JP2024508494A

JP2024508494A - carbon negative furnace

Info

Publication number: JP2024508494A
Application number: JP2023552510A
Authority: JP
Inventors: アレスネチャス，; トシキタジマ，
Original assignee: ティーエーイーテクノロジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2022-03-01
Publication date: 2024-02-27
Also published as: WO2022187176A1; EP4302313A1

Abstract

本明細書に説明される主題は、概して、核融合炉および核***炉における炭素ナノ材料（ＣＮＭ）の利用に関し、具体的には、限定ではないが、炉壁におけるＣＮＭの適用に関する。エネルギー、磁束、および粒子の全ての側面の管理および取扱を促進する、ＦＲＣベースの非中性子融合炉または光子炉、および***炉または核変換溶融塩炉のための第１の壁システムおよび方法。本明細書に提供される例示的実施形態は、概して、エネルギー、磁束、および粒子の全ての側面の管理および取扱を促進する、融合炉および***炉のための第１および後続の壁システムおよび方法を対象とする。The subject matter described herein relates generally to the utilization of carbon nanomaterials (CNMs) in fusion and fission reactors, and specifically, but not exclusively, to the application of CNMs in reactor walls. First wall systems and methods for FRC-based non-neutron fusion or photon reactors and fission or transmutation molten salt reactors that facilitate management and handling of all aspects of energy, flux, and particles. The exemplary embodiments provided herein generally provide first and subsequent wall systems and methods for fusion and fission reactors that facilitate management and handling of all aspects of energy, flux, and particles. The target is

Description

本明細書に説明される主題は、概して、核融合炉および核***炉における炭素ナノ材料（ＣＮＭ）の利用に関し、具体的には、限定ではないが、炉壁におけるＣＮＭの適用に関する。 The subject matter described herein relates generally to the utilization of carbon nanomaterials (CNMs) in fusion and fission reactors, and specifically, but not exclusively, to the application of CNMs in reactor walls.

融合炉［参照文献１］、***炉［参照文献２］、および核変換器［参照文献３］等のエネルギー生産炉は、中央チャンバを生産する、高エネルギーおよび放射線を閉じ込めるための一連の壁を有する必要がある。これらの壁は、部分的に、炉の冷却システムとして作用することができる。従来的には、壁は、圧送システムによって循環されるクーラントを用いて、パイプを通して冷却される。本圧送システムは、熱を抽出し、中央領域の外側にそれを輸送する。圧送システムが、（例えば、電力不足に起因して）正常に機能しないとき、熱除去が、失速する。故に、必要とされるものは、外部電源の必要性を伴わずに熱を除去するための改良された壁設計である。 Energy production reactors, such as fusion reactors [Ref. 1], fission reactors [Ref. 2], and transmitter [Ref. 3], produce a central chamber with a series of walls to confine high energy and radiation. Must have. These walls can act, in part, as a cooling system for the furnace. Traditionally, the walls are cooled through pipes with coolant circulated by a pumping system. The present pumping system extracts heat and transports it outside the central region. When the pumping system does not function properly (eg, due to lack of power), heat removal stalls. Therefore, what is needed is an improved wall design to remove heat without the need for an external power source.

本明細書に提供される例示的実施形態は、概して、エネルギー、磁束、および粒子の全ての側面の管理および取扱を促進する、融合炉および***炉のための第１および後続の壁システムおよび方法を対象とする。本明細書に提供される例示的実施形態はまた、概して、ナノチューブ、グラフェン、および他のナノメトリック炭素構造（集合的に、炭素ナノ材料（ＣＮＭ）と称される）を含む、パイプのシステムの利用、および融合炉および***炉のためのＣＮＭの利用、より詳細には、限定ではないが、ＣＯ_２の化学的、光電気化学的、または光触媒反応変換が、炉をカーボンネガティブにする、または、例えば、水分解等の他の光電気化学反応を有効にするような炉の壁における、ＣＮＭの利用も対象とする。本明細書に説明される他の例示的実施形態は、例えば、サバティエ反応またはハーバプロセス等の化学反応を駆動するための炉内の***および融合生成熱の利用に関する。熱および光子エネルギーから化学エネルギーへの本カーボンネガティブエネルギー変換は、木々において見出される機構に類似する、炉の壁内の付加的な冷却機構と見なされ得る。そのような機構は、以降、「人工木」と称される。 The exemplary embodiments provided herein generally provide first and subsequent wall systems and methods for fusion and fission reactors that facilitate management and handling of all aspects of energy, flux, and particles. The target is The exemplary embodiments provided herein also generally describe systems of pipes that include nanotubes, graphene, and other nanometric carbon structures (collectively referred to as carbon nanomaterials (CNMs)). and the use of CNM for fusion and fission reactors, more particularly, but not limited to, chemical, photoelectrochemical, or photocatalytic conversion of _CO2 to make the reactor carbon negative, or , for example, the use of CNMs in the walls of furnaces to enable other photoelectrochemical reactions, such as water splitting. Other exemplary embodiments described herein relate to the utilization of fission and fusion product heat within a furnace to drive chemical reactions, such as, for example, the Sabatier reaction or the Haber process. This carbon negative energy conversion from thermal and photon energy to chemical energy can be viewed as an additional cooling mechanism within the furnace walls, similar to the mechanism found in trees. Such a structure is hereinafter referred to as an "artificial tree".

逆転磁界配位（ＦＲＣ）ベースの非中性子融合炉または光子炉では、本壁システムは、多層かつ多機能であり、各層が、具体的な役割を実施する。光子炉に関する第１の壁の実施形態は、好ましくは、「硬質壁」構成とは対照的に、「軟質壁」構成と称される。例示的実施形態では、「軟質壁」構成は、エネルギーおよび粒子磁束を取り扱うための様々なバイオ触発型およびナノ触発型特徴を含む、薄くかつ大きな表面対体積比の壁を伴う、低Ｚ材料を含む。 In field reversed configuration (FRC) based non-neutron fusion or photon reactors, the wall system is multilayered and multifunctional, with each layer performing a specific role. The first wall embodiment for a photon reactor is preferably referred to as a "soft wall" configuration, as opposed to a "hard wall" configuration. In an exemplary embodiment, the "soft wall" configuration uses low-Z materials with thin and high surface-to-volume ratio walls that include various bio-inspired and nano-inspired features to handle energy and particle magnetic flux. include.

例示的実施形態では、壁材料は、引張に強いが、屈曲可能かつ可撓性であり、交換可能かつ自己修復可能であり、高い熱および電気の伝導率を保有する。 In exemplary embodiments, the wall material is tensile resistant, yet bendable and flexible, replaceable and self-healing, and possesses high thermal and electrical conductivity.

例示的実施形態では、軟質の第１の壁は、高エネルギー光子に対して透過性であるが、低エネルギー光子を吸収するか、または反射するかのいずれかであるように設計される。反射された光子は、再進入し、ＦＲＣプラズマを加熱する。 In an exemplary embodiment, the soft first wall is designed to be transparent to high energy photons, but either absorb or reflect low energy photons. The reflected photons re-enter and heat the FRC plasma.

例示的実施形態では、第１の軟質壁は、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、ダイヤモンドまたはグラフェン、および他の炭素同素体から成る。 In exemplary embodiments, the first soft wall is comprised of carbon nanotubes (CNTs), diamond or graphene, and other carbon allotropes.

例示的実施形態では、ダイヤモンド、ダイヤモンド系化合物、または炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）繊維の薄布（または織布）が、第１の壁を形成し、これは、融合炉内で、内部の真空を外側から分離する、または核変換器内で、液体核材料を含有する２つまたはそれを上回るチャンバを分離する。そのような薄布（または壁）は、所定の間隔で、布の周囲に位置付けられる支柱を用いて支持され得る。支柱は、ダイヤモンド、ダイヤモンドに類似する材料、または低Ｚ金属を用いて、再度作り上げられ、機械的に必要とされる強度を提供し得る。炭素から作製される、そのような第１の壁は、融合の第１の壁の条件下で、物理的かつ化学的の両方において、その金属バージョンよりも頑丈であるべきである。 In an exemplary embodiment, a thin fabric (or woven fabric) of diamond, diamond-based compound, or carbon nanotube (CNT) fibers forms a first wall that allows internal vacuum to be externally or separating two or more chambers containing liquid nuclear material within a nuclear transmitter. Such a fabric (or wall) may be supported using struts positioned around the fabric at predetermined intervals. The struts may be refabricated using diamond, diamond-like materials, or low-Z metals to provide the required mechanical strength. Such a first wall made of carbon should be stronger than its metal version, both physically and chemically under the conditions of the first wall of fusion.

例示的実施形態では、融合デバイスの壁は、化学的蒸着（ＣＶＤ）を介して形成される。 In an exemplary embodiment, the walls of the fusion device are formed via chemical vapor deposition (CVD).

例示的実施形態では、融合デバイスの壁は、３Ｄ印刷を介して形成される。 In an exemplary embodiment, the walls of the fusion device are formed via 3D printing.

