(57)【要約】本発明では、原子力から直接電力を生成するための製品および方法を述べている。より詳細には、本発明では、核分裂および／または放射線のエネルギーである原子力エネルギーを効率的に直接電気的エネルギーに変換する手段として液体半導体を使うことを述べている。原子力エネルギーを電気的エネルギーに直接変換することは、核物質を液体半導体の近傍に置くことによって達成される。核物質から放出される原子力エネルギーは、核分裂片または放射線の形で、液体半導体に入射して電子と正孔の組を作り出す。適切な電気回路を使うことによって、電気負荷が加えられ、電子と正孔の組が生じた結果としての電気的エネルギーが生成される。【選択図】図１
2007522438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の表面を有する第一の基板と、
該第一の基板の前記第一の表面上にある核分裂性物質の層と、
該核分裂性物質の層上にある第一の金属製接触層と、
第一の表面を有する第二の基板と、
該第二の基板の前記第一の表面上にある第二の金属製接触層であって、前記第一の金属製接触層と該第二の金属製接触層が互いに向き合うように前記第一の基板と前記第二の基板が配置されている前記第二の金属製接触層と、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に挿入された液体半導体であって、前記第一の金属製接触層が該液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が該液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する前記液体半導体と、
前記第一の金属製接触層を前記第二の金属製接触層に接続する電気回路と、
を備えることを特徴とする原子力電池。
【請求項２】
前記電気回路に電気負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項３】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項４】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項５】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項６】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項７】
前記第一の基板と第二の基板は互いに軸方向に対向しており、マンドレルのまわりに巻きついていることを特徴とする請求項１に記載の原子力電池。
【請求項８】
第一の表面を有する第一の基板と、
該第一の基板の前記第一の表面上にある放射性同位体の層と、
該放射性同位体の層上にある第一の金属製接触層と、
第一の表面を有する第二の基板と、
該第二の基板の前記第一の表面上にある第二の金属製接触層であって、前記第一の金属製接触層と該第二の金属製接触層が互いに向き合うように前記第一の基板および前記第二の基板が配置されている前記第二の金属製接触層と、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に挿入された液体半導体であって、前記第一の金属製接触層が該液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が該液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する前記液体半導体と、
前記第一の金属製接触層を前記第二の金属製接触層に接続する電気回路と、
を備えることを特徴とする原子力電池。
【請求項９】
前記電気回路に電気負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１０】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１１】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１２】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１３】
前記放射性同位体が、α粒子、β粒子、またはγ線の少なくとも一つを放出するものであることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１４】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１５】
前記第一の基板と第二の基板は互いに軸方向に対向しており、マンドレルのまわりに巻きついていることを特徴とする請求項８に記載の原子力電池。
【請求項１６】
第一の金属製接触層および該第一の金属製接触層に向き合うよう配置され該第一の金属製接触層との間に液体半導体が挿入されている第二の金属製接触層であって、前記液体半導体が核分裂性物質の溶液を含み、前記第一の金属製接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する、前記第一の金属製接触層および前記第二の金属製接触層と、
前記第一の金属製接触層を前記第二の金属製接触層に接続する電気回路と、
を備えることを特徴とする原子力電池。
【請求項１７】
前記電気回路に電気負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項１８】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項１９】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項２０】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項２１】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項２２】
前記第一の基板と第二の基板は互いに軸方向に対向しており、マンドレルのまわりに巻きついていることを特徴とする請求項１６に記載の原子力電池。
【請求項２３】
第一の金属製接触層および該第一の金属製接触層に向き合うよう配置され該第一の金属製接触層との間に液体半導体が挿入されている第二の金属製接触層であって、前記液体半導体が放射性同位体の溶液を含み、前記第一の金属製接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する、前記第一の金属製接触層および前記第二の金属製接触層と、
前記第一の金属製層を前記第二の金属製層に接続する電気回路と、
を備えることを特徴とする原子力電池。
【請求項２４】
