誘電体壁加速器および用途および使用の方法

関連出願の相互参照 本願は、2013年5月17日に出願され且つ参照することにより本願に援用される米国仮特許出願整理番号第61/824,654号の利益を主張する、参照することにより本願に援用される2014年5月16日に出願されたPCT国際出願整理番号PCT/US14/38386号に関する。本願は、2013年11月21日に出願された米国仮特許出願整理番号第61/907,169号の優先権を主張する。米国仮特許出願整理番号第61/907,169号もまた、参照することにより本願に援用される。

誘電体壁加速器については米国特許第5,811,944号で説明されており、米国特許第5,811,944号は参照することにより本願に援用される。米国特許第5,811,944号の技術概念は、当時普及していた他の既存の技術に対して実質的な性能改善を提供した。概念上は、その概念において提案されたエネルギー密度、またはむしろ高い電圧勾配は、当時の物質および技術と調和しないものであった。その概念は効果的であり得るが、構成要素に対する物質の組み合わせはその限界において動作され、寿命限界による故障が、生産された装置に対する難題であった。

したがって装置の性能は、当該装置を構築するために使用される物質により大きく左右される。実際、利用可能な物質および製作技法が主要な限界因子であった。

90個以上の核子を有する元素ターゲットに対する相対論的な電子衝突を介する低平均パワー出力または高い平均パワー出力のガンマ線生成と、コンパクトな自由電子レーザのための効果的な電子入射器および加速器と、任意の環境に放出された放射性同位元素に対する効果的な修復のためのオプションを有する元素変換および発電に対して好適である低平均パワーレベルおよび高平均パワーレベルにおけるニューロン破砕生成を用いる効果的且つコンパクトな陽子加速と、を含むが、これらに限定されない、複数の実施形態例が提供される。

荷電粒子の供給源と、カソード電極を含み、アノード電極も含む、荷電粒子を加速するためのキャパシタ要素と、荷電粒子を伝達するためにキャパシタ要素を通して形成された導管と、を含み、これらのキャパシタ電極のうちの少なくとも1つのキャパシタ電極がダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素により少なくとも部分的にコーティングされている、放出器装置も提供される。

荷電粒子の供給源と、導管と、キャパシタ・アレイを形成するためにスタックされた複数のキャパシタ要素であって、このキャパシタ・アレイは、キャパシタ・アレイを通して形成された導管を通して荷電粒子を加速するよう構成され、これらのキャパシタ要素のうちの各キャパシタ要素は、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を含む層を有するカソード電極、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を含む層を有するアノード電極、およびキャパシタ要素の放電の間に作動のためにキャパシタ要素の周囲に配置された複数の光スイッチを含む、キャパシタ要素と、装置を冷却するために装置内で冷媒を循環させるための冷却システムと、を含む放出器装置がさらに提供される。

荷電粒子の供給源と、導管と、キャパシタ・アレイを形成するためにスタックされた複数のキャパシタ要素であって、このキャパシタ・アレイは、キャパシタ・アレイを通して形成された導管を通して荷電粒子を加速するよう構成され、これらのキャパシタ要素のうちの各キャパシタ要素は、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を含む層を有するカソード電極、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を含む層を有するアノード電極、および、それぞれがダイヤモンド結晶を含み、キャパシタ要素の放電の間に作動のためにキャパシタ要素の周囲に配置された、複数の光スイッチを含む、キャパシタ要素と、この装置を冷却するために装置内で冷媒を循環させるための冷却システムと、を含み、荷電粒子を加速することの結果としてガンマ線を放出するよう適応されている、放出器装置も提供される。

粒子加速器装置を使用してガンマ線を生成する方法であって、粒子ストリームを生成するステップと、粒子ストリームをキャパシタ・アレイに供給するステップであって、このキャパシタ・アレイは複数の放電するスタックされたキャパシタを含み、これらのキャパシタのうちの各キャパシタは、当該キャパシタに含まれる電極上においてダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素のコーティングを利用する、ステップと、放電するキャパシタに関連付けられた1つまたは複数の光スイッチを使用してキャパシタ・アレイのキャパシタを放電することにより、キャパシタ・アレイを使用して粒子ストリームを加速するステップと、を含む、方法が提供される。

複数のキャパシタ電極を製造するステップと、これらのキャパシタ電極のうちの各キャパシタ電極をダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素でコーティングするステップと、複数の光スイッチを提供するステップと、複数のキャパシタ要素を製造するステップであって、これらのキャパシタ要素のうちの各キャパシタ要素は1対の電極および複数の光スイッチを含む、ステップと、導管を形成するコア上に複数のキャパシタ要素をスタックするステップであって、加速される粒子がコアを通って伝達される、ステップと、を含む、粒子加速器を製造する方法も提供される。

複数のキャパシタ電極を製造するステップ、これらのキャパシタ電極のうちの各キャパシタ電極をダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素でコーティングするステップ、それぞれがダイヤモンド結晶を含む複数の光スイッチを提供するステップ、複数のキャパシタ要素を製造するステップであって、これらのキャパシタ要素のうちの各キャパシタ要素は1対の電極および複数の光スイッチを含み、これらのキャパシタ要素のそれぞれは少なくとも1つのチャネルを形成するための空間を含む、ステップ、および、複数のキャパシタ要素を、少なくとも1つのチャネルを形成するコアおよび加速される粒子がそれを通って伝達される導管の上にスタックするステップであって、少なくとも1つのチャネルは、粒子加速器を冷却するための冷媒を受容するよう適応されている、ステップを含む、粒子加速器を製造するステップと、粒子供給源を製造するステップであって、粒子供給源は、第2極性で動作される複数の外側電極により包囲される第1極性で動作される内側電極を含み、粒子供給源を冷却するための冷却システムを含む、ステップと、ガンマ線放出器装置を形成するために、ハウジング内の粒子加速器内に粒子供給源を配置するステップと、を含む、ガンマ線放出器装置を製造する方法が、さらに提供される。

原子炉における燃料の反応速度を制御するために上記の放出器装置のいずれかを使用する原子炉も提供される。汚染ターゲットを除染するために上記の放出器装置のいずれかを使用する除染装置も提供される。

放射性燃料供給源と、燃料供給源において核反応を引き起こすために放射性燃料供給源に向かって誘導されるガンマ線を生成するよう構成された放出器装置と、放射性燃料供給源および放出器装置を格納するための格納システムと、原子炉の外部に輸送するために原子炉から熱を抽出するよう構成された熱抽出システムと、を含む、原子炉も提供される。

放射性燃料供給源と、燃料供給源において核反応を引き起こすために放射性燃料供給源に向かって誘導されるエネルギービームを生成するよう構成された放出器装置であって、荷電粒子の供給源、それぞれが1対の電極を含む、荷電粒子を加速するための複数のキャパシタ要素、および、荷電粒子を伝達するためにキャパシタ要素を通して形成された導管を含む放出器装置と、を含む原子炉がさらに提供される。これらのキャパシタ電極のうちの少なくとも1つのキャパシタ電極はダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素により少なくとも部分的にコーティングされている。

放出器装置を冷却するための冷却システム、放射性燃料供給源、および原子炉の外部に輸送するために原子炉から熱を抽出するよう構成された熱抽出システムも含む、上記の原子炉もさらに提供される。

制御されたガンマ線ビームを生成するステップと、核燃料の放射性分解の速度を制御するためにガンマ線ビームを核燃料に誘導するステップと、を含む、核燃料を含む原子炉における核反応を制御する方法も提供される。

ガンマ線を生成するよう構成された放出器装置を提供するステップと、放出器装置により生成されたガンマ線を汚染ターゲットに向かって誘導するよう構成されたガンマ線合焦・誘導装置を提供するステップと、汚染ターゲットを少なくとも部分的に除染するために放出器装置により放射性ターゲットに向かって放出されたガンマ線を使用するステップと、を含む、放射性ターゲットを除染する方法もさらに提供される。

エネルギービームを生成するよう構成された放出器装置と、放出器装置により生成されたエネルギービームを汚染ターゲットに向かって誘導するよう構成されたガンマ線合焦・誘導装置と、放出器装置およびガンマ線合焦・誘導装置を制御するための制御器と、放出器装置および除染装置を輸送するよう構成された可動式プラットフォームと、を含む、除染装置もさらに提供される。