例示的実施形態では、融合デバイスの炭素ベースの壁は、ダイヤモンド表面からの二次電子放出率に強力に影響を及ぼすことによって、窒素またはある他のドーパントを用いてドープされ、表面近傍における電気的破壊を抑制する。 In an exemplary embodiment, the carbon-based walls of the fusion device are doped with nitrogen or some other dopant to strongly influence the rate of secondary electron emission from the diamond surface, thereby increasing the electrical potential near the surface. Suppress destruction.

例示的実施形態では、炭素ベースの壁は、融合デバイスおよび核変換器が動作している間に、交換可能である。支柱のシステムに取り付けられる炭素繊維のネットワークは、例えば、コンベアベルト等の機構と同様に移動され得、したがって、繊維の古い部分は、類似する材料および壁要素の新しい試料によって、容易に交換され得る。 In an exemplary embodiment, the carbon-based wall is replaceable during operation of the fusion device and transmitter. The network of carbon fibers attached to the system of columns can be moved, for example with a mechanism such as a conveyor belt, and the old part of the fibers can therefore be easily replaced by a similar material and a new sample of the wall element. .

例示的実施形態では、炭素ベースの壁の動作および制御は、人工ニューラルネットワーク制御システムおよび方法を通して促進される。 In an exemplary embodiment, operation and control of the carbon-based wall is facilitated through an artificial neural network control system and method.

例示的実施形態では、ダイヤモンドベースの壁は、ラマン分光法を用いて、原位置でかつオンラインで、反応測定および診断される。動作している間、融合デバイスは、大きな磁束の中性子（Ｄ－Ｔ融合）またはＸ線（ｐ－Ｂ^１１融合）、およびプラズマの磁束、および付随の数１０ｓＭＷ／ｍ^２の熱磁束を放出する。核変換器の場合では、壁は、***生成物および微小アクチノイドが溶解される、高温（６００℃）の溶融塩（ＬｉＦ－ＢｅＦ）と接触しており、高磁束の中性子の影響を被る。したがって、ダイヤモンドベースの壁が、長期間の動作にわたって、損傷を被るであろうことは不可避である。損傷は、中性子の場合では、ＤＰＡの形態にあり、溶融塩の場合では、腐食であり、***生成物（例えば、テルリウム）の場合では、クリープを起こすであろう。 In an exemplary embodiment, the diamond-based wall is responsively measured and diagnosed in situ and online using Raman spectroscopy. During operation, the fusion device emits large magnetic fluxes of neutrons (DT fusion) or X-rays (p-B ¹¹ fusion), as well as the magnetic flux of the plasma and the concomitant thermal flux of several tens of s MW/ ^m2 . do. In the case of transmitter, the walls are in contact with a high temperature (600° C.) molten salt (LiF-BeF) in which the fission products and small actinides are dissolved and are subjected to the influence of high flux neutrons. Therefore, it is inevitable that the diamond-based walls will suffer damage over long periods of operation. The damage will be in the form of DPA in the case of neutrons, corrosion in the case of molten salts, and creep in the case of fission products (eg tellurium).

例示的実施形態では、融合炉壁の冷却は、壁内に埋め込まれたパイプ内にクーラントを通過させることによって促進される。他の例示的実施形態では、クーラントは、必要とされる圧送力の一部（または大部分）を提供する、ＣＮＴ内の毛細管作用に起因して、壁内のＣＮＴを通して圧送される。ポンプに対する力の損失の場合では、ＣＮＴ毛細管作用は、依然として、機能し、したがって、本明細書内で「人工木」と称される、受動的安全機構を提供することができる。ＣＮＴ管状（毛細管）構造はまた、優れた表面対体積比も提供し、したがって、熱交換率は、巨大であり、優れた冷却システムとして作用する。さらに、ＣＮＴは、ベンゼン電子構造を有することが、言及される（集合的量子機械的特別電子化学的接合は、ベンゼン接合平面の平面において、極めて大きな電子的および熱的輸送を有する一方、ベンゼン平面に対して垂直である共有結合性接合は、ＣＮＴ平面を堅固なものかつ絶縁性にする）。 In an exemplary embodiment, cooling of the fusion reactor wall is facilitated by passing coolant through pipes embedded within the wall. In other exemplary embodiments, coolant is pumped through the CNTs within the walls due to capillary action within the CNTs, which provides some (or most) of the required pumping force. In the case of loss of power to the pump, CNT capillary action can still function and thus provide a passive safety mechanism, referred to herein as an "artificial tree." The CNT tubular (capillary) structure also provides an excellent surface-to-volume ratio and therefore the heat exchange rate is huge and acts as an excellent cooling system. Furthermore, it is mentioned that CNTs have a benzene electronic structure (the collective quantum mechanical special electrochemical junction has extremely large electronic and thermal transport in the plane of the benzene junction plane, while the benzene plane covalent bonds perpendicular to the CNT plane make the CNT plane rigid and insulating).

例示的実施形態では、ＣＮＴ内に吸収された光子は、光電気化学的または光触媒反応のために利用される。光子スペクトルのある部分は、光電気化学的または光触媒反応、例えば、人工的光合成、水分解、二酸化炭素から一酸化炭素への変換、および同等物等を促進するために使用される。 In an exemplary embodiment, photons absorbed within the CNTs are utilized for photoelectrochemical or photocatalytic reactions. A portion of the photon spectrum is used to promote photoelectrochemical or photocatalytic reactions, such as artificial photosynthesis, water splitting, conversion of carbon dioxide to carbon monoxide, and the like.

例示的実施形態では、光子スペクトルの赤外線部分は、水、溶融塩等のクーラントを加熱するために使用される。加熱されたクーラントは、アンモニウムを生成するためのハーバプロセス、および二酸化炭素を消費し、メタンおよび同等物を生産するためのサバティエ反応等のエネルギー集約型化学反応を駆動するために、化学工場に輸送される。 In an exemplary embodiment, the infrared portion of the photon spectrum is used to heat a coolant, such as water, molten salt, or the like. The heated coolant is transported to chemical plants to drive energy-intensive chemical reactions such as the Haber process to produce ammonium, and the Sabatier reaction to consume carbon dioxide and produce methane and equivalents. be done.

さらなる例示的実施形態では、限定ではないが、熱的中性子炉または高速炉を含む、***炉のエネルギー抽出および冷却は、冷却成分のＣＮＴを通して圧送されるクーラントを用いて、炉の炉心を通して、ＣＮＴベースの冷却成分を通過させることによって促進される。ＣＮＴを通るクーラントの流動は、毛細管作用によって促進され、したがって、冷却システムが、受動的安全モードにおいて、ポンプを伴うことなく動作することを有効にする。 In further exemplary embodiments, energy extraction and cooling of fission reactors, including but not limited to thermal neutron reactors or fast reactors, is carried out through the core of the reactor using coolant pumped through the CNTs in the cooling component. Facilitated by passing the cooling component of the base. Coolant flow through the CNTs is facilitated by capillary action, thus enabling the cooling system to operate in a passive safety mode without a pump.

さらなる例示的実施形態では、***炉の炉心から抽出された熱は、アンモニウムを生成するためのハーバプロセス、および二酸化炭素を消費し、メタンおよび同等物を生産するためのサバティエ反応等のエネルギー集約型化学反応を駆動するために、化学工場内で使用される。 In further exemplary embodiments, the heat extracted from the core of the fission reactor is used in energy-intensive processes such as the Haber process to produce ammonium and the Sabatier reaction to consume carbon dioxide and produce methane and the like. Used within chemical factories to drive chemical reactions.

