JP2024508494A - カーボンネガティブ炉 - Google Patents
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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。
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。
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。
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、CO2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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-B11融合)、およびプラズマの磁束、および付随の数10s MW/m2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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、CO2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。
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CO2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、CO2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。
pB11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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、CO2を変換する。
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。
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。
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。
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。
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。
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CO2を含むことができる。CO2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。
第1の壁105からの抽出された熱または変換されたCO2副産物は、熱またはガス交換器119に送達される。
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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(BH4)2またはTiH2を含む。
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。
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。
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]。
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]。
CNTは、最も高い表面対体積比を保有し、1,350m2/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。
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。
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。
磁石シールド材115は、Mg(BH4)2またはTiH2から設計される。
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。
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、CO2変換を開始するために分流されることができる。
CO2を変換するために、CO2が、最初に、収集されなければならない。CO2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。CO2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。
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、CO2クーラントの輸送に追加されるであろう。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
***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。
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。
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。
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。
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。
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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。
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。
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。
Claims (21)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記炭素ナノチューブ布は、1,350m2/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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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