追加的な実施形態例も提供される。係る実施形態例の全部ではないが一部について、以下でより詳細に説明する。

本明細書で説明される実施形態例に関する特徴および利点は、以下に添付する図面を参照して以下の説明を読むならば、本開示に関する当業者に明らかとなるであろう。

ダイヤモンド誘電体壁加速器(DDWA)とともに使用するための例示的な水冷式粒子入射器(DPF)を軸方向から見た部分的概略図である。

例示的なDDWAの誘電体壁加速器領域の例示的なキャパシタ要素の概略図である。

例示的なDDWAとともに使用される冷却水ジャケットの概略図である。

冷却水ジャケットを有する例示的なDDWAの誘電体壁加速器領域の端部キャパシタ要素の概略的端面図である。

図4の例示的なDDWAの端部要素の概略的断面図である。

例示的なDDWA装置の一部を示す概略的仮想図である。

ガンマ線放出器のための供給源として使用される例示的なDDWAの応用を示す概略図である。

例示的な原子炉内で使用される図6の例示的なガンマ線放出器の概略図である。

例示的な原子炉内で使用される1対のDDWAを使用する他の例示的なガンマ線放出器の概略図である。

他の例示的な原子炉内で使用される他の例示的なガンマ線放出器の概略図である。

他の例示的な原子炉内で使用される複数の例示的なガンマ線放出器の使用を示す概略図である。

例示的な破砕原子炉の概略図である。

複数のガンマ線放出器を使用する例示的な破砕原子炉の概略図である。

例示的な原子炉のうちの1つを使用して発電するための例示的なシステムの概略図である。

例示的な可動式核除染システムの概略図である。

従来の設計よりも顕著に低いコストで、係る装置に対するより高い性能レベルを作成するための物質および製作技法の使用のための設計を有するダイヤモンド誘電体壁加速器(DDWA)アーキテクチャの事例が提示される。提案されるアーキテクチャでは、高い平均出力用途のために装置が冷却される一方で、非常に高い動作電圧の構築、取り付け、および絶縁の実際的な手段が取り入れられている。図1を参照して以下で説明される既存の装置に対しての改善を提示する高密度プラズマ束陽子入射器(DPF)も利用され得るが、DDWAは、ソース粒子を提供するために、いくつかの既存の粒子生成器装置のうちの任意の装置を使用することも可能である。

本明細書の全体を通して、DLCという用語はダイヤモンド状炭素を説明するために使用される。ダイヤモンド状炭素は、様々な形態を取り得る物質であるが、すべてが、ダイヤモンドの性質と同様の性質(良好な耐摩耗性能を与える硬度、滑らか)さを示し、且つ高い電気絶縁性を有し得る一方で、良好〜優秀な熱伝導性能(例えば、金属の範囲の熱伝導率(数十〜数百W/m−K)から純粋なダイヤモンドの優れた熱伝導率(およそ1000W/m−K))も有する炭素を含む、物質である。さらにDLCのうちのいくつかの形態は、半導体の特性さえも有し得る。このDLC物質は通常、少なくとも部分的にダイヤモンド状構造に組織化された炭素を含み、かなりの量のsp³混成炭素原子を含み得る。DLC物質は純粋なダイヤモンドとは異なり、可撓性およびアモルファス性を有することも可能である。DLCの形態のうちのいくつか形態では、DLC物質は実際の合成ダイヤモンド物質を含み得る。本開示の目的に関しては、良好〜優秀な熱伝導性能も有する一方で高い電気絶縁性能力を提供するDLCの組成が好適である。他の物質(ダイヤモンド状物質または実際のダイヤモンド物質を含み得る特定的なポリマーまたはセラミック)の中でも特に、同様の特性を有する他の物質(例えばダイヤモンド複合材料およびダイヤモンド粉末など)が、以下で説明されるDLC物質の代用品となり得る。

図1では、水冷式高密度プラズマ束(DPF)陽子入射器である例示的な粒子入射器の概略図が示される。この図面は、あたかも圧縮レールガン状の装置などのDDWA加速管のボアから見ている状態で、示されている。この装置のハウジングおよび周辺構成要素は図示されていない。DPFは例示的なDDWAとともに使用され得、堅牢な平行電極(個々のキャパシタを形成する)から構築されたスタックされたキャパシタ・アレイを有する。図1のDPFは中央水冷粒子入射器電極1と、より小さい水冷外側電極2と、を含む。これらの電極自体は、水流路3を使用して均一な内部冷却流体循環を支持するにあたり十分に大きい直径を有する。水流路3のうちの一方は流入口であり得、他方は流出口として使用される。水分割器4が、水流を分割するために、流入水路と流出水路との間に提供される。

各電極1および電極2は、全金属製、半導体製、またはホウ素(高温時には導電性を示す)もしくはシリコンカーバイドなどの伝導性セラミック複合材物質製、または他の好適な伝導性物質製であり得る。DDWAと入射器組立体とを分離するために堅牢な真空気密の絶縁された窓において電極の直接的に前方に電極と直線状に並んでいる中央ボア5も提供される。この窓はいわゆる低原子番号物質(20個より少ない陽子および中性子を有する原子核)の薄いプレートであり、能動的に冷却(例えば水冷)される。なお、粒子または原子の原子核を生成し、これらを粒子加速器(DDWAについて、窓の外側に存在することとなるであろう)のアパーチャに伝導することに対して好適である真空マニホールドに、上述の電極アレイを取り付けることが、DDWAと入射器組立体とを分離することより、可能となるであろう。図示のように、いくつかの電極が同軸状円筒形パターンを形成するアレイ状に配置されている。さらにこれらの電極は、より大きい直径を有し、且つ、中央中空管を有するよう設計された1つの中央カソード電極1が存在し、内側環状水冷流路が中央中空管の壁部へと設計および構築されているというというパターンで、配置されている。この装置には、同心状のパターンで中央電極ジャケットを包囲する任意個数の2次的アノード電極2も提供される。この同心状パターンでは、より小さい周辺電極2が中央のより大きい電極1の周囲に円筒形アレイ状で配置されている。

各2次的周辺アノード電極2は、高電圧高エネルギーのキャパシタバンク(図示せず)に接続され、離散パルス形成ネットワークを含む。ここで中央カソード電極1は、きわめて短い時間領域内における非常に高い電圧を用いて、高い平均およびピーク放電を支援するために使用される。所与の時間において、すべてのアノード電極2が同時に作動されると、きわめて高電流のアークが低圧ガス(例えばホウ化水素を含有するガスなど)中において各電極の表面にきわめて近接した領域に生成される。アークは、仮想的な接地平面(電極の支持構造体の基部に位置する)から中空または環状の中央カソード電極1の先端部へと伝搬する。これはきわめて高速な事象であり、その最終的な結果として、アークが、中央カソード電極1の内側表面および外側表面を含む接続電極物質へと伝搬し、この時点においてアークは接触表面を越えて到達し、ボアの中央部分において合流する。この時点において、電子または陽子のビームが、プラズマが生成されたこの領域から放出される。各電極の環状能動的冷却領域は高い反復速度を可能にし、それによりビーム電流が大きくなる。

この例示的なケースでは、最内側の管は、取付プレートから最も遠い端部において外側ジャケットにシールされた内側ジャケットを有し、それにより、水が、内側電極管の2つの環状ジャケット(流路3)間で流れることが可能となる。係る水流は、プラズマが生成され且つ加速されることが意図される蒸発した物質からすべての電子が奪われる領域において、電極を冷却することを目的とするものである。このボアは、この環境においてさらに大きく電離される、ガス(多くの場合、水素、重水素、または窒素が使用される)または任意の物質のイオンが導入される地点でもあり、水素の場合には、加速された後にDDWAボアへと窓を通して入射される陽子自体を提供する。この窓は、DDWAの加速器管のボアにおける高い真空と、プラズマフォーカス装置入射器(DPF)における(例えば)12トル±10トルの水素ガスの分圧と、を提供するために提供される。