融合デバイスのためおよび核変換器のための第１の壁としての使用に関する、ダイヤモンドおよび炭素ベースの同素体の例示的実施形態の利点は、以下を含む。
ａ．低Ｚ
ｂ．種々の厚さに伸長されることができる。すなわち、多結晶ダイヤモンドに関して、厚さは、物理的制限を有せず、単に、技術的かつ実践的である。
ｃ．異なるグレードのダイヤモンドが、加工されることができる。すなわち、単結晶、多結晶（微小結晶、ナノ結晶、超ナノ結晶）。ドープされる／ドープされない。特定のグレードを使用することの選定は、用途毎に、強力に決定される。
ｄ．多結晶ダイヤモンドは、直径において最大数百ｍｍの面積まで伸長されることができる。ナノダイヤモンドは、数メートル規模の基板上に伸長されることができる。単結晶ダイヤモンドに関しては、大きな面積が、問題である。
ｅ．溶融塩、***生成物、または微小アクチノイドによる腐食耐性
ｆ．高温における適正な強度
ｇ．低誘電損失（タンジェントデルタ）。これは、用途が、プラズマ加熱のための融合デバイス内に導入され得る、散乱マイクロ波に関与する場合に関連し得る。
ｈ．低活性化
ｉ．超低トリチウム保持
ｊ．疲労耐性
ｋ．照射後、良好な延性を維持する。
ｌ．ヘリウムクリープ耐性
ｍ．ＣＶＤダイヤモンド材料は、用途に対して製作されることができる。多くのタイプのダイヤモンドおよびダイヤモンド様材料は、エキゾチックではなく、「市販」で入手可能である。
ｎ．共有結合性四面体接合に対して最強のものの中でもとりわけ、機械的強度および頑強性
ｏ．低い中性子損傷またはＤＰＡ（原子あたりの変位）を有する［参照文献１６］
ｐ．非常に高い熱伝導率（ｋｈｉ＿ｄｉａｍｏｎｄ約５×ｋｈｉ＿Ｃｕ）
ｑ．非常に低い電導率、または潜在的に、電気破壊に対する高い耐性を伴う絶縁体。ダイヤモンド破壊電場は、約１０ＭｅＶ／ｃｍ～０．３ｅＶ／３オングストロームの原子距離である。
ｒ．２次元における導電率を限定するためにドープされる。
ｓ．ホウ素ドープされた導電層は、ダイヤモンドの内側にあり得、表面のみに限定されない。 Advantages of exemplary embodiments of diamond and carbon-based allotropes for use as first walls for fusion devices and transmitter include the following.
a. Low Z
b. It can be stretched to various thicknesses. That is, for polycrystalline diamond, the thickness has no physical limitations, it is simply technical and practical.
c. Different grades of diamond can be processed. namely, single crystals, polycrystals (microcrystals, nanocrystals, super-nanocrystals). Doped/Undoped. The choice to use a particular grade is strongly application specific.
d. Polycrystalline diamond can be stretched to areas up to several hundred mm in diameter. Nanodiamonds can be stretched onto substrates on the scale of several meters. For single crystal diamond, large area is a problem.
e. Resistance to corrosion by molten salts, fission products, or micro actinides f. Proper strength at high temperatures g. Low dielectric loss (tangent delta). This may be relevant if the application involves scattered microwaves, which may be introduced into a fusion device for plasma heating.
h. Low activation i. Ultra-low tritium retention j. Fatigue resistance k. Maintains good ductility after irradiation.
l. Helium creep resistance m. CVD diamond materials can be fabricated for applications. Many types of diamonds and diamond-like materials are not exotic and are available "commercially."
n. Among the strongest for covalent tetrahedral bonding are mechanical strength and robustness o. have low neutron damage or DPA (displacement per atom) [Reference 16]
p. Very high thermal conductivity (khi_diamond approx. 5 x khi_Cu)
q. An insulator with very low conductivity or, potentially, high resistance to electrical breakdown. The diamond breakdown electric field is approximately 10 MeV/cm to 0.3 eV/3 angstroms atomic distance.
r. Doped to limit conductivity in two dimensions.
s. The boron-doped conductive layer can be inside the diamond and is not limited to the surface only.

例示的実施形態の他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図および詳細な説明の吟味に応じて、当業者には明白であろう、または明白な状態になるであろう。 Other systems, methods, features, and advantages of the example embodiments will be or will become apparent to those skilled in the art upon examination of the following figures and detailed description.

構造および動作を含む、例示的実施形態の詳細は、付随の図の検討によって、部分的に獲得され得、その中で同様の参照番号は、同様の部分を指す。図内の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、本開示の原理を図示することに重点が置かれている。さらに、全ての図示は、概念を伝達することが意図され、そこでの相対的なサイズ、形状、および他の詳細な属性は、文字通りまたは精密にではなく、概略的に図示され得る。 Details of example embodiments, including structure and operation, can be obtained in part by consideration of the accompanying figures, in which like reference numbers refer to like parts. The components in the figures are not necessarily to scale, emphasis instead being placed upon illustrating the principles of the disclosure. Moreover, all illustrations are intended to convey concepts, and relative sizes, shapes, and other detailed attributes may be illustrated schematically rather than literally or precisely.

図１は、ビーム駆動ＦＲＣプラズマ融合炉の主要構成要素の斜視図を図示する。FIG. 1 illustrates a perspective view of the main components of a beam-driven FRC plasma fusion reactor.

図２Ａは、プラズマの定常状態の場所、粒子磁束のための種々のチャネル、壁の場所、およびクーラントの方向を図示する。本表現では、真空壁もまた、プラズマ対向壁である。FIG. 2A illustrates the steady state location of the plasma, various channels for particle flux, wall location, and coolant orientation. In this representation, the vacuum wall is also the plasma-facing wall.

図２Ｂは、図２Ａにおける炉の***炉壁の部分断面図を図示する。本表現では、真空壁もまた、プラズマ対向壁である。FIG. 2B illustrates a partial cross-sectional view of the fission reactor wall of the reactor in FIG. 2A. In this representation, the vacuum wall is also the plasma-facing wall.

図２Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、炉壁内の冷却システムを図示する。FIG. 2C illustrates a cooling system within the furnace wall, according to some embodiments of the present disclosure.

図２Ｄは、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）バンドルを図示する。FIG. 2D illustrates a carbon nanotube (CNT) bundle.

図２Ｅは、単一壁、二重壁、または多重壁のＣＮＴを図示する。FIG. 2E illustrates single-walled, double-walled, or multi-walled CNTs.

図２Ｆおよび２Ｇは、ＣＮＴ布を図示する写真である。Figures 2F and 2G are photographs illustrating the CNT fabric. 図２Ｆおよび２Ｇは、ＣＮＴ布を図示する写真である。Figures 2F and 2G are photographs illustrating the CNT fabric.

図２Ｈは、支柱支持体を伴う、図２Ａにおける炉の***炉壁の部分断面図を図示する。FIG. 2H illustrates a partial cross-sectional view of the fission reactor wall of the reactor in FIG. 2A with strut supports.

図２Ｊおよび２Ｋは、ＣＮＴ布交換システムの部分断面図を図示する。2J and 2K illustrate a partial cross-sectional view of a CNT fabric exchange system. 図２Ｊおよび２Ｋは、ＣＮＴ布交換システムの部分断面図を図示する。2J and 2K illustrate a partial cross-sectional view of a CNT fabric exchange system.

図３は、プラズマの定常状態の場所、粒子磁束の種々のチャネル、壁の場所、およびクーラントの方向を図示する。本表現では、真空壁は、空気との界面に設置される。FIG. 3 illustrates the steady-state location of the plasma, the various channels of particle flux, the location of the walls, and the orientation of the coolant. In this representation, a vacuum wall is placed at the interface with air.

図４および５は、本開示のいくつかの実施形態による、冷却および化学処理のための壁およびシステムを有する、***または核変換溶融塩炉の概略図を図示する。4 and 5 illustrate schematic diagrams of fission or transmutation molten salt reactors with walls and systems for cooling and chemical processing, according to some embodiments of the present disclosure. 図４および５は、本開示のいくつかの実施形態による、冷却および化学処理のための壁およびシステムを有する、***または核変換溶融塩炉の概略図を図示する。4 and 5 illustrate schematic diagrams of fission or transmutation molten salt reactors with walls and systems for cooling and chemical processing, according to some embodiments of the present disclosure.

詳細な説明
下記に開示される付加的な特徴および教示はそれぞれ、ＦＲＣベースの非中性子融合炉または光子炉のための第１の壁システムおよび方法を提供するために、別個に、または他の特徴および教示と併せて利用されることができる。その実施例が、別個におよび組み合わせての両方において、これらの付加的な特徴および教示の多くを利用する、本明細書に説明される実施形態の代表的な実施例が、添付の図面を参照してさらに詳細に説明されるであろう。本詳細な説明は、単に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を当業者に教示することが意図され、本開示の範囲を限定することは意図されない。したがって、以下の詳細な説明に開示される、特徴およびステップの組み合わせは、最も広義には、本開示を実践するために必要とされない場合があり、代わりに、特に、本教示の代表的な実施例を説明するために、単に教示される。 DETAILED DESCRIPTION Each of the additional features and teachings disclosed below may be used separately or in combination with other features to provide a first wall system and method for a FRC-based non-neutron fusion reactor or photon reactor. and can be used in conjunction with teaching. Representative examples of the embodiments described herein, examples of which utilize many of these additional features and teachings, both individually and in combination, are illustrated in the accompanying drawings. will be explained in more detail later. This detailed description is merely intended to teach those skilled in the art further details for practicing preferred aspects of the present teachings, and is not intended to limit the scope of the present disclosure. Accordingly, the combinations of features and steps disclosed in the following detailed description may not be required to practice the present disclosure in its broadest sense, but may instead be specifically described in a typical implementation of the present teachings. It is merely taught to illustrate an example.

さらに、代表的な実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の付加的な有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明示的に列挙されない方法において組み合わせられてもよい。加えて、本説明および／または請求項に開示される全ての特徴が、実施形態および／または請求項における特徴の組成から独立して、元々の開示の目的のために、および請求される主題を制限する目的のために、別個に、かつ相互から独立して開示されることを意図することが、明確に言及される。また、エンティティのグループの全ての値の範囲またはインジケーションが、元々の開示の目的のために、および請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能性として考えられる中間的な値または中間的なエンティティを開示することも、明確に言及される。 Furthermore, various features of the representative examples and dependent claims may be combined in ways not specifically and explicitly recited to provide additional useful embodiments of the present teachings. In addition, all features disclosed in the description and/or the claims, independent of the composition of the features in the embodiments and/or the claims, may be used for purposes of the original disclosure and for the claimed subject matter. For purposes of limitation, it is expressly mentioned that they are intended to be disclosed separately and independently of each other. Additionally, all ranges of values or indications for a group of entities are excluded from all possible intermediate values or indications for purposes of the original disclosure and for purposes of limiting claimed subject matter. Disclosure of specific entities is also explicitly mentioned.

