제한하는 것으로 해석되지 않으며, 오히려 당업자에게 방법을 구현하기 위한 하나 이상의 방법을 교시하기 위한 대표적인 실시형태 또는 배열로서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
도면에서 유사한 숫자는 여러 도면을 통해 유사한 요소를 나타내고, 도면을 참조하여 설명되고 예시된 모든 컴포넌트 또는 단계가 모든 실시형태 또는 배열에 필요한 것이 아닌 것으로 추가로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시형태를 설명하기 위한 것이며, 제한하려는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 영어의 관사("a", "an" 및 "the")에 수반되는 단수 형태는 문맥에서 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다" 또는 "포함하는"은 언급된 특징, 정수, 단계, 작업, 요소 및/또는 성분의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작업, 요소, 성분 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 추가로 이해될 것이다.
배향의 용어는 본 명세서에서 단지 관례 및 참조의 목적으로 사용되며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그러나, 이러한 용어는 관찰자와 관련하여 사용될 수 있는 것으로 인식된다. 따라서, 어떠한 제한도 암시되거나 추론되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(involving)" 및 이들의 변형의 사용은 이후에 열거된 항목 및 이들의 등가물뿐만 아니라 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다.
상기 기재된 주제는 단지 예시의 목적으로 제공되며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 예시되고 설명된 예시적인 실시형태 및 적용을 따르지 않고, 그리고 본 개시내용에 의해 포함되는 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 본 명세서에 기재된 주제에 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있으며, 이는 하기 청구범위에서 인용의 세트에 의해 그리고 이들 인용과 동등한 구조 및 기능 또는 단계에 의해 정의된다.

Claims (30)

  1. 중심 종축 및 메인 챔버를 갖는 반응기 용기를 포함하는 범용 화학 프로세서(universal chemical processor: UCP)로서,
    상기 메인 챔버로 이어지는 메인 공급원료를 위한 제1 유입구 포트;
    상기 메인 챔버로 이어지는 유동화 매질을 위한 제2 유입구 포트;
    상기 메인 반응기 챔버로 이어지는 하나 이상의 반응물을 위한 제3 유입구 포트; 및
    반응성 방사성 화학 프로세서(reactive radioactive chemical processor: R2CP)
    를 포함하되, 상기 반응성 방사성 화학 프로세서는
    상기 메인 챔버에서 종축을 따라 연장하는 방사성 요소; 및
    상기 UCP에서 생성된 생성물을 위한 유출구
    를 포함하고, 작동 시, 유동화 매질 및 공급원료가 상기 제1 유입구 포트 및 상기 제2 유입구 포트를 통해 상기 메인 챔버로 공급될 때 유동층은 상기 메인 챔버에서 지지될 수 있고,
    상기 R2CP의 방사성 요소는 공급원료 및 반응물을 이온화하고, 화학 반응을 유도하고, 방사선 구역 내에서 임의의 유기 물질을 멸균 및 분해할 수 있는 이온화 방사선을 방출하는, UCP.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사성 요소가 상기 메인 챔버의 중앙에 위치하고 형상이 유선형(streamlined)인, UCP.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방사성 요소가 핵 시설로부터 얻어진 사용후 연료봉을 포함하는, UCP.
  4. 제2항에 있어서, 중앙에 위치한 유선형의 원통형 방사성 요소를 상기 메인 챔버로부터 제거하고 그 안에서 교체할 수 있게 하는 상기 메인 챔버의 벽에 커플링된 제거 가능한 차폐된 덮개를 추가로 포함하는, UCP.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방사성 요소가 상기 메인 챔버의 벽의 얇은 길이방향 섹션을 원주방향으로 둘러싸는 재킷으로서 형성되는, UCP.
  6. 제1항에 있어서, 상기 메인 챔버 내에 포지셔닝된 촉매 물질을 추가로 포함하는, UCP.
  7. 제5항에 있어서, 상기 촉매가 상기 메인 챔버 내의 스크린, 플레이트(plate) 및 컨테이너(container) 중 하나 내에 설치되는, UCP.
  8. 제1항에 있어서, 작동 시, 상기 R2CP가 이온화 방사선을 방출하는 동안 상기 유동층이 지지될 수 있는, UCP.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 유입구 포트, 제2 유입구 포트 및 제3 유입구 포트가 상기 이온화 방사선에 대해 차폐되는, UCP.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 공급원료 유입구 포트 및 제2 유동화 매질 유입구 포트가 공급원료 및 유동화 매질을 상기 방사선 구역의 업스트림의 상기 반응기 용기의 기저부(base)로 전달하는, UCP.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 공급원료 유입구 포트 및 제2 유동화 매질 유입구 포트의 다운스트림의 상기 반응기의 기저부에 포지셔닝되고 상기 유동화 매질 및 공급원료를 상기 메인 챔버로 균일하게 분배하는 것을 돕도록 작동하는 디퓨저(diffuser)를 추가로 포함하는, UCP.
  12. 제5항에 있어서, 상기 재킷을 상기 메인 챔버로부터 격리시키는 벽의 길이방향 섹션의 두께가 상기 재킷으로부터 방출된 감마선 방출의 에너지 수준을 상기 메인 챔버의 직경 및 프로세싱되도록 의도된 물질의 밀도에 적절한 미리 결정된 에너지로 감소시키도록 조작되는, UCP.