DPF粒子入射器が水素とホウ素との間の核融合反応のために使用される場合、内側管は、能動的流体冷却を有さない1つのモノリシック管として提供されることになるであろう。その一方で、内側管は伝導的に冷却され、ホウ素製であり得る。代替的な手法は先行技術の特許にしたがって低圧の水酸化ホウ素ガスとともに全金属製のDPFを使用することである。

DPFまたは他種類の粒子入射器を使用するDDWAアーキテクチャが、陽子または電子を加速するために使用され得る。係る設計は、相対論的速度の生成を可能にし、電子の場合には、高密度の高原子番号ターゲット(90個を越える核子)に電子を誘導し、高エネルギーのガンマ線が有用な効率(例えば30%。これは珍しい数値ではない)で生成される。この例示的な構成では、DPFはいくらか異なる様式で動作される。別個のアークが合流するプラズマ領域から放出された粒子は、軸方向においてDPFの接地平面から離間する1つの方向に陽子を放出し、180度逆の極性方向に電子を放出する。したがって、DDWA入力アパーチャに対してこの構成で動作される場合、陽子よりもむしろ電子のビームを使用する装置が提供される。

開示される設計に、中央管の全長にわたって延長するアパーチャを有する環状の二重壁部(内部冷媒流を可能にする)の中央管が提供されることの1つの理由である。したがって中央管のアパーチャは、所望によりDPFが粒子(陽子、電子、ベータ粒子、その他)をDDWAへと入射するようDDWAを装備することにより、粒子(例えば電子)の利用を可能にする。この加速器構成は、電子などの粒子が、所望により極端に短い装置において、相対論的速度へと加速されることを可能にする。係る加速は放出器ターゲットにおいて原子核内に90個以上の核粒子を有する原子種からガンマ線を生成する際に有用となるであろう。

以下で説明される例示的実施形態のダイヤモンド誘電体壁加速器(DDWA)が、例えばキャパシタ加速器要素あたり125kV以上で動作するよう、提供され得る。125kVレベルでは、16MeVのガンマ線を生成することが期待される45MeVの電子を達成するために必要とされる加速器ヘッド部は36cm長さのオーダーとなるであろう。これは、従来設計の四重無線周波数加速器における1メートルあたり2MeVに匹敵するであろう。

この例示的な用途では、DPFの各放電は、内側表面上に反射される高い電流を(モノリシックな中実管電極において)形成する。これらの電流は水素ガスを電離させ、中央電極の端部へと加速する。この位置において、各放電経路は、トルネード状のプラズマ放電を管のまさに端部において形成する。この管の端部において、電離および加速された陽子は、ホウ素管の中央ボア内における単一の渦流頂点領域内に捕捉されることが可能である。まさにこの地点において、組み合わせられたプラズマ放電が集中され、高温で動作するホウ素の一部が、中央電極(この場合では、ホウ素から作られている)の端部のまさに中央において、電子が奪われた水素イオン(すなわち陽子)と遭遇し、組み合わされたプラズマ渦により作用されることが可能である。この位置において、個々の渦流からの磁気力もプラズマを集中させ、核融合反応が生じるための状況を発生させる。結果的に生成されるヘリウムと、反応されない陽子と、がDDWA内における後続の加速に対する入射物質となることができる。この方式の利点は、粒子が数百keVのエネルギーまたは速度でプラズマ入射器から加速されることである。このことは、特定的な目的を達成するためにDDWA内で必要とされる加速管長さを短縮する。

任意の原子プラズマイオンまたはガスイオンがこのように加速され得る。電極物質は、非核融合ベースの反応に対しては、必ずしもホウ素でなくともよいであろう。その場合、プラズマフォーカス装置は単なるコンパクトなイオン加速器/入射器である。

DPF粒子を受容する誘電体壁加速器(DWA)の区域のアーキテクチャは粒子加速器の真空格納区域を形成する中空円筒からなる。この例示的な管に対して選択される設計長さは約1メートル以上である。この管は、管の十分に厚い壁部内において、埋め込まれ且つ装着され、互いに絶縁された、金属膜の隣接した平行なリングから構成される絶縁された大きい(この場合、4cm)ボア管として構築される。これらの金属膜リングは、加速器管の外側壁部上にスタックされた逐次的に作動されるキャパシタの電圧勾配を平均化する効果を有するキャパシタ・ネットワークを形成する。この効果は、ボア管の壁部内の個々のキャパシタ要素を表す各リング上に誘導および印加された、反射される電荷に起因する。

パルス形成ネットワーク(PFN)を形成する放電キャパシタ要素のうちの各キャパシタ要素の電極表面に沿って伝搬する電流は、実際上、非常に制御された時間的に逐次的な事象(以下で説明される)において逐次的に作用されることにより、加速器管のボア内の任意の荷電粒子に対して作用する加速起電力を供給し、きわめて高い比エネルギー密度の加速力を管内の粒子に印加する。

例えば従来の用途において使用されるヒ化ガリウムまたはシリコンカーバイドの光スイッチは、高電圧における制御されたきわめて短時間期間の伝導を支援するための能動的な構成要素として使用され、それにより個々の光ファイバを介して供給される数ナノ秒のレーザパルスの照射時における高電圧および高電流におけるスイッチ動作を可能にし得るが、しかし係る装置は通常、高電流・低電圧で、または高電圧・低電流で、動作する。このことは、参照することにより本願に援用される米国特許第4,993,033号で、および、これもまた参照することにより本願に援用される、J.S. Sullivanによる“Wide Bandgap Extrinsic Photoconductive Switches, Lawrence Livermore National Laboratory, Jan 20, 2012(以後、「参考文献A」)で、説明されている。単結晶ダイヤモンドまたはDLC光スイッチ(すなわち、ヒ化ガリウムまたはシリコンカーバイドをダイヤモンド物質で置き換える)は、これら上述の制限を克服する。顕著な点は、先行技術の物質は1メートルあたり3百万〜3百50万ボルトの破壊電圧を有し、その一方で、単結晶ダイヤモンドおよび70%の四面体DLCダイヤモンドは、1メートルあたり100億ボルトの破壊電圧を有する、ということである。これは、実用的な単結晶ダイヤモンド光スイッチが1mmの装置に対して1000万ボルトの破壊電圧を有することを可能にする。明らかに、係る装置内に存在する冷却媒体または係る装置内で動作される冷却媒体の破壊電圧が主要な動作要因となり得る。大きく脱イオン化された水に対する破壊電圧は400kV/cmである。これは、DDWAの物質特性を最大化する光スイッチ配置アーキテクチャを使用することを示唆する。

キャパシタ要素またはキャパシタ層の配置のアーキテクチャは、ディスクの1つの表面上で個別的に離間されたリブの層である各キャパシタ・ディスク間に空間が存在するというものである。このことは、管およびキャパシタ・アレイの軸に沿った脱イオン化水の冷媒の強制的な流れを可能にするが、この強制的な流れは、上述のリブの存在により、PFNのキャパシタ・ディスク要素間に形成された空間を通って、管の軸に対して横断的に出る。水は、個々のキャパシタ区域の、内側アパーチャおよび累積的な水マニホールドを構成する多角形(例えば六角形)穴の頂点空間にポンプ注入される。一連の個別的なキャパシタが隣同士にスタックされ、それによりキャパシタ・アレイが形成され、キャパシタの軸方向合計が、エネルギー蓄積を供給し、逐次的に作用されるPFNの高速放電回路を提供する。単一のキャパシタ要素は、1つまたは複数の光スイッチが2つの導体間に取り付けられた状態で、互いに対してスタックされた2つの平行なプレート伝達ライン(電極)からなり得る。