本明細書に提供される例示的実施形態は、概して、エネルギー、磁束、および粒子の全ての側面の管理および取扱を促進する、融合炉および***炉のための第１および後続の壁システムおよび方法を対象とする。本明細書に提供される例示的実施形態はまた、概して、ナノチューブ、グラフェン、および他のナノメトリック炭素構造（集合的に、炭素ナノ材料（ＣＮＭ）と称される）を含む、パイプのシステムの利用、および融合炉および***炉のためのＣＮＭの利用、より詳細には、限定ではないが、ＣＯ_２の化学的、光電気化学的、または光触媒反応変換が、炉をカーボンネガティブにする、または、例えば、水分解等の他の光電気化学反応を有効にするような炉の壁における、ＣＮＭの利用も対象とする。本明細書に説明される他の例示的実施形態は、例えば、サバティエ反応またはハーバプロセス等の化学反応を駆動するための炉内の***および融合生成熱の利用に関する。熱および光子エネルギーから化学エネルギーへの本カーボンネガティブエネルギー変換は、木々に見出される機構に類似する、炉の壁内の付加的な冷却機構と見なされ得る。そのような機構は、以降、「人工木」と称される。 The exemplary embodiments provided herein generally provide first and subsequent wall systems and methods for fusion and fission reactors that facilitate management and handling of all aspects of energy, flux, and particles. The target is The exemplary embodiments provided herein also generally describe systems of pipes that include nanotubes, graphene, and other nanometric carbon structures (collectively referred to as carbon nanomaterials (CNMs)). and the use of CNM for fusion and fission reactors, more particularly, but not limited to, chemical, photoelectrochemical, or photocatalytic conversion of _CO2 to make the reactor carbon negative, or , for example, the use of CNMs in the walls of furnaces to enable other photoelectrochemical reactions, such as water splitting. Other exemplary embodiments described herein relate to the utilization of fission and fusion product heat within a furnace to drive chemical reactions, such as, for example, the Sabatier reaction or the Haber process. This carbon negative energy conversion from thermal and photon energy to chemical energy can be viewed as an additional cooling mechanism within the furnace walls, similar to the mechanism found in trees. Such a structure is hereinafter referred to as an "artificial tree".

付加的な冷却機構または人工木冷却システムの場合、２つの主要機能が、役割を果たすことになる。第１のものは、ある化学製品の中にＣＯ_２を生産することによって、パイプまたはパイプ表面内の熱エネルギー（または光子エネルギー）を化学的なポテンシャルエネルギーに変換する、カーボンネガティブ化学プロセスである。本カーボンネガティブ固化プロセスは、ＣＯ_２を除去するだけではなく、全体的な冷却に追加している熱（または光子）エネルギーも除去する。壁の一部では、ナノチューブを備えるナノメトリック壁材料が、使用されることができ、したがって、ナノチューブ内の毛細管力が、クーラントの移動機構として作用することができる。第２の主要機能は、冷却システムを動作させるために必要とされる、外部の圧送力を低減させる、クーラント圧送システムの一部として作用する、水蒸気化プロセスである。 In the case of additional cooling mechanisms or artificial tree cooling systems, two main functions will play a role. The first is a carbon negative chemical process that converts thermal energy (or photon energy) within a pipe or pipe surface into chemical potential energy by producing CO ₂ in some chemical product. The present carbon negative solidification process not only removes _CO2 , but also removes thermal (or photon) energy adding to the overall cooling. In part of the wall, a nanometric wall material comprising nanotubes can be used, so that capillary forces within the nanotubes can act as a coolant movement mechanism. The second major function is the water vaporization process, which acts as part of the coolant pumping system, reducing the external pumping power required to operate the cooling system.

ｐＢ^１１プラズマまたは同等物を利用するであろう、ＦＲＣベースの非中性子融合機械は、ＤＴ融合に基づいた従来の中性子炉、例えば、トカマクではなく、光子炉と見なされる。光子炉は、高エネルギーガンマ線およびＸ線および低エネルギー赤外線（ＩＲ）、電子、陽子、アルファ粒子、ホウ素の形態における荷電粒子、および水素およびヘリウムの形態における中性子から、高磁束の光子を被る。低磁束の中性子もまた、存在する。そのような炉の場合、熱および粒子磁束の安全な取扱および管理を促進する壁を構築することが、必要不可欠である。 FRC-based non-neutron fusion machines that would utilize pB ¹¹ plasma or equivalent are considered photon reactors rather than traditional neutron reactors based on DT fusion, such as tokamaks. Photon reactors receive high magnetic flux photons from high-energy gamma and X-rays and low-energy infrared (IR), charged particles in the form of electrons, protons, alpha particles, boron, and neutrons in the form of hydrogen and helium. Low flux neutrons are also present. For such furnaces, it is essential to construct walls that facilitate safe handling and management of heat and particle flux.

融合炉の第１の壁は、高磁束の光子および荷電粒子の大部分の通過を有効にするように、薄くあり、かつ低Ｚ材料から作り上げられる必要があり、有意な熱管理および堆積を提供するだけではなく、低磁束の中性子も取り扱い、これは、体積加熱および活性化につながる。荷電粒子衝撃と関連付けられる課題は、とりわけ、ブリスタリング、脆化、およびスパッタリングを含む。低エネルギー光子は、第１の壁上に吸収され得、クーラントによって冷却され、それらのエネルギーを変換させることができる。それと同時に、融合炉および／または***炉の二次壁およびタンク、および溶融塩核変換器は、中性子を含む、全ての他の放射線を取り扱い、吸収する。加えて、付加的なパイプの回路は、人工木冷却機構を作成する壁内に、組み込まれることができる。付加的なパイプ内の液体は、熱誘発型または低エネルギー光子誘発型化学エネルギー変換を介して、これらの壁およびタンクからの熱を変換するように作用することができる。 The first wall of the fusion reactor must be thin and made of low-Z material to enable passage of most of the high-flux photons and charged particles, providing significant thermal management and deposition. It also handles low-flux neutrons, which leads to volumetric heating and activation. Problems associated with charged particle bombardment include blistering, embrittlement, and sputtering, among others. Low energy photons can be absorbed on the first wall and cooled by the coolant, allowing their energy to be converted. At the same time, the secondary walls and tanks of fusion and/or fission reactors and molten salt transducers handle and absorb all other radiation, including neutrons. Additionally, additional pipe circuits can be incorporated into the wall creating an artificial wood cooling mechanism. The liquid in the additional pipes can act to convert heat from these walls and tanks via thermally induced or low energy photon induced chemical energy conversion.

中距離エネルギー光子は、直接的に、光電気化学的または光触媒反応を駆動するために使用される。 Medium range energy photons are used directly to drive photoelectrochemical or photocatalytic reactions.

低エネルギー光子は、エネルギー集約型化学反応を駆動するために、体積加熱源として使用される。 Low-energy photons are used as a volumetric heating source to drive energy-intensive chemical reactions.

生成された光子は、限定ではないが、熱化学的、電気化学的還元、または人工光合成を含む、種々のプロセスのために利用されることができる。 The photons generated can be utilized for a variety of processes including, but not limited to, thermochemical, electrochemical reduction, or artificial photosynthesis.

限定ではないが、熱中性子炉または高速炉を含む、***炉では、熱抽出は、クーラントを運搬する炉心の内側のパイプ、または代替として、液体炉心を熱交換器の中に圧送することのいずれかによって遂行される。 In fission reactors, including but not limited to thermal neutron reactors or fast reactors, heat extraction is carried out either through pipes inside the core carrying coolant, or alternatively by pumping the liquid core into a heat exchanger. carried out by

抽出された熱は、熱化学的または電気化学反応等のエネルギー集約型化学反応を駆動するために再利用される。 The extracted heat is reused to drive energy-intensive chemical reactions, such as thermochemical or electrochemical reactions.

図に目を向けると、ＦＲＣプラズマ１２を有する、ビーム駆動型ＦＲＣベースの融合機械１０が、図１に示されている。融合機械１０およびＦＲＣプラズマ１２は、中央平面と呼ばれる軸２２の周囲に左右対称を、縦軸２１を中心として上下対称を呈する。例示的実施形態では、陽子プラズマ１１が、第１および第２の形成区分１９のそれぞれ内に形成され、融合機械１０の中央平面に向かって超熱速度において平行移動され、同化され、単一の最終ＦＲＣプラズマ１２を形成する。例えば、陽子およびホウ素等の負イオンベースの中性ビーム１４は、燃料補給、電流駆動、およびＦＲＣプラズマ１２の安定化を提供する。さらに、プラズマの安定化および閉じ込めが、機械１０の複数の磁石１６および壁２０によって提供される。 Turning to the drawings, a beam-driven FRC-based fusion machine 10 having an FRC plasma 12 is shown in FIG. The fusion machine 10 and the FRC plasma 12 exhibit left-right symmetry around an axis 22 called a central plane, and vertical symmetry around a vertical axis 21 . In the exemplary embodiment, a proton plasma 11 is formed within each of the first and second forming sections 19, translated at superthermal velocity toward the midplane of the fusion machine 10, assimilated into a single A final FRC plasma 12 is formed. A neutral beam 14 based on negative ions, such as protons and boron, provides refueling, current drive, and stabilization of the FRC plasma 12. Additionally, plasma stabilization and confinement is provided by the plurality of magnets 16 and walls 20 of machine 10.