前記電気回路に電気負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項２５】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項２６】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項２７】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項２８】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項２９】
前記第一の基板と第二の基板は互いに軸方向に対向しており、マンドレルのまわりに巻きついていることを特徴とする請求項２３に記載の原子力電池。
【請求項３０】
積み重ねの配置になっている複数の原子力電池を含む原子力発電配列であって、該積み重ねは少なくとも、
第一の表面を有する基板を含む第一の層であって、該第一の表面上に核分裂性物質の被覆があり、さらに該核分裂性物質の被覆上に第一の金属製接触の被覆がある前記第一の層と、
液体半導体を含む第二の層であって、該第二の層は前記第一の層と隣り合って接しており、前記第一の金属製接触が該第二の層の前記液体半導体とともにショットキー接触を形成している前記第二の層と、
二つの平面状の表面上に第二の金属製接触と第三の金属製接触を有する基板を含む第三の層であって、該第三の層の前記第二の金属製接触は前記第二の層と隣り合って接しており、さらに前記第二の金属製接触が前記第二の層の前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成している前記第三の層と、
液体半導体を含む第四の層であって、該第四の層は前記第三の層の前記第三の金属製接触と隣り合って接しており、該第四の層の液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成している前記第四の層と、
第一の表面が核分裂性物質で被覆されている第三の基板を含む第五の層であって、該核分裂性物質の被覆は第四の金属製接触で被覆されており、さらに該第五の層の前記第四の金属製接触は前記第四の層と隣り合って接しており、前記第四の層の前記液体半導体とともにショットキー接触を形成する前記第五の層と、
を含むことを特徴とする原子力発電配列。
【請求項３１】
前記金属製接触の各々は電気回路によって接続されていることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３２】
前記電気回路に負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３３】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３４】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３５】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３６】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項３０に記載の原子力発電配列。
【請求項３７】
積み重ねの配置になっている複数の原子力電池を含む原子力バッテリーであって、該積み重ねは少なくとも、
第一の表面を有する基板を含む第一の層であって、該第一の表面上に放射性同位体の被覆があり、さらに該放射性同位体の被覆上に第一の金属製接触の被覆がある前記第一の層と、
液体半導体を含む第二の層であって、該第二の層は前記第一の層と隣り合って接しており、前記第一の金属製接触が該第二の層の前記液体半導体とともにショットキー接触を形成している前記第二の層と、
二つの平面状の表面上に第二の金属製接触と第三の金属製接触を有する基板を含む第三の層であって、該第三の層の前記第二の金属製接触は前記第二の層と隣り合って接しており、さらに前記第二の金属製接触が前記第二の層の前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成している前記第三の層と、
液体半導体を含む第四の層であって、該第四の層は前記第三の層の前記第三の金属製接触と隣り合って接しており、該第四の層の液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成している前記第四の層と、
第一の表面が放射性同位体の層で被覆されている第三の基板を含む第五の層であって、該放射性同位体の被覆は第四の金属製接触で被覆されており、さらに該第五の層の前記第四の金属製接触は前記第四の層と隣り合って接しており、前記第四の層の前記液体半導体とともにショットキー接触を形成する前記第五の層と、
を含むことを特徴とする原子力バッテリー。
【請求項３８】
前記金属製接触の各々は電気回路によって接続されていることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項３９】
前記電気回路に電気負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項４０】
前記液体半導体がｐ型半導体であることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項４１】
前記液体半導体がｎ型半導体であることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項４２】
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に複数の非導電スペーサが置かれ、前記液体半導体が該複数の非導電スペーサの間に散在していることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項４３】
前記液体半導体が前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間を流れることを特徴とする請求項３７に記載の原子力バッテリー。
【請求項４４】
積み重ねの配置になっている複数の原子力電池を含む原子力バッテリーであって、該積み重ねは少なくとも、
表面に第一の金属製接触層を有する第一の基板と、
表面に第二の金属製接触層を有する第二の基板と、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に流路があって該第一の金属製接触層と該第二の金属製接触層が互いに向き合うように前記第一の基板と前記第二の基板が配置されており、前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路は第一の端と第二の端を有していることと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路に挿入された液体半導体であって、前記第一の金属製接触層が該液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が該液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する前記液体半導体と、