図2は、例示的なDDWAに対する例示的なキャパシタ要素50の誘電体壁加速器領域の概略図を示す。DDWAは、複数の係る領域50をスタックすることにより(すなわち複数のキャパシタ要素をスタックすることにより)形成される。DDWAは、スタックされた要素50の全部を貫通する中央粒子真空チューブ導管7を含む。要素50は第1ダイヤモンド被覆キャパシタ・プレート8を含む(各キャパシタ加速要素に対して1つの第1ダイヤモンド被覆キャパシタ・プレート8が提供され、それにより結果的に生成された高電圧バルス形成ネットワーク(PFN)が形成される)。第2ダイヤモンド被覆キャパシタ・プレート9(各キャパシタ要素に対して1つ)は、パルス形成ネットワーク(PFN)の要素50に対する接地基準を提供する。六角形アパーチャ10がキャパシタ要素に提供される。なおこのアパーチャ10は中央冷媒流路を構成する。3つの単一結晶ダイヤモンド・プレート光スイッチ12が、多角形PFN加速器キャパシタ要素において軸方向順序で提供される。単結晶ダイヤモンド光スイッチ13が、次の順序の多角形PFN加速器キャパシタ要素に対して提供される。キャパシタ・プレート(電極)上のダイヤモンド被覆は、例えば蒸着処理を使用して蒸着され得る、ダイヤモンド結晶またはダイヤモンド状炭素(DLC)からなり得る。さらに、テフロン被覆または他の被覆が、ダイヤモンドまたはDLC層上に、層の防水化のために、提供され得る。注意:いくつかの実施形態では、例えば参考文献Aで開示されているように、キャパシタ要素が隣接のキャパシタと電極を共有し、それによりキャパシタ要素の個数の低減化が図られ得るが、このことは、好適な構築アーキテクチャではない。

例示的なDDWA装置は、設計の外側形状(この場合では、六角形)の構成として、六角形の多角形として提供される。実際に、光スイッチを取り付けるにあたり好適な個数の縁部を有する多角形が、提供され得る。しかし、各キャパシタは通常、ダイヤモンド被覆絶縁キャパシタ要素50の表面全体で均一な同時電流放電を提供するために各層上で3つ以上の光スイッチ12を有するであろう。隣接する層は、隣接する層の光スイッチが隣接する層の頂点間にフィットするよう、装着された当該層自体の光スイッチ13を有するであろう。これは、干渉(特に、絶縁体および冷媒として使用される脱イオン化水の破壊によるアークからの干渉)なしに光スイッチが動作することを可能にするであろう。この方法により、各キャパシタ要素は周辺にわたって均等に放電し、それにより、それぞれの個々の層の略均等な電流放電が可能となるであろう。光スイッチ(単数または複数)12および13と、キャパシタ層8の厚さおよび配置と、は、これらの設計された動作を可能とするよう適応されるであろう。脱イオン化水の破壊電圧を考慮に入れると、(この装置において例示される)125kV電位の光スイッチ電極の最小間隔は、安全な設計パラメータを、125kVの設計電圧における安全係数の3倍に対する1cmであるとして、4mm以上離間しなければならない。

各個別の光スイッチは、外側縁部に取り付けられた個々の光ファイバ・カプラによりアクセスおよび活性化されることが可能である。これは、単結晶合成ダイヤモンドが高速・高電流の導体となり、それによりキャパシタを短絡させ、粒子加速器に対する作動事象を形成する高電流の放電を生成することが可能となるように制御されたタイミング下で、十分な強度(例えば、それぞれ10〜15ミリジュール)のqスイッチレーザパルスを支援する。

図3は、真空円筒の端部をカバーする例示的な冷却水ジャケット20を示す。このジャケット20は、水入力/出力ポート21と、中央真空チューブ導管に対する水シール22と、加速器多角形キャパシタ要素に対する水シール23と、を含む。

図4は、中央粒子真空チューブ導管7と、水冷却ジャケット20と、入/出冷却ポート21と、隣接するキャパシタ層に対する接地基準PFNキャパシタ・プレート接点25と、キャパシタ層8に対する高電圧PFNキャパシタ接点要素26と、を示す、例示的なDDWAの端部キャパシタ100の概略端面図を示す。図5Aは、多数の同一構成要素を示す、中央誘電体壁真空チューブの端部キャパシタ上方の冷却水ジャケットの断面図である。図5Bは、図5Aの端部キャパシタ100が、DDWA装置を形成するために、水冷却された格納容器110内にある状態で、DDWA装置を仮想線で示す概略図である。単一のキャパシタ要素(端部要素)のみがこの図5Bで示されているが、実際上の装置では、多数のキャパシタ要素50(図2で示される)もキャパシタ要素のスタックを形成するためにチューブ導管(コア部)7上にスタックされている。粒子源生成器は、格納容器110内に含まれてもよく、または含まれなくてもよい。

このDDWA技術において新規の特徴のいくつか(係る特徴のそれぞれは、開示された設計例の省略可能な特徴を構成する)は、以下の項目を含む。

1)キャパシタ要素の設計として表されるディスクの大きい部分から伸びる帯状物として示される充電電極タブまたは導体を除いてキャパシタ電極要素の全表面上に提供されるダイヤモンド状炭素(DLC)(またはダイヤモンド)の使用。このDLC膜に対する特定的な例外も存在する(実際の光スイッチ接点が、電極導体上に取り付けられるよう提供される位置)。DLC膜は例えばレーザ(例えば、2012年8月3日に出願された米国特許出願整理番号第13/566,144号で開示されたスラブ・レーザなど。米国特許出願整理番号第13/566,144号は参照することにより本願に援用される)を使用するパルスレーザ蒸着(PLD)を使用して蒸着され得る。

2)例えば六方晶チタン酸バリウム(h−BaTiO₃)セラミック誘電体の2次的PLD形成膜も電極間の領域において使用され得る。DLCは、DDWAの動作を支持するにあたり好適な誘電体であるが、チタン酸バリウムまたは二酸化チタンなどの高飽和電圧誘電体を含むことは設計者の選択である。

3)その目的が、この場合では脱イオン化水に対する冷却プレナムを作ることである、各ディスク・キャパシタ要素の表面(単数または複数)上のリブ構造体(場合によってはPLDにより作られる)。

4)例えば、放電の際に、均一な電流を形成または支援するために、個々のキャパシタ要素の周囲に配置および離間された高電圧高電流の光スイッチ要素を含み、しかも封入するDLC層内にシールされてもいる、所望により窒素が添加された合成単結晶または添加されていない、ダイヤモンドウェーハ。一方、前述のDLC層は、いくつかの場合では、表面または光パルス入力小表面をカバーする必要はないが、むしろ、電極の機械的接合および電気経路を可能にする露出された伝導性金属化層のみをカバーする。

5)逆または対向方向となることが強制され得る交互の頂点における水、六フッ化硫黄、またはオイル絶縁体の流れを支援する個々のキャパシタ要素における多角形形状(図面で示される事例では六角形)中央アパーチャまたは穴。この特徴は、逆方向からの冷却を可能にする。これは、加速器ボアチューブの冷却区域の有効長さを2倍にする。提案される冷媒が強制的にチューブの外側壁部の長さにわたり送られるにつれて、冷媒が温度上昇するであろうため、この特徴は重要となり得る。緩和されないかぎり、高平均出力動作では、水が沸騰し始め、オイルが炭化される時点が存在するであろう。この簡単な特徴は、任意の所与の冷媒流レベルにおいて装置の長さに負荷され得るパワーを増加させ、またはこの設計により、冷媒エンクロージャ構造体の非加圧動作を可能にする。いくつかの用途では、このことは装置全体のビーム電流を顕著に増大させる。

6)装置全体を通して真空チューブの軸に沿った外側壁部に沿って流された後、次にキャパシタ要素間の空間を通して出るよう、ポンプ注入される脱イオン化水または冷媒。大いに脱イオン化された水は、センチメートルあたり18メガオームまで脱イオン化されると、単位cmあたり400kVの破壊電圧を有する。これは、装置の冷却およびコンパクトなアーキテクチャを可能にする。冷却レベルはキロヘルツの反復速度を可能にし、したがって高平均出力ビーム電流を支援する。水の使用は、水脱イオン化抵抗測定装置の良好に確立され成熟した技術が、制御用コンピュータによるフィードバックシステム制御要素として使用されることも可能にする。

7)ダイヤモンド状炭素(DLC)またはダイヤモンドが、キャパシタのプレートならびに電極、および誘電体壁加速器チューブ自体を形成するマトリックス上の誘電体絶縁体として使用される。ピンホールが存在しないDLCの破壊電圧は単位ミクロンあたり約10kVである。提案される設計では、0.001インチ厚の厚い多層DLC/黒鉛アーキテクチャは、応力が存在しない製作を支援にし、放電パルスから生成される小さい機械的振動波が吸収されることを可能にするために利用される。