  13. 제12항에 있어서, 상기 벽의 길이방향 섹션의 두께가 방출된 감마선의 에너지가 1.2 MeV 미만이도록 조작되는, UCP.
  14. 화학적 프로세싱 방법으로서,
    공급원료, 유동화 매질 및 반응물을 수용하고 유동층을 지지하기 위한 반응기 용기를 구성하는 단계; 및
    상기 용기 내의 방사선 구역에서 이온화 방사선을 방출하도록 작동하는 방사성 요소를 상기 용기 내에 위치시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방사성 요소가 반응기 용기의 중앙에 위치하고 형상이 유선형인, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 방사성 요소가 핵 시설로부터 얻어진 사용후 연료봉을 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이온화 방사선이 임계값 수준 아래로 떨어질 때 제거 가능한 차폐된 덮개를 통해 상기 용기로부터 상기 연료봉을 제거하는 단계; 및
    상기 제거 가능한 차폐 덮개를 통해 새로운 연료봉을 상기 용기에 배치하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 반응기 용기가 내부 챔버를 둘러싸는 벽을 포함하고, 상기 방사성 요소가 상기 내부 챔버의 벽의 얇은 길이방향 섹션을 원주방향으로 둘러싸는 재킷으로서 형성되는, 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 방사성 요소가 상기 방사선 구역 내에서 공급원료 및 반응물을 이온화하도록 작동하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 방사성 요소가 이온화 방사선을 방출하는 동안 상기 유동층이 지지되는, 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 반응기 용기가 외계체(extraterrestrial body)에 설치되는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 외계체에서 발견된 광물학적 물질을 상기 반응기 용기에 투입하는 단계; 및
    상기 광물성 물질을 상기 방사성 요소에서 생성된 이온화 방사선 및 반응물에 대한 노출에 의해 화학 반응시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제18항에 있어서, 상기 재킷을 상기 메인 챔버로부터 격리시키는 벽의 길이방향 섹션의 두께가 상기 재킷으로부터 방출된 감마선 방출의 에너지 수준을 상기 메인 챔버의 직경 및 프로세싱되도록 의도된 물질의 밀도에 적절한 미리 결정된 에너지로 감소시키도록 조작되는, 방법.
  24. 중심 종축 및 메인 챔버를 갖는 반응기 용기를 포함하는 화학 반응, 분해 및 다른 변형을 유도하기 위한 반응성 방사성 화학 프로세서(R2CP)로서,
    상기 메인 챔버로 이어지는 메인 공급원료를 위한 제1 유입구 포트;
    상기 메인 반응기 챔버로 이어지는 하나 이상의 반응물을 위한 제2 유입구 포트; 및
    상기 메인 챔버에서 종축을 따라 연장하는 방사성 요소
    를 포함하되; 상기 R2CP의 방사성 요소는 공급원료 및 반응물을 이온화하고, 화학 반응을 유도하고, 방사선 구역 내에서 임의의 유기 물질을 멸균 및 분해할 수 있는 이온화 방사선을 방출하는, R2CP.
  25. 제24항에 있어서, 상기 방사성 요소가 상기 메인 챔버의 중앙에 위치하고 형상이 유선형인, R2CP.
  26. 제24항에 있어서, 상기 방사성 요소가 핵 시설로부터 얻어진 사용후 연료봉을 포함하는, R2CP.
  27. 제25항에 있어서, 중앙에 위치한, 유선형의 원통형 방사성 요소를 상기 메인 챔버로부터 제거하고 그 안에서 교체할 수 있게 하는 상기 메인 챔버의 벽에 커플링된 제거 가능한 차폐된 덮개를 추가로 포함하는, R2CP.
  28. 제24항에 있어서, 상기 방사성 요소가 상기 메인 챔버의 벽의 얇은 길이방향 섹션을 원주방향으로 둘러싸는 재킷으로서 형성되는, R2CP.
  29. 제24항에 있어서, 상기 재킷을 상기 메인 챔버로부터 격리시키는 벽의 길이방향 섹션의 두께가 상기 재킷으로부터 방출된 감마선 방출의 에너지 수준을 상기 메인 챔버의 직경 및 프로세싱되도록 의도된 물질의 밀도에 적절한 미리 결정된 에너지로 감소시키도록 조작되는, R2CP.
  30. 제29항에 있어서, 상기 벽의 길이방향 섹션의 두께가 상기 방출된 감마선의 에너지가 1.2 MeV 미만이도록 조작되는, R2CP.
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US3048529A (en) * 1958-07-30 1962-08-07 Standard Oil Co Fluidized catalyst regeneration
US8376013B2 (en) 2008-03-11 2013-02-19 Duke University Plasmonic assisted systems and methods for interior energy-activation from an exterior source
CA2754622C (en) 2008-05-16 2013-11-19 Advanced Fusion Systems Llc Flash x-ray irradiator
CA2799645C (en) * 2010-07-01 2017-04-18 Advanced Fusion Systems Llc Method and system for inducing chemical reactions by x-ray irradiation
CN105050679B (zh) * 2013-01-31 2017-09-29 密苏里大学管委会 辐解电化学发生器
US20170312730A1 (en) 2016-04-28 2017-11-02 Syrah Resources Method for thermal preconditioning of natural graphite flakes using electromagnetic waves
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