ＦＲＣプラズマ１２内で生成された荷電粒子は、主に、ｚ方向に沿って流動し、第１および第２のダイバータ１８内に収集される。制動放射Ｘ線および赤外線シンクロトロン放射線の形態における光子は、ＦＲＣプラズマ１２から、機械１０の壁２０に衝突する全ての方向において放出される傾向がある。壁２０は、真空容器壁であり、１ｍの厚さであり得る。高レベルの真空（１０～６トル）が、ＦＲＣプラズマ１２の破壊を防止するために必要とされる。 Charged particles generated within the FRC plasma 12 primarily flow along the z direction and are collected within the first and second diverters 18 . Photons in the form of Bremsstrahlung X-rays and infrared synchrotron radiation tend to be emitted from the FRC plasma 12 in all directions impinging on the walls 20 of the machine 10. Wall 20 is a vacuum vessel wall and may be 1 m thick. High levels of vacuum (10-6 Torr) are required to prevent destruction of the FRC plasma 12.

壁２０は、熱および電磁エネルギーの安全な取扱を提供するだけではなく、種々のイオン化放射線の管理を促進するように構成される。 Wall 20 is configured to not only provide safe handling of thermal and electromagnetic energy, but also to facilitate management of various ionizing radiations.

図２Ａおよび２Ｂに目を向けると、磁場構造１０２内に浸漬されるＦＲＣプラズマ１０１を伴う、融合炉１００の部分図が、示されている。 Turning to FIGS. 2A and 2B, a partial view of fusion reactor 100 with FRC plasma 101 immersed within magnetic field structure 102 is shown.

ＦＲＣプラズマ１０１は、例えば、陽子およびホウ素イオン等のイオンから成り、電子は、プラズマを準中性に維持する。陽子－ホウ素イオンの融合は、アルファ粒子を生成し、これは、次いで、磁場線１０２に沿って排出される。融合しない陽子－ホウ素プラズマ１０１の部分、すなわち、非融合プラズマ１０３は、半径方向に外へ輸送され、次いで、磁場線１０２に沿って軸方向に排出される。排出された全ての荷電粒子は、場線１０２に沿って、図１に示されるダイバータ１８の中に指向される。 The FRC plasma 101 consists of, for example, protons and ions such as boron ions, and electrons keep the plasma quasi-neutral. The proton-boron ion fusion produces alpha particles, which are then ejected along magnetic field lines 102. The portion of proton-boron plasma 101 that does not fuse, ie, unfused plasma 103, is transported radially outward and then ejected axially along magnetic field lines 102. All ejected charged particles are directed along field lines 102 into the diverter 18 shown in FIG.

光子１０４は、プラズマ１０１から、第１の壁１０５に向かって等方的に放出される。光子は、３つの明確に異なる機構、すなわち、（１）制動放射、（２）シンクロトロンまたは磁気制動放射、および（３）核反応によって生成される。光子エネルギースペクトルは、赤外線範囲からＸ線およびガンマ線まで及ぶ。光子は、電磁場と相互作用せず、直線的に進行する。 Photons 104 are emitted isotropically from plasma 101 toward first wall 105 . Photons are produced by three distinct mechanisms: (1) bremsstrahlung, (2) synchrotron or magnetic bremsstrahlung, and (3) nuclear reactions. The photon energy spectrum ranges from the infrared range to X-rays and gamma rays. Photons do not interact with electromagnetic fields and travel in a straight line.

第１の壁１０５は、中性子１１６に対して透過性であるために、かつそれらのエネルギーに応じて、荷電粒子を吸収している、反射しているか、またはそれらに対して透過性であるかのいずれかであるために、それらのエネルギーに応じて、光子１０４を反射、吸収、および透過させるように構成される。低エネルギー光子が、吸収され、中距離エネルギー光子（例えば、紫外線）が、部分的に吸収され、部分的に反射され、Ｘおよびガンマ線が、透過される。 The first wall 105 is transparent to neutrons 116 and, depending on their energy, is absorbing, reflecting, or transparent to charged particles. are configured to reflect, absorb, and transmit photons 104 depending on their energy. Low energy photons are absorbed, intermediate energy photons (eg, ultraviolet) are partially absorbed and partially reflected, and X and gamma rays are transmitted.

第１の壁１０５から反射された中距離エネルギー光子１０６は、ＦＲＣプラズマ１０１によって再吸収され、ＦＲＣプラズマを加熱する。 Medium range energy photons 106 reflected from the first wall 105 are reabsorbed by the FRC plasma 101 and heat the FRC plasma.

第１の壁１０５内で吸収された低エネルギー光子が、熱に変換される。パイプ１０９は、壁１０５を通して、クーラントを送達し、熱を熱交換器１１０に分流し、可用電力に変化させる、またはエネルギー集約型熱化学反応、例えば、ハーバプロセスまたはサバティエ反応を駆動し、ＣＯ_２を変換する。 Low energy photons absorbed within the first wall 105 are converted into heat. Pipes 109 deliver coolant through wall 105, diverting heat to heat exchanger 110, converting it into usable power, or driving an energy-intensive thermochemical reaction, such as a Haber process or a Sabatier reaction, to generate _CO2 Convert.

クーラント運搬パイプ１０９は、図２Ｄおよび２Ｅに示されるようなＣＮＴバンドルである。ＣＮＴは、単一壁、二重壁、または多重壁の構造物であることができる。 Coolant carrying pipe 109 is a CNT bundle as shown in Figures 2D and 2E. CNTs can be single-walled, double-walled, or multi-walled structures.

第１の壁１０５は、図２Ｆおよび２Ｇ［参照文献５］に示されるようなＣＮＴ布［参照文献４］から作製される。ＣＮＴ布のいくつかの層が、ともに織り込まれ得る。 The first wall 105 is made from CNT fabric [Reference 4] as shown in Figures 2F and 2G [Reference 5]. Several layers of CNT fabric can be woven together.

第１の壁１０５内のＣＮＴは、（銅に対する３００Ｗ／（ｍ×Ｋ）と比較して）３，５００Ｗ／（ｍ×Ｋ）規模の熱伝導率を有し、壁から離れた熱負荷の輸送を有効にすることができる。 The CNTs in the first wall 105 have a thermal conductivity on the order of 3,500 W/(m x K) (compared to 300 W/(m x K) for copper), which reduces the heat load away from the wall. Transport can be enabled.

第１の壁１０５内の熱管理は、３つの方法、すなわち、（１）パイプ１０９内のクーラント、（２）ＣＮＴ布の大きな熱伝導率、（３）パイプ１１８によって送達され、本明細書内で人工木と称される、毛細管作用および蒸発によって、第１の壁１０５のＣＮＴ布を通して駆動されるクーラントにおいて遂行される。 Thermal management within the first wall 105 is delivered in three ways: (1) coolant within the pipe 109, (2) the high thermal conductivity of the CNT fabric, and (3) the pipe 118, as described herein. This is accomplished in the coolant driven through the CNT fabric of the first wall 105 by capillary action and evaporation, which is referred to as artificial wood.

パイプ１０９内のクーラントは、ナノ流体を形成するために分散されたナノ粒子を注入された水であり、熱輸送を改良することができる。ナノ粒子は、熱伝達能力を増加させるために、アルミナ、シリカ、またはＣＮＴであることができる。 The coolant in pipe 109 is water injected with dispersed nanoparticles to form a nanofluid, which can improve heat transport. Nanoparticles can be alumina, silica, or CNTs to increase heat transfer capabilities.

人工木冷却パイプ１１８は、第１の壁１０５を通して延在する冷却パイプ１０９と同様に、図２Ｄおよび２Ｅに示されるＣＮＴバンドルから成り、第１の壁１０５のＣＮＴ布に接続され、それにクーラントを送達する。クーラントは、限定ではないが、水またはＣＯ_２を含むことができる。ＣＯ_２クーラントは、人工光合成によって、一酸化炭素または炭化水素（例えば、メタン）のいずれかに分解されることができる。本プロセスは、バイオ触発型第１の壁の一部である。 The artificial wood cooling pipe 118, like the cooling pipe 109 extending through the first wall 105, consists of a CNT bundle shown in FIGS. 2D and 2E and is connected to the CNT fabric of the first wall 105 and has coolant applied thereto. Deliver. Coolant can include, but is not limited to, water or _CO2 . _CO2 coolant can be broken down to either carbon monoxide or hydrocarbons (eg, methane) by artificial photosynthesis. This process is part of the bio-inspired first wall.