8)単結晶合成ダイヤモンドが各キャパシタ要素の周辺部の周囲のいくつかの場所に搭載された光スイッチ・スラブとして使用される。この単結晶合成ダイヤモンド・スラブはさらに、全体的内部反射器が入力窓を除く全縁部上に存在する状態で、作られる。この特徴は、光スイッチ・スラブ内での均一な光照射を支援し、スイッチを作動させるために要求される入力エネルギーを低下させる。

9)DLCはおもに、例えば2012年8月3日に出願され、参照することにより本願に援用される米国特許出願整理番号第13/566,144号で開示された高速パルスレーザ蒸着(PLD)により適用される。しかし、低速ではあるが上述の膜を作るために使用され得る技術である、単結晶ダイヤモンドまたは非晶質多結晶ダイヤモンド状炭素を作るための他の方法も存在する。

10)各個別のキャパシタ要素は、六方晶チタン酸バリウムなどの省略可能な誘電体が各キャパシタ要素のエネルギー格納を調節するためにPLDを介して制御された厚さで蒸着されるよう、構築される。この層はDLC層の外側上に作られる。この層自体が、キャパシタの電極を構成する膨張が一致したグラフェン、鉄・ニッケルまたはモリブデン合金にDLCをシールするDLC層で、シールされる。

11)各キャパシタ要素の設計のアーキテクチャは、各光スイッチの厚さが、多角形であるキャパシタ・ディスク上の頂点装着パッド上に配置され、それにより、隣接するキャパシタ・ディスクと、それ自体の光スイッチ要素の配置と、が次の隣接するキャパシタ要素の動作と干渉しない、というものである。

12)前述のキャパシタ層は、従来設計のBlumleinの帯状物構成(参照することにより本願に援用される、米国特許第2,465,840号および参考文献A参照)とは異なり、多角形である。このことは、光スイッチがキャパシタ要素の周辺部のまわりに均等に配置されることにより支援される。

13)荷電されるPFNアレイを作動させるタイミング制御回路は、マスター発振器パルス増幅器(MOPA)を介して十分な強度およびエネルギー含量まで増幅される、(参照することにより援用される)米国特許第8,220,965号のIFMを利用する、単一の同期されたqスイッチレーザパルスにより制御され得る。このことは、次に、前記光パルスを逐次的な光ピックオフファイバ発射マニホールド(optical pick off fiber launch manifold)(光パルスの一部を前記光ファイバラインに転送する部分的反射器を含む)に入射することを可能にし、次に、各個別の光ファイバラインの長さが各個別の光スイッチに到着する光パルスのタイミングと順序を正確に制御することを可能にするであろう。

14)後続のタイミング調節は、個々のファイバ発射フォーカスヘッド部を保持する線形アクチュエータに対するコンピュータ・コマンドを介して調節可能である可変距離経路長さまたは可変厚さの高屈折率物質遅延ライン(例えばSF−11ガラスなど)を各ファイバ発射ライン上に有することにより、さらに支援され得る。この特徴は、より大きい原子番号の粒子すなわちより重い原子のタイミングが、コンピュータ・コマンドの制御下にあるコンピュータにより制御される光ファイバ・コリメータ間の空間により、調節可能であるため、同一のDDWA装置が異なる原子種を加速することが可能となることを支援する。この方法によりタイミングの変更が可能となり、その結果、より低速な粒子または原子種を加速されるように適応させるにあたり十分である制御された遅延が作られる。この手段により、同一アーキテクチャ内の異なる同位体種が加速されるよう適応させるために必要となるタイミング遅延が支援されるであろう。

システム設計例:これらの事例はいくつかの設計アーキテクチャに分類される。DDWAからの平均ビーム電流は、設計者の選択による各要素のディスク上の誘電体のサイズと併せて、単結晶合成ダイヤモンド光スイッチの接触表面積のサイズに、したがって冷却表面積に、基づいて、設計者が達成することを希望する選択に関する。

例示的な基部DDWA設計は、DDWA加速器キャパシタ要素の周囲の3箇所に配置された1cm×1.5cmのスイッチ要素を使用し得る。この選択は毎秒数百〜数千パルスの作動速度を可能にする。光スイッチにおいて生成される熱、および、その熱を除去する冷媒の能力が、パワー入力に対する限界因子である。誘電物質の選択と併せて、キャパシタの直径が、したがって表面積が、加速器要素あたりのエネルギー格納を決定するであろう。この選択の組み合わせの結果として、加速電圧が加速器装置すなわちスタックされたキャパシタ要素の長さ(mm)あたり125kVだけ増加する状態で、平均ビーム電流は12mAとなるであろう。これらの要素は、誘電体壁ビームチューブ−装置長さ上で、互いに隣接してスタックされる。0.012アンペアにおいて約45MeVを有する上述のアーキテクチャは、約1/2MWのビーム出力を生成するであろう。この電子ビームが酸化トリウムまたは劣化酸化ウランのセラミックターゲットに誘導されると、電子ビームの約30%が10〜17MeVのガンマ線に変換されるであろう。

ガンマ線放出器設計

図6は、ガンマ線を放出するための供給源として使用される、本願で説明されたDDWAガンマ線放出器装置の概略図を示す。この構成は、粒子入射器31(例えば、図1に関連して説明された、改善された高密度プラズマ核融合装置(DPF)など)と、ダイヤモンド誘電体壁加速器組立体(DDWA)32と、リフレクトロン33と、ガンマ線窓34(例えば、アルミナ・セラミック−サファイア縁部で画成された成長されたチューブ窓または焼成セラミックチューブ)と、ガンマ線放出器コーン35(例えば、基準酸化トリウムなどの高温高原子量物質)と、熱交換器サブマウント36(例えば、反応的に作られたシリコンカーバイド冷却プレナム)と、実用性構造体支持を提供する真空格納円筒38と、を含む。水流路37は、装置を冷却するために冷媒(水、CO₂、空気、またはいくつかの他の冷媒)を循環させるよう提供され得る。

提案されたパワー入力において、生成された放出器廃熱を処理するために、(例示的な)酸化トリウム・コーンの背面は、SCO₂または脱イオン化水によるターゲットの冷却が可能となるよう、中空化されている。このガンマ線放射束は、原子炉チャンバ内で、近傍の放射性同位元素を、トリウムおよび/またはウランから上述の核種へと核分裂させ、完成された原子炉システムから回収された電気エネルギーの約20〜25倍を生成するであろう。

電子ビーム、および/または、選択された場合には、陽子ビームが、真空または略真空中を移動するであろう。粒子の形態で放出ターゲットに対して印加される熱エネルギーにより、実際上の装置では、放出物質が蒸発され、チャンバ内のあらゆるものを被覆する傾向が存在するであろう。酸化トリウムは、係る現象を生じさせる可能性が最も少ない物質ではあるが、スパッタリング効果が、処理されるすべての物質に対して、異なる速度で生じるであろう。

DDWAおよび内部ビームチューブ表面に対して係る現象が発生することを防止するための構成要素は、反発的な負電圧をチャンバ内の任意の反射されたイオンに対して放出ターゲットから印加するリフレクトロン33および/または高電圧リング電極であろう。

リフレクトロンは通常、飛行時間質量分析計で使用される静電気粒子ミラーである。相対論的粒子の場合では、リフレクトロンは一方通行のチェックバルブである。リフレクトロンは、多角形のコーナーまたは頂点の付近に穿孔された取り付け穴を有する、薄い伝導性多角形金属プレート(多くの場合は真鍮製)のスタックから構築される。上述のプレートの直径の大部分(およそ70%)を占めるより大きいアパーチャが、各プレートの中央部分に存在する。これらのプレートは、互いに対して短い距離(通常は5〜6mm)を隔てて、絶縁ネジブッシングを用いて、引き続き取り付けられる。その後、略同じ抵抗値の抵抗器がその近傍の各層に取り付けられる。これは、高い負電圧(電子に対しては負電圧である一方、陽子およびアルファ粒子に対しては正電圧)が一方の端部に印加され、他方の端部が接地されたとき、均一な電圧勾配をその長さに沿って生成するであろう。いくつかの実施形態に対して:

リフレクトロンはDPF−DDWA−リフレクトロン粒子放出器設計の一部としてDDWA出力アパーチャと原子炉チャンバ入口アパーチャとの間に装着される。したがって、リフレクトロンは原子炉チャンバに隣接する。リフレクトロンはアーキテクチャ上の理由のためにアパーチャ・チューブまたは真空チャンバ内に密閉されるが、アームに取り付けられる。

ベースアーキテクチャは、1つのDPF−DDWA−リフレクトロン・アームが真空原子炉チャンバに取り付けられることである。それによって加速された電子ビームがガンマ線放出器ターゲットに向かって誘導される。

放出器ターゲットは、原子炉チャンバの壁部(単数または複数)上のターゲットの周りに向けられた複数のビーム・アームを有し得る。ここでは、十分なエネルギーを有するガンマ線を生成し、原子炉チャンバ内の物質に照射することにより、放射性物質を、低放射性の、究極的には放射性を有さない物質へと変換することを設計者が希望しているものと想定されている。

粒子ビームは、選択されたパラメータの動作電圧により、あらゆる特定的な核種を光核分裂するために十分な強度のガンマ線(例えばMeVレベル)を生成するであろう。次にこのことは、高温において熱から電気的パワーへの変換を生成するオーバーユニティ(over unity)熱を生じさせることを期待させる。したがって放出器ターゲットおよび変換候補物質は、熱交換システム(例えば入力熱交換器)上でコアおよび周囲の放射性物質が動作および変換されるべきパワー比率を決定するであろう。この仮定に対する例外は、設計者またはユーザが最終的な娘生成物として放射性を有さない安定した同位体へと変換することを希望する困難なターゲット核種の最終段階であろう。

したがって、上述の例示的なシステムは、光核分裂により任意の元素およびその同位体を変換するために使用され得るMeVレベルの特定的な調整されたガンマ線とビーム電流とを作るための特定的な調整された粒子ビームのエネルギーレベルを可能にするよう、構築されている。これは、設計者のメニューに基づいて選択の複数の変化例を可能にするアーキテクチャの説明である。実際には、このアーキテクチャはほとんどあらゆるレベルの発電を支持し得る。

原子炉用途 DPF−DDWA−リフレクトロン放出器の概念は、光核分裂原子炉の実用化を可能にし、その結果、市販の冷蔵庫のオーダーのサイズの非常に高密度でコンパクトな発電装置が提供されることとなる。

これは、ノーベル賞受賞者Carlo RubbiaおよびCERNの理事であったJ.A.Rubioにより説明された中性子破砕駆動未臨界原子炉(Neutron spallation driven subcritical reactor)に関する補助的プロセスである。しかし、先行技術の概念は、エネルギー増幅器に関するRubbia博士の論文の27トン負荷に比較される、6トン燃料負荷までのより小さいサイズで機能する。係るサイズの装置は、組立可能な小区分として、標準的な10メートル運送用コンテナサイズのモジュール内にフィットするであろう。目標システム設計は20立方メートルまたは65立方フィート内にフィットするであろう。Rubbiaのエネルギー増幅器におけるビームエネルギーは、十億電子ボルトであり、電流は12.5ミリアンペアであった。対照的に、本開示で説明されるDDWAは、1/7,000のサイズの装置であるパッケージにおいて同一のビームを生成することが可能であり、同様に低い価格で構築が可能である。

陽子から中性子への破砕の概念が、中央未臨界原子力発電システムとしての使用に対して提案されてきた。例示的な設計は、600電気メガワットを生成する(上記で組み込まれたSCO2ランキンサイクルエンジンを利用して750メガワットを生成する)1.5熱ギガワットから、170電気メガワットシステム(これもまたはSCO₂ランキンサイクルエンジンを利用する)を生成する340熱メガワットを生成するであろう。

例示的な加速器複合体は十億電子ボルトすなわち1BeVの陽子ビームを生成し得る。この陽子ビームは真空ビームチューブを通って誘導され、20メートルの液体鉛冷媒を横断する。この陽子ビームは3mmの厚さのドーム型タングステン窓で終了される。これは、中性子破砕と、過剰なエネルギーおよび液体冷媒の流れの減衰と、を可能にするアパーチャを有するトロイド円筒である燃料コア上方で1BeVの陽子が液体鉛を通って30cm移動するよう、構成される。これが行われる間、レベルは、1.5メートル下方にあるコアの底部に向かって、生成された1MeVの中性子から25KeV中性子にまで低下するであろう。1BeVエネルギーレベルでは、陽子は、30cmの鉛において陽子1個につきおよそ30−1MeV中性子を生成するであろう。この概念では、加速器複合体は、それぞれがおよそ70メートルの長さである10個の加速器から構成され得る(各加速器がおよそ、7台搭載型の自動車運搬用列車のサイズである)。

比較すると、同一エネルギーの陽子ビームを生成する上述のDDWAの事例は、長さが約10メートルで直径が30cmである。これは例えば、体積が約1/7,000になったことを表す。キロワット程度の低いパワーレベルで動作することが可能であり、I¹²⁹、Sr⁹⁰、Cs¹³⁷、およびTc⁹⁹などの生理学的に困難である中性子に対して耐性を有する原子炉廃棄物に基づいて動作することが可能である、DDWAによる電子からガンマ線への光核分裂の設計が提供され得る。係る装置は、完全に閉止された核燃料パワーサイクルを利用することが可能であり、その結果、残留する放射性生成物または廃棄物は生じない。レーザ装置などの同位体分離器は、液体ベースの溶媒が保持される可能性も、また、いかなる残留する痕跡の量の放射性種が環境に運ばれる可能性も、まったく存在しない、非水性または乾性のプラズマ・ベースの処理を提供し得る。これは、現在の水性PUREX再処理に、または、溶融塩を利用し、捕捉における99%の改善を示す、提案されるパイロプロセシング比較される。係る用途に対してDDWAから望まれる平均ビーム電流は、単結晶合成ダイヤモンド光スイッチの接触表面積のサイズに基づいて、設計者が達成することを希望する選択に関連する。

例示的な放出器設計では、DDWA加速器キャパシタ要素の周囲の3箇所に配置された1cm×1.5cmのスイッチ要素が使用される。この選択は毎秒数百〜数千パルスの作動速度を可能にする。光スイッチにおいて生成される熱、および、その熱を除去する冷却液の能力が、パワー入力に対する限界因子である。この選択の組み合わせの結果として、加速電圧がキャパシタ要素の1mmに対して125kV増加する状態で、平均ビーム電流は12mAとなるであろう。これらの要素は、誘電体壁ビームチューブ装置長さ上で、互いに隣接してスタックされる。0.012アンペアにおいて約45MeVを有する上述のアーキテクチャは、約1/2MWのビーム出力を生成するであろう。この電子ビームが酸化トリウムまたは劣化酸化ウランのセラミックターゲットに誘導されると、電子ビームの約30%が10〜17MeVのガンマ線に変換されるであろう。

このパワー入力において、生成された放出器廃熱を処理するために、例えば酸化トリウム・コーンの背面は、SCO₂によるターゲットの冷却が可能となるよう、中空化されている。このガンマ線放射束は、原子炉チャンバ内で、近傍の放射性同位元素を、トリウムおよび/またはウランから上述の核種へと核分裂させ、従来手法の約20〜25倍の回収される電気エネルギーを生成するであろう。係るシステムでは、内側壁部は、酸化物、金属ペレットもしくはロッド、またはペブルであれ、最も安定した形態で生成される変換候補物質でライニングされる。原子炉チャンバの内側表面は、内側表面を形成するように、および、燃料がどのような形態に作られたものであったとしても燃料を確保するように成形された、反応されたシリコンカーバイドパネルから作られる。

電子ビーム、および/または、選択された場合には、陽子ビームが、真空または略真空中を(または不活性雰囲気中を)移動するであろう。粒子の形態で放出ターゲットに対して印加される熱エネルギーにより、実際上の装置では、放出物質が蒸発され、チャンバ内のあらゆるものを被覆する傾向が存在するであろう。酸化トリウムは、係る現象を生じさせる可能性が最も少ない物質ではあるが、スパッタリング効果が、処理されるすべての物質に対して、異なる速度で生じるであろう。