第１の壁１０５からの抽出された熱または変換されたＣＯ_２副産物は、熱またはガス交換器１１９に送達される。 The extracted heat or converted _CO2 byproduct from first wall 105 is delivered to heat or gas exchanger 119.

パイプ１０９内のＣＮＴバイオ触発型毛細管作用および蒸発を利用することは、ポンプに対する必要性を排除する、または低減させる様式において、クーラントの流動を可能にする。クーラントの流動を改良するために、ポンプ１１３は、パイプ１０９に結合され、パイプ１０９を通してクーラントを圧送するために使用される。 Utilizing CNT bio-induced capillary action and evaporation within pipe 109 allows coolant flow in a manner that eliminates or reduces the need for pumps. To improve coolant flow, pump 113 is coupled to pipe 109 and is used to pump coolant through pipe 109.

ＣＮＴは、直径が約１～１００ｎｍであり、融合機械１００の長さに及ぶことができる。ＣＮＴは、化学的蒸着プロセスを使用して伸長される。ＣＮＴは、ＣＮＴ織糸［参照文献６］、［参照文献７］に処理されることができ、これは、ひいては、ＣＮＴ布または繊維［参照文献４］の中に織り込まれ得る。 The CNTs are approximately 1-100 nm in diameter and can span the length of the fusion machine 100. CNTs are elongated using a chemical vapor deposition process. CNTs can be processed into CNT yarns [ref. 6], [ref. 7], which in turn can be woven into CNT fabrics or fibers [ref. 4].

ＣＮＴの欠陥は、直接的に、レーザ［参照文献８］、または真空アークアニーリング［参照文献９］によって修復されることができる。欠陥のあるＣＮＴもまた、自己修復することは公知である［参照文献１０］。 Defects in CNTs can be repaired directly by laser [Reference 8] or vacuum arc annealing [Reference 9]. Defective CNTs are also known to self-heal [Reference 10].

透過された高エネルギー光子１０７は、第２の壁１０８内の高Ｚ材料によって吸収される。材料内の光子吸収は、Ｚ４を用いてスケーリングされ、この場合、Ｚは、電子または陽子の数である。第２の壁１０８のための材料は、限定ではないが、鉛またはポリマーマトリクス金属合成物を含む。吸収された高エネルギー光子は、熱に変換され、これは、第２の壁１０８を通して通過するパイプ１０９内で移動するクーラントによって、除去される。 The transmitted high energy photons 107 are absorbed by the high Z material within the second wall 108. Photon absorption within a material is scaled using Z4, where Z is the number of electrons or protons. Materials for second wall 108 include, but are not limited to, lead or polymer matrix metal composites. The absorbed high-energy photons are converted to heat, which is removed by coolant moving in pipe 109 passing through second wall 108.

低磁束の中性子は、２つのプロセスを介して、すなわち、（１）中性子１１６を生成する二次反応におけるプラズマ１０１内で、（２）光中性子１１１を生成する第２の壁１０８内の光核プロセスによって生成される。中性子は、物質と弱く相互作用し、第１の壁１０５は、それらに対して透過性である。さらに、第２の壁１０８の高Ｚ組成は、第２の壁を中性子に対して透過性にさせるであろう。したがって、第３の壁１１２が、中性子の減速および捕捉の全ての側面を取り扱うために提供される。 Low-flux neutrons are generated via two processes: (1) within plasma 101 in a secondary reaction that produces neutrons 116; (2) photonuclei within the second wall 108 that produces photoneutrons 111. Generated by a process. Neutrons interact weakly with substances and the first wall 105 is transparent to them. Additionally, the high Z composition of the second wall 108 will make the second wall permeable to neutrons. Accordingly, a third wall 112 is provided to handle all aspects of neutron moderation and capture.

第３の壁１１２は、中性子を減速および吸収する、低～中程度のＺ材料から成る。第３の壁１１２に関する例示的材料は、炭化ホウ素である。 The third wall 112 is comprised of a low to medium Z material that slows and absorbs neutrons. An exemplary material for third wall 112 is boron carbide.

他の例示的実施形態では、第３の壁１１２は、中性子の吸収および減速を補助するために溶解されたホウ酸を伴う、水タンクである。他の潜在的な材料は、限定ではないが、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２またはＴｉＨ_２を含む。 In other exemplary embodiments, the third wall 112 is a water tank with dissolved boric acid to assist in absorbing and moderating neutrons. Other potential materials include, but are not limited to, Mg( _BH4 ) ₂ or _TiH2 .

加熱に加えて、吸収された中距離エネルギー光子１０４が、壁１０５内の光電気化学的および光触媒（人工光合成）反応を駆動するために利用される。標的反応は、限定ではないが、水を酸素および水素に分解することと、二酸化炭素の一酸化炭素または他の炭化水素への還元とを含む。 In addition to heating, absorbed medium-range energy photons 104 are utilized to drive photoelectrochemical and photocatalytic (artificial photosynthesis) reactions within the wall 105. Target reactions include, but are not limited to, splitting water into oxygen and hydrogen and reducing carbon dioxide to carbon monoxide or other hydrocarbons.

荷電粒子は、図２Ａにおける磁場線１０２に沿って、図１に示されるダイバータ１８に排出される。図２Ａにおける機械１００は、電磁変換器（図示せず）のシステムを介して、荷電粒子から可用エネルギーを抽出するように設計され、したがって、壁に衝突する荷電粒子はいずれも、低エネルギーである。 The charged particles are ejected into the diverter 18 shown in FIG. 1 along magnetic field lines 102 in FIG. 2A. The machine 100 in FIG. 2A is designed to extract available energy from charged particles through a system of electromagnetic transducers (not shown), so any charged particles that impinge on the wall are of low energy. .

ＣＮＴは、１００ｋｅＶを下回るエネルギーを伴う電子によって照射されるとき、構造的損傷を有しない［参照文献１１］。 CNTs have no structural damage when irradiated by electrons with energies below 100 keV [ref. 11].

ＣＮＴの引張強度は、陽子を用いて照射されると、増加するように示されている［参照文献１２］。別の研究は、ＣＮＴが、陽子照射に対して非常に耐性があることを示している［参照文献１３］。 The tensile strength of CNTs has been shown to increase when irradiated with protons [ref. 12]. Another study has shown that CNTs are very resistant to proton irradiation [ref. 13].

ＣＮＴは、最も高い表面対体積比を保有し、１，３５０ｍ^２／ｇの理論的表面積が、推定される［参照文献１４］（６ｇのＣＮＴは、フットボール場の表面積を有する）。したがって、ＣＮＴベースの第１の壁においてぶつかる中性ガス（低エネルギーアルファまたはヘリウムを含む）はいずれも、表面の上に吸収される非常に高い尤度を有するであろう。標準的なグローまたはアーク放電は、真空ポンプが機械から除去される、保守プロセスの間、吸収されたガスを解放するであろう。 CNTs possess the highest surface-to-volume ratio, with a theoretical surface area of 1,350 m ² /g estimated [ref. 14] (6 g of CNTs has the surface area of a football field). Therefore, any neutral gas (including low energy alpha or helium) that hits the CNT-based first wall will have a very high likelihood of being absorbed onto the surface. A standard glow or arc discharge will release absorbed gases during maintenance processes when the vacuum pump is removed from the machine.

図２Ａに示される実施形態では、ナノ炭素ベースの第１の壁１０５もまた、真空壁であり、ＦＲＣプラズマ１０１が位置する炉心の内側で、真空を維持する。 In the embodiment shown in FIG. 2A, the nanocarbon-based first wall 105 is also a vacuum wall and maintains a vacuum inside the reactor core where the FRC plasma 101 is located.

複数の磁石１１４は、バックグラウンド磁場を維持し、プラズマを閉じ込める。シールド１１５は、クライオスタットおよび超伝導磁石１１４をいかなる漂遊放射線からも保護する。 A plurality of magnets 114 maintain a background magnetic field and confine the plasma. Shield 115 protects the cryostat and superconducting magnet 114 from any stray radiation.

磁石シールド材１１５は、Ｍｇ（ＢＨ_４）_２またはＴｉＨ_２から設計される。 The magnet shielding material 115 is designed from Mg(BH ₄ ) ₂ or TiH ₂ .

代替の例示的実施形態では、壁１０５は、直接的に、光子を電力に変換するために、部分的または完全に、光起電性電池で被覆される。 In an alternative exemplary embodiment, the wall 105 is partially or fully coated with photovoltaic cells to directly convert photons into electrical power.

電力が使用されていない場合では、例えば、低消費の間、電力は、限定ではないが、二酸化炭素の電気化学的還元を含む、ＣＯ_２変換を開始するために分流されることができる。 In cases where power is not being used, for example, during periods of low consumption, power can be diverted to initiate _CO2 conversion, including, but not limited to, electrochemical reduction of carbon dioxide.