DDWAおよび内部ビームチューブ表面に対して係る現象が発生することを回避するために使用され得る構成要素は、上述のように、反発的な負電圧をチャンバ内の任意の反射されたイオンに対して放出ターゲットから印加するリフレクトロンおよび/または高電圧リング電極である。

主要な特徴は、DDWA−リフレクトロン・ビームアームが、コンパクトな変換チャンバの周囲の1箇所または複数箇所で使用されることである。各アームは、設計者により選択された特定的な決定された速度で、これらの放射性物質から変換および電力の生成を行う能力を追加するであろう。

例えば、設計者がI¹²⁹、Sr⁹⁰、Cs¹³⁷、またはTc⁹⁹の変換を希望する場合、毎秒10〜17MeVのガンマ線は崩壊速度を180倍大きくするであろう。このことは、30年の半減期を有するこれらの物質のうちのいくつかが60.8日に減少されることを特に意味するものである。そのため、潜在的な崩壊エネルギーが180倍の速度で放出されることとなり、このシステムでは、この熱エネルギーが発電のために利用され得る。

図7は、単一の放出器ターゲット原子炉チャンバ(さらなる例が以下で説明される)上に装着されたエネルギービームを放出するための供給源として使用されるDDWA放出器と、燃料パネルの近傍にある熱入力交換器と、を有する、原子力発電のためのDDWA放出器装置の配置を示す。この装置は、生成されたガンマ線のターゲットである核燃料ターゲット41と、熱交換器42と、を有する、上述のDPF−DDWA−リフレクトロン放出器組立体30を含む。燃料ターゲットは、熱を生成するために核分裂反応を行う放射性核燃料(本開示の他の箇所で説明された)を含む。

図8は、パワー出力の増大化のために、1対の燃料ターゲット41および熱交換器42と作用するための放出器として、直列に配置された1対のDDWAを使用する、代替的な配置を示す。加えて、冷却流路43を有する冷却装置44が放出器装置を冷却するために使用され得、そのために原子炉はより高いパワーの動作を行うことが可能である。

図9は、DDWA放出器30(または図8で示された一連の放出器)とともに複数の燃料ターゲット41および熱交換器42を含む、原子炉燃料組立体として使用され得る六角形配置を有する、さらに代替的な原子炉システムの端面図を示す。なお、燃料ターゲット41および熱交換器42のそれぞれは、六角形構造の「壁部」として提供されている。この装置は発電における効率をさらに向上させる。

図10は他の代替的な設計を示し、ここでは、単一の燃料ターゲット組立体141および熱交換器142内において六角形配置で提供された複数のDDWA放出器30を含む、組立体50の端面図が示されている。中央支持構造体46が、DDWA30と、所望による追加的な構造体と、を支持するために提供され得る。

図11は、支持構造体56と、熱フローを管理するための入力熱交換器58および出力熱交換器59と、中央陽子加速器(またはDDWAに由来する粒子加速器を含み得る、陽子の他の供給源)から陽子を受容するための中央陽子ビームチューブ60と、原子炉を冷却し、反応を支持するために受容された陽子を中性子に変換するための、液体鉛または鉛−ビスマス冷媒フロー62と、未臨界反応であり得る核分裂を行うためのトリウムなどの燃料を含み得る燃料棒集合体63と、格納容器本体65と、格納容器度ドーム66と、を含む、例示的な中性子破砕焼却炉を示す。

図12は、重水冷媒流路72と、複数のDPF−DDWA−リフレクトロン放出器組立体30と、支持構造体56と、入力熱交換器58と、出力熱交換器59と、中央陽子ビームチューブ60と、所望の放射性燃料を含む燃料棒集合体リング63と、格納容器本体65と、格納容器度ドームと、を含む、ガンマ線光核分裂原子炉75を形成するためにDDWA放出器を利用する、図11の中性子破砕焼却炉の変更例を示す。

図11および図12で示される係る原子炉は、様々な目的(例えば、放射性核燃料の放射を低減させる一方で、同時に発電を行うなどの目的)のために熱を生成するために使用され得る。したがって係る原子炉は、発電を行うと同時に、放射性廃棄物または他の放射性物質を処分する手段としても使用され得る。代替的に、このシステムは、未臨界レベルで動作する放射性物質を使用して発電する手段を提供するために使用され得る。それにより、臨界レベルで動作する通常の設計と比較して、より安全な原子力発電能力が提供される。

図13は、例えば図12の原子炉75を利用し得る、発電用の例示的なシステム200を示す。このシステムは、例えば電力グリッド、工場、または電力の他の消費者にエネルギーを供給するために使用され得る電気を生成するための発電機230を駆動するためのタービン220を駆動するために原子炉201により生成された熱を伝達するためにポンプ、熱交換器、および流体配管(当該技術分野で周知である)を含み得る熱伝達サブシステム210に接続された原子炉201を有する。

システム200は、中性子破砕反応が利用される場合、所望により、核反応において使用されるための核粒子(例えば陽子など)の供給源240に接続され得る。従来の陽子加速器が利用されてもよく、またはDDWA装置が核粒子の供給源として使用されてもよい。本願で説明されるDDWAガンマ線放出器を使用する原子炉201は、原子炉内で発生する核反応の速度を少なくとも部分的に制御するために、ガンマ線の放出を制御するための制御システム250に接続され得る。係る反応は未臨界、臨界、もしくは超臨界、またはこれらの組み合わせ(例えば燃料が減損される曲面など)であり得る。臨界点を越えて動作するいくつかの原子炉設計に対して、粒子供給源240が不必要となる場合もあり、その一方で、図11の原子炉55に関して上述したように核反応が未臨界である場合には、係る供給源が必要となる場合もある。

例えば、本願で開示される原子炉は特に、液体鉛、重水、または二酸化炭素により冷却されるコア設計において、ガンマ線および/または中性子破砕を、単一または二重の供給源として利用することを提供し得る。このコア設計では、U−335において減損された既存の燃料棒集合体設計は、変換される一方で、加圧水型原子炉内で共通に使用される取り出された集合体の中にも存在する。

これらの設計概念は、通常24個(他の個数の燃料棒も利用され得る)の燃料棒集合体を有する通常の垂直設計構成、およびわずか1個の燃料棒集合体を格納容器または好適な物質構成において利用し得る。任意の構成において、真空ビームチューブは、Rubbiaのエネルギー増幅器と同様の中性子破砕反応において説明された場合におけるように、アレイの中央アパーチャにおいて利用および搭載されてもよく、または前記燃料棒集合体の近傍に提供されてもよい。このビームチューブはアレイ束の中央に配置され、高密度の高速または低速な破砕中性子が生成されてアレイ束の長さに沿って供給されるよう、定位置で軸方向に平行移動され得る。これは、通常はアレイの中央にあるビームチューブの端部における鉛からの中性子照射場による均一な照射を可能にする。このシステム設計が重水または二酸化炭素により冷却される場合、破砕ターゲット(通常は鉛であるが、必ずしも鉛に限定されない)はビームチューブの端部にあり、使用時には、その端部に存在する。ペブルベッドまたは他の燃料設計も、所望により利用され得る。

光核分裂原子炉バージョンに関して、上述のガンマ線生成部分はさらに、核分裂反応をトリガおよび制御するために核燃料に対するガンマ線衝突が提供されるようにアレイの外側の周囲に提供された複数のDDWAガンマ線生成器(放出器)からなる。これらの生成器も、燃料棒束集合体の垂直軸に沿って平行移動され得、その結果、放出器のガンマ線出力を制御することにより制御され得る光核分裂機能が提供される。

加圧水型原子炉と同様の設計が、スティール製圧力容器が使用されという点で、利用され得る。一方、係る設計では、潜水艦型システムの窓と同様の窓(すなわちガンマ線放出器の放出器部分が取り付けられるポート)が、容器チャンバ内に搭載される。内部搭載される放出器区域に対するこの下部設計は、長いアスペクト比のコアに成形された超ウラン放出器酸化物セラミックにおいて生成されたガンマ線に対する径方向アパーチャであり得るサファイアまたは水晶チューブ区域を含み得る。いずれの場合にも、これらのチューブは、生成されたガンマ線に対して透過的な装置である。