ＣＯ_２を変換するために、ＣＯ_２が、最初に、収集されなければならない。ＣＯ_２は、［参照文献１５］に説明されるようなプロセスによって、トラップされることができる。ＣＯ_２は、建物の内側だけではなく、例えば、山道、および風力タービンに有利に働く他の場所等の高い平均風の場所においても収集されることができる。 To convert _CO2 , _CO2 must first be collected. CO ₂ can be trapped by a process such as that described in [ref. 15]. CO ₂ can be collected not only inside buildings, but also in locations with high average winds, such as mountain passes, and other locations that favor wind turbines.

冷却システムの代替の例示的実施形態が、図２Ｃに図示される。冷却システムは、クーラントが、パイプ１０９を使用する全ての壁およびパイプ１１８を使用する第１の壁に対して、それぞれ、中央平面１２２において送達される、分割システムである。パイプ１１８は、第１の壁１０５内で変換するために、ＣＯ_２クーラントの輸送に追加されるであろう。 An alternative exemplary embodiment of a cooling system is illustrated in FIG. 2C. The cooling system is a split system in which coolant is delivered in the midplane 122 to all walls using pipes 109 and to the first wall using pipes 118, respectively. A pipe 118 will be added to transport the _CO2 coolant for conversion within the first wall 105.

図２Ｂを参照すると、中央平面１２２に沿った、図２Ａにおける融合炉１００の断面図が、示されている。融合炉１００は、第２および第３の壁１０８および１１２とともに、プラズマ１１１に対向する第１の壁１０５を含む。複数の冷却パイプ１０９が、例示的構成において示されている。 Referring to FIG. 2B, a cross-sectional view of the fusion reactor 100 in FIG. 2A along the midplane 122 is shown. Fusion reactor 100 includes a first wall 105 facing plasma 111, along with second and third walls 108 and 112. A plurality of cooling pipes 109 are shown in the exemplary configuration.

図２Ｈに目を向けると、図２Ａの第１の壁１０５に対向するプラズマが、描写されている。上記に言及されるように、第１の壁１０５のＣＮＴ布は、高い引張強度を保有するが、屈曲可能である。いくつかの例示的実施形態では、支柱１１７は、第１の壁１０５が、崩壊することを防止するために、第１の壁１０５のＣＮＴ布を支持するために使用される。そのような支持物および支柱のシステムは、テントのテント柱に類似する、外骨格様構造を提供する。 Turning to FIG. 2H, the plasma opposite the first wall 105 of FIG. 2A is depicted. As mentioned above, the CNT fabric of the first wall 105 possesses high tensile strength, yet is bendable. In some exemplary embodiments, struts 117 are used to support the CNT fabric of first wall 105 to prevent first wall 105 from collapsing. Such a support and strut system provides an exoskeleton-like structure, similar to the tent poles of a tent.

第１の壁１０５はまた、交換可能であるように構成されることもできる。第１の壁１０５のＣＮＴ布は、図２Ｆにおいて図示されるように、ローラによって支持されることができる。図２Ｊおよび２Ｋは、第１の壁１０５を形成する、ＣＮＴ布を支持する、ローラ１２３のシステムの実施例を図示する。ＣＮＴ布は、プラズマが第１の壁１０５に対向するように、示された矢印に沿って給送される。いったん壁１０５が、損傷を被ると、ＣＮＴ布は、回転して外に出され得、ＣＮＴ布の新鮮な部分が、回転して中に入り、プラズマが第１の壁１０５に対向することができる。加えて、ローラ１２３の代わりに、非常に低い摩擦を伴う定常支持構造が、ＣＮＴ布を支持するために使用されることができる。 First wall 105 may also be configured to be replaceable. The CNT fabric of the first wall 105 can be supported by rollers, as illustrated in FIG. 2F. 2J and 2K illustrate an example of a system of rollers 123 supporting the CNT fabric forming the first wall 105. FIG. The CNT cloth is fed along the arrow shown so that the plasma is opposite the first wall 105. Once the wall 105 has suffered damage, the CNT fabric can be rotated out and a fresh section of CNT fabric can be rotated in and the plasma can face the first wall 105. can. Additionally, instead of rollers 123, a steady support structure with very low friction can be used to support the CNT fabric.

ＣＮＴ布は、破棄されるか、またはＣＮＴ布は、［参照文献４］、［参照文献５］、および［参照文献６］において上記に説明されるように修復され得るかのいずれかである。 The CNT fabric can either be discarded or the CNT fabric can be repaired as described above in [ref. 4], [ref. 5], and [ref. 6].

図３を参照すると、代替の例示的実施形態が、示されており、第１、第２、および第３の壁１０５、１０８、および１１２を包含する、真空壁２０１を含む。 Referring to FIG. 3, an alternative exemplary embodiment is shown and includes a vacuum wall 201 that includes first, second, and third walls 105, 108, and 112.

図４および５を参照すると、***または核変換溶融塩炉（ＭＳＲ）２００の例示的実施形態が、示されている。ＭＳＲ２００は、動作するのに対し、燃料（ウラン、プルトニウム、および他のアクチニド）は、ＭＳＲ２００の炉心２０１を形成する。冷却するステップは、液体炉心２０１に内に貯蔵された熱の殆どを伴う、ＭＳＲにとって重要である。少量が、中性子およびガンマ放射線の形態において、システムから逃散する。 4 and 5, an exemplary embodiment of a fission or transmutation molten salt reactor (MSR) 200 is shown. The fuel (uranium, plutonium, and other actinides) forms the core 201 of the MSR 200 during which it operates. The cooling step is important for MSR, with most of the heat stored within the liquid core 201. A small amount escapes from the system in the form of neutrons and gamma radiation.

***または核変換ＭＳＲ２００の炉心２０１から熱を除去するために、ＣＮＴのバンドル２０２は、炉心２０１を通してクーラントを輸送する。クーラントは、各プロセスが個々に作動することが可能である、３つのプロセス、すなわち、（１）ポンプ、（２）毛細管作用によって、（３）蒸発によっての組み合わせによって、ＣＮＴを通して移動される。人工木と称される、最後の２つのプロセスは、木の毛細管システムによって触発される。 To remove heat from the core 201 of the fission or transmutation MSR 200, the CNT bundles 202 transport coolant through the core 201. Coolant is moved through the CNTs by a combination of three processes, each process capable of operating individually: (1) a pump, (2) by capillary action, and (3) by evaporation. The last two processes, called artificial trees, are inspired by the tree's capillary system.

毛細管作用は、接着力、凝集力、および表面張力に起因するのに対し、蒸発は、浸透圧差によって駆動される。 Capillary action is due to adhesive forces, cohesive forces, and surface tension, whereas evaporation is driven by osmotic pressure differences.

ＣＮＴバンドル２０２は、熱を堆積するために、加熱しているクーラントを熱交換器２０３の中に輸送する。本熱エネルギーは、サバティエ反応またはハーバプロセス等のエネルギー集約型熱化学反応を駆動するために使用されることができる。 CNT bundle 202 transports the heating coolant into heat exchanger 203 to deposit heat. This thermal energy can be used to drive energy-intensive thermochemical reactions such as the Sabatier reaction or the Haber process.

ＭＳＲ２１０の代替の例示的実施形態では、高温液体２０１は、付加的なクーラントの使用を伴うことなく、ＣＮＴバンドル２０２を通して、熱交換器２０３の中に輸送される。熱交換器は、熱エネルギーを吸収し、サバティエ反応またはハーバプロセス等のエネルギー集約型反応を駆動する役割を果たす。 In an alternative exemplary embodiment of MSR 210, hot liquid 201 is transported through CNT bundle 202 and into heat exchanger 203 without the use of additional coolant. Heat exchangers serve to absorb thermal energy and drive energy-intensive reactions such as Sabatier reactions or Haber processes.

融合炉に関して先に述べられるように、***炉によって生成された、使用されていない電力はいずれも、限定ではないが、二酸化炭素の一酸化炭素への電気化学的還元を含む、電気化学的プロセスを駆動するために使用されてもよい。 As mentioned above with respect to fusion reactors, any unused power produced by a fission reactor can be used for electrochemical processes, including, but not limited to, the electrochemical reduction of carbon dioxide to carbon monoxide. may be used to drive.

参照文献 References

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本明細書に提供される任意の実施形態に対して説明される全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップが、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることが意図される。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、１つの実施形態のみに対して説明される場合、その特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態と併用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能性として考えられると明示的に記述しない場合であっても、任意の時点で、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または１つの実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別の実施形態のもので代用する、請求項の導入のための先行詞および書面による支援としての役割を果たす。全ての可能性として考えられる組み合わせおよび代用の明確な列挙は、特に、あらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が、本説明を熟読することに応じて当業者によって容易に認識されるであろうことを前提として、過度に負担となる。 All features, elements, components, functions, and steps described for any embodiment provided herein are freely combinable and substitutable with those from any other embodiments. Something is intended. When a feature, element, component, function, or step is described with respect to only one embodiment, unless the feature, element, component, function, or step is explicitly stated otherwise; , may be used in conjunction with any other embodiments described herein. This paragraph therefore provides that, at any time, combinations or substitutions from different embodiments may be included, even if the following description does not explicitly state that such combinations or substitutions are possible in a particular case. For the introduction of a claim combining features, elements, components, functions, and steps or substituting features, elements, components, functions, and steps from one embodiment with those of another embodiment Serves as an antecedent and written support. An explicit enumeration of all possible combinations and substitutions, particularly the permissibility of all such combinations and substitutions, will be readily appreciated by those skilled in the art upon perusal of this description. Assuming that, it becomes an excessive burden.