原子炉において内部DDWA放出器を使用することの特徴は、燃料棒集合体を含む圧力容器の様々な軸方向位置における燃料棒集合体の光核分裂を可能にするよう設計される。一方、例示的な設計では、ガンマ線および中性子反射器物質は、圧力容器壁部の内側表面上にライナーとして組み込まれる。加圧水型原子炉において使用される係る圧力容器の技術分野に精通する設計者は、係るライナーが冷媒から分離されることが好適となり得ることを理解し、係る設計事項を組み込むであろう。

燃料棒集合体がウラン235において減損され得、したがって性質上、未臨界である、という事実により、このシステムの安全性は向上する。これは、中性子およびガンマ線ビームが遮断されると発電が停止されることを意味する。同様の熱スパイクは、ネプツニウム227がピーク出力に到達したときの遮断後に起こり得るが、物質および係るシステムはこれに耐えるよう構築されている。

単一の加速器区域は、ベリリウムの1mm窓またはSiCを貫通し、且つシャフト上で回転されるSiCファンまたはタービンにより推進される高速CO₂ガスキャリアにより循環される約1立方フィートの酸化トリウムからなる循環する粉末コアにおける燃料を貫通および光核分裂させるための十分なエネルギーを有する、ビームを生成するために提供され得る。ガス/粒子の流れは、トロイド状の流れパターンとなり、コアドラムの直径は約70cmとなり(放射面は単位長さ(cm)あたり3800cm²である)、長さは、150cmも有効であり得るが、約1メートルとなるであろう。循環する粉末の平均ターゲット密度は約1グラム/ccとなるであろう。これは、酸化トリウムの密度10.2グラム/ccの約10%となる。凝集を防止するために粉末が乾性である場合、セラミック自体が3,384℃に対して良好である。底部から粒子を持ち上げるために1つのタービンと、渦流を作るために他のタービンと、を使用する二重循環システムを使用することは、優先的に渦流の頂部において最も高い粒子密度をもたらすであろう。

コアは、循環する粉末媒体を用いて動作するEAアーキテクチャに基づき得、ターゲット平均密度は約1g/ccとなるであろう。他の酸化トリウム粒子またはコア(例えばモリブデン製)内の冷却/ピックアップ・コイルと衝突する前に粒子が数インチ移動することを見込んで、粒子がコアを通って移動する際の運動エネルギーをキャプチャするために、コアはコイル・ピックアップ・システムにより包囲され得る。

磁気部分は、最高の効率が〜65%となる状態で、熱回収システムとほぼ同量のエネルギーをキャプチャし得る。この特徴は、外側表面をバックアップとして有すること、およびバッテリーをオーバードライブで駆動して10〜20MWを生成することにより、熱回収部分が内部コイルの取り込み率(例えば約6.6MW/100cm)で動作することを可能にするであろう。これは、所望の用途に対するオンデマンドの発電装置を提供するであろう。

CO₂はドラム内部では大気圧となり、バラストCO₂貯蔵庫に供給するセラミック・フィルタ要素を使用することにより受動的に調節され得る。例えば、PMAモータがDDWAアレイの中央に取り付けられ、それによりDDWAアレイが故障した場合にはDDWAアレイが垂直方向に外へと持ち上げられ得る状態で、6個のDDWAをコアの上部上で六角形パターン状に提供することが、例示的なアプローチである。ビームは、所望によりコアの長さの陽子貫通が得られるよう、絞られ得る。

係るアプローチは、例えば16〜32MWにおいて5年などの長期間にわたる運転を可能にし得、100〜150cmの長さである70cm直径のドラムの外側におけるコイルを冷却することは500℃において熱伝達率を提供し得、したがって約500ワット/cm²ではなく300/cm²は、より控え目な数値である。その熱伝達率において、内側表面は1つの側面あたり9.89MWを処理することが可能であり、したがって正方形配管上の他の3つの表面に対して、追加分の余裕がある。ガス循環が外側コイル表面上に提供されるならば、熱伝達率は2倍となるであろう。

例示的なユニットのコアにおける量は、10.2グラム/ccのThO自体において約380,000ccまたは570,000となるであろうが、しかし1グラム/ccの分散された粉末で動作される。トリウムの充填は、1メートルの長さに対して〜380Kg(1.315ft³のThO)となり、1.5メートルの長さに対しては1.5倍の量(570KgのThO)が容量となる。期待されるバーンレートは5年間では約10%となり、出力率は約88.25x10¹²J/Kgとなるであろう。しかしこのことは、ビーム電流がモリー冷却管(例えば、ドラムの周辺部の近傍における1cmの正方形または円形の管であり、螺旋コイルが8cm直径でファン・スピンドルをカバーしている)の上限まで絞られ得ることも意味する(例えば)。SiC部分は1,000℃以上まで許容可能となるであろう。

放射性除染 上述のDDWA−リフレクトロンガンマ線生成(放出器)装置には、1組のかすめ入射ミラーの焦点に取り付けられた放出変換ターゲットも提供され得る。この設計は、ジンバル式照準可能ミラー支持構造体を用いて装置を可動式プラットフォーム上に取り付けることを可能にする。この概念はミラー焦点においてターゲットを調節することを可能にし、例えば放射性汚染ターゲットを除染するために、コリメーションすなわち実際的な装置において所望のターゲット上に合焦することを可能にする。

この概念は、数百キロワットの誘導可能な強力なガンマ線ビームを提供し得、係るガンマ線ビームは、汚染部位(例えば廃炉された原子炉または廃棄物)または核攻撃またはテロリスト攻撃に起因する、ダーティボムが使用された部位を除染するために、または破壊活動もしくは自然災害(例えば地震および津波により日本の福島で発生したような)により損傷を受けた原子炉の修復のために、用いられ得る。汚染廃棄物部位も係る装置により除染され得る。

図14は係る装置300の1事例を提供する。1つまたは複数の制御可能ビーム放出器310(例えば本願で説明したDDWAベースのガンマ線生成器など)が可動式プラットフォーム320上に配置される。ビーム合焦・誘導装置340(ミラーもしくは他の反射器、レンズ、および/または様々な配向モータもしくはソレノイド、ヒンジ、ギア、その他)が、放出器出力ビームを汚染ターゲット390に誘導するために、提供される。可動式制御・電源330は放出器340を制御し、装置340を管理するために提供されるが、外部電源が利用可能なときは、外部電源も使用され得る。

係る装置は、他の目的のために(例えば、兵器として、またはエネルギーを伝達するためのエネルギー源として)も使用され得る。

200mA以下において約125MeVのビーム装置の例示的なDDWAガンマ線生成器は、システム300において利用され得る一実施形態例として提供され得る。係る装置は放出器ビーム出力を増強するために直列で動作され得る。陽子、重陽子、またはアルファ粒子は、トリウム原子核ならびに破砕中性子の分離のために使用され得る。他種類のビームもプルトニウム、ウラン、ラジウム、アメリシウム、その他などの他の放射性物質を除染するために使用され得る一方で、アルファ粒子の約8MeV±2MeV陽子、16MeV±4MeV重陽子、または約32MeV±8MeVのエネルギー数値がトリウムを核分裂させるためのターゲットエネルギーである。

多数の他の実施形態例が、上述の特徴を様々に組み合わせることにより、提供され得る。上述の実施形態では具体例および代替物が用いられたが、本願の意図する範囲から必ずしも逸脱することなく、本明細書で説明した要素および/またはステップに対して様々な追加的な代替物が用いられ得、均等物が代用され得ることは、当業者に理解されるであろう。本願の意図する範囲から逸脱することなく特定的な状況または特定的な要求に実施形態を適応させるために、改変例が必要となり得る。本明細書で説明した特定的な実装例および実施形態例に本願が限定されることは意図されず、請求項が、請求項により含まれる、逐語的なまたは均等な、開示されたまたは開示されない、全部の新規および非自明な実施形態を含むよう、最も広範な適切な解釈が加えられるべきであることが意図される。