多くの事例では、エンティティは、他のエンティティに結合されているものとして、本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」またはそれらの形態のいずれもが、本明細書において同義的に使用され、両方の場合において、いかなる無視できないものも伴わない２つのエンティティ、例えば、寄生的な介在するエンティティの直接的な結合、および１つまたはそれを上回る無視できない介在するエンティティを伴う２つのエンティティの間接的な結合に対して包括的であることを理解されたい。エンティティが、ともに直接的に結合されているものとして示される場合、またはいかなる介在するエンティティの説明を伴わずに、ともに結合されているものとして説明される場合、文脈上明白に別様に示されない限り、それらのエンティティが、ともに間接的に結合され得ることを理解されたい。 In many instances, entities are described herein as being coupled to other entities. The terms "coupled" and "connected" or any of their forms are used interchangeably herein and in both cases refer to two entities that do not involve any non-trivial, e.g. parasitic It is to be understood that it is inclusive of direct couplings of two entities with one or more non-negligible intervening entities, as well as indirect couplings of two entities with one or more non-negligible intervening entities. When entities are described as being directly coupled together or as being coupled together without any description of any intervening entities, the context does not clearly indicate otherwise. It should be understood that the entities may be indirectly coupled together.

実施形態は、種々の修正および代替形態の影響を受けるが、その具体的な実施例が、図面に示されており、本明細書に詳細に説明される。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されず、それとは反対に、これらの実施形態は、本開示の精神内に該当する、全ての修正、均等物、および代替案を網羅するためにあることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素が、請求項内に列挙される、または追加されてもよく、その範囲内にない特徴、機能、ステップ、または要素によって請求項の発明範囲を定義する、負の限定も、同様である。 While the embodiments are susceptible to various modifications and alternative forms, specific examples thereof are shown in the drawings and herein described in detail. However, these embodiments are not limited to the particular forms disclosed; on the contrary, these embodiments embrace all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit of this disclosure. Please understand that this information is intended to be comprehensive. Furthermore, any feature, function, step, or element of an embodiment may be recited or added to a claim, and any feature, function, step, or element not within the scope of the claimed invention The same applies to negative limitations that define ranges.

Claims

炉の冷却システムであって、前記冷却システムは、
低エネルギー光子を吸収するように構成される低Ｚ材料を含む第１の壁と、
高Ｚ材料を含む第２の壁と、
前記第１の壁を通して延在する炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）ベースのネットワークと
を備える、冷却システム。 A cooling system for a furnace, the cooling system comprising:
a first wall comprising a low Z material configured to absorb low energy photons;
a second wall comprising a high-Z material;
a carbon nanotube (CNT)-based network extending through the first wall.

前記第１および第２の壁を通して延在する複数のパイプをさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。 The cooling system of claim 1 further comprising a plurality of pipes extending through the first and second walls.

前記ＣＮＴベースのネットワークは、前記複数のパイプのうちの１つまたはそれを上回るものを形成する複数のＣＮＴバンドルを備える、請求項２に記載の冷却システム。 3. The cooling system of claim 2, wherein the CNT-based network comprises a plurality of CNT bundles forming one or more of the plurality of pipes.

前記ＣＮＴベースのネットワークは、前記第１の壁を形成し、前記冷却システムは、毛細管作用を介して、各ＣＮＴを通してクーラントを駆動するように構成される、請求項１に記載の冷却システム。 2. The cooling system of claim 1, wherein the CNT-based network forms the first wall and the cooling system is configured to drive coolant through each CNT via capillary action.

前記ＣＮＴベースのネットワークは、前記第１の壁を通して延在する複数のパイプを形成する１つまたはそれを上回るＣＮＴバンドルを含む、請求項４に記載の冷却システム。 5. The cooling system of claim 4, wherein the CNT-based network includes one or more CNT bundles forming a plurality of pipes extending through the first wall.

前記第１の壁は、前記炉の真空壁を形成する、請求項１－５に記載の冷却システム。 A cooling system according to claims 1-5, wherein the first wall forms a vacuum wall of the furnace.

前記炉は、前記第１および第２の壁を越えて配置される真空壁を含む、請求項１－５に記載の冷却システム。 A cooling system according to claims 1-5, wherein the furnace includes a vacuum wall located beyond the first and second walls.

中性子を吸収するように構成される第３の壁をさらに備える、請求項１－５に記載の冷却システム。 A cooling system according to claims 1-5, further comprising a third wall configured to absorb neutrons.

前記第３の壁は、炭化ホウ素を含む、請求項８に記載の冷却システム。 9. The cooling system of claim 8, wherein the third wall comprises boron carbide.

前記第３の壁は、中性子を吸収するように構成される液体を有するタンクを備える、請求項８に記載の冷却システム。 9. The cooling system of claim 8, wherein the third wall comprises a tank having a liquid configured to absorb neutrons.

前記第１の壁は、中距離エネルギー光子を部分的に吸収および反射するように構成される、請求項１－５に記載の冷却システム。 A cooling system according to claims 1-5, wherein the first wall is configured to partially absorb and reflect intermediate range energy photons.

熱交換器であって、それを通してルーティングされる前記ＣＮＴベースのネットワークから熱を抽出するように構成される熱交換器をさらに備える、請求項１に記載の冷却システム。 2. The cooling system of claim 1, further comprising a heat exchanger configured to extract heat from the CNT-based network routed therethrough.

前記第１の壁は、炭素ナノチューブ布を備える、請求項１に記載の冷却システム。 The cooling system of claim 1, wherein the first wall comprises carbon nanotube fabric.

前記炭素ナノチューブ布は、１，３５０ｍ^２／ｇの表面対体積比を有する、請求項１３に記載の冷却システム。 14. The cooling system of claim 13, wherein the carbon nanotube fabric has a surface to volume ratio of 1,350 m ^<2> /g.

前記炭素ナノチューブ布は、１～１００ｎｍの範囲の直径を有するナノチューブを備える、請求項１３に記載の冷却システム。 14. The cooling system of claim 13, wherein the carbon nanotube fabric comprises nanotubes having a diameter in the range of 1-100 nm.

前記炭素ナノチューブ布は、前記第１の壁の前記内部表面の前記サイズよりも大きいサイズを備え、前記炉の前記内部表面に対向する前記炭素ナノチューブ布の第１の部分は、前記炭素ナノチューブ布の第２の非露出部分が、前記炉の前記内部に対向するように、前記炭素ナノチューブ布を回転させることによって交換可能である、請求項１３に記載の冷却システム。 The carbon nanotube cloth has a size that is greater than the size of the interior surface of the first wall, and a first portion of the carbon nanotube cloth facing the interior surface of the furnace has a size that is larger than the size of the interior surface of the first wall. 14. The cooling system of claim 13, wherein a second unexposed portion is replaceable by rotating the carbon nanotube cloth to face the interior of the furnace.

炉の冷却システムであって、前記冷却システムは、
低エネルギー光子を吸収するように構成される低Ｚ材料を含む第１の壁と、
高Ｚ材料を含む第２の壁と
を備え、
前記第１の壁は、炭素ナノチューブ布を備え、前記炭素ナノチューブ布は、前記炉の前記内部に露出される前記炭素ナノチューブ布の一部が、前記炭素ナノチューブ布の非露出部分と交換され得るように移動可能である、
冷却システム。 A cooling system for a furnace, the cooling system comprising:
a first wall comprising a low Z material configured to absorb low energy photons;
a second wall comprising a high-Z material;
The first wall comprises a carbon nanotube cloth such that a portion of the carbon nanotube cloth exposed to the interior of the furnace can be replaced with an unexposed portion of the carbon nanotube cloth. can be moved to
cooling system.

前記炉は、前記第１および第２の壁を越えて配置される真空壁を含む、請求項１７に記載の冷却システム。 18. The cooling system of claim 17, wherein the furnace includes a vacuum wall disposed beyond the first and second walls.

中性子を吸収するように構成される第３の壁をさらに備える、請求項１７に記載の冷却システム。 18. The cooling system of claim 17, further comprising a third wall configured to absorb neutrons.

前記第１の壁は、前記第１の壁内に配置される炭素ナノチューブバンドルを備える、請求項１７に記載の冷却システム。 18. The cooling system of claim 17, wherein the first wall comprises a carbon nanotube bundle disposed within the first wall.

前記炭素ナノチューブ布は、１～１００ｎｍの範囲の直径を有するナノチューブを備える、請求項１７に記載の冷却システム。 18. The cooling system of claim 17, wherein the carbon nanotube fabric comprises nanotubes having a diameter in the range of 1-100 nm.