前記液体半導体が放射性同位体の溶液を含むことと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路の前記第一の端を、前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路の前記第二の端に接続する閉ループと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路を通し、かつ前記閉ループを通して前記液体半導体を押し流すための、前記閉ループに接続されたポンプと、
を含むことを特徴とする原子力バッテリー。
【請求項４５】
前記閉ループに接続された冷却器をさらに含み、前記液体半導体は該冷却器を通って流れて該冷却器により冷却されることを特徴とする請求項４４に記載の原子力バッテリー。
【請求項４６】
積み重ねの配置になっている複数の原子力電池を含む原子力発電炉炉心であって、該積み重ねは少なくとも、
表面に第一の金属製接触層を有する第一の基板と、
表面に第二の金属製接触層を有する第二の基板と、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間に流路があって該第一の金属製接触層と該第二の金属製接触層が互いに向き合うように前記第一の基板と前記第二の基板が配置されており、前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路は第一の端と第二の端を有していることと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路に挿入された液体半導体であって、前記第一の金属製接触層が該液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が該液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成する前記液体半導体と、
前記液体半導体が核分裂性物質の溶液を含むことと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路の前記第一の端を、前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路の前記第二の端に接続する閉ループと、
前記第一の金属製接触層と前記第二の金属製接触層の間の前記流路を通し、かつ前記閉ループを通して前記液体半導体を押し流すための、前記閉ループに接続されたポンプと、
を含むことを特徴とする原子力発電炉炉心。
【請求項４７】
前記閉ループに接続された冷却器をさらに含み、前記液体半導体は該冷却器を通って流れて該冷却器により冷却されることを特徴とする請求項４６に記載の原子力発電炉炉心。
【請求項４８】
前記閉ループに接続された洗浄装置をさらに含み、該洗浄装置を通って前記液体半導体が流れ、望まれぬ核分裂片および中性子放射化生成物の一部が前記液体半導体から該洗浄装置によって除去されることを特徴とする請求項４６に記載の原子力発電炉炉心。
【請求項４９】
複数の原子力電池を含む原子力電池配列であって、
穴の空いた金属薄板導体が前記複数の原子力電池の各々の間に置かれて、前記複数の原子力電池が互いの上に積み重ねられていることを特徴とする原子力電池配列。
【請求項５０】
前記穴の空いた金属薄板導体の各々が電気回路によって接続されていることを特徴とする請求項４９に記載の原子力電池配列。
【請求項５１】
前記電気回路に負荷が加えられたときに電力が生成されることを特徴とする請求項５０に記載の原子力電池配列。
【請求項５２】
前記複数の原子力電池の各々が少なくとも、核分裂性物質の層を表面に有する第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを含み、前記第一の金属接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５１に記載の原子力電池配列。
【請求項５３】
前記複数の原子力電池の各々が少なくとも、放射性同位体の層を表面に有する第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを含み、前記第一の金属接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５１に記載の原子力電池配列。
【請求項５４】
前記複数の原子力電池の各々が少なくとも、第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを含み、前記液体半導体が核分裂性物質の溶液を含み、前記第一の金属接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５１に記載の原子力電池配列。
【請求項５５】
前記複数の原子力電池の各々が少なくとも、第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを含み、前記液体半導体が放射性同位体の溶液を含み、前記第一の金属接触層が前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５１に記載の原子力電池配列。
【請求項５６】
原子力電池発電炉炉心であって、該炉心は少なくとも、
自立した核反応を達成するために内部に高濃度の核分裂性物質を有する原子力電池配列と、
該原子力電池配列に接続されており、該原子力電池配列内の液体半導体が中を通って流れる第一の閉ループと、
前記原子力電池配列に接続されており、冷却材が中を通って流れる第二の閉ループと、
前記第一の閉ループに接続された第一の熱交換器と、前記第二の閉ループに接続された第二の熱交換器とを備え、
前記液体半導体および前記冷却材は、前記第一および第二の熱交換器を通って流れるときに熱が除去されることを特徴とする原子力電池発電炉炉心。
【請求項５７】
前記第一の閉ループに動力補給口が接続されており、前記液体半導体が該動力補給口を通って流れる際に核分裂性物質が前記液体半導体に加えられることを特徴とする請求項５６に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項５８】
前記第一の閉ループに接続された洗浄装置をさらに含み、該洗浄装置を通って前記液体半導体が流れ、核分裂片および中性子放射化生成物の一部が前記液体半導体から該洗浄装置によって除去されることを特徴とする請求項５７に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項５９】
原子力電池発電炉炉心であって、該炉心は少なくとも、
原子力電池配列と、
炉心入口にあるコールドレグ同士の間にある第一の揺動弁と、炉心出口にあるホットレグ同士の間にある第二の揺動弁とによって二つの部分に分けられ、内部に液体半導体が流れている冷却ループと、
不活性気体を圧縮して第一の冷却器から前記液体半導体を押し出しつつ、第二の冷却器内の不活性気体の圧力を下げて、前記原子力電池発電炉炉心を通ることにより暖められた前記液体半導体で前記第二の冷却器が満ちるようにする往復空気ピストンであって、前記液体半導体が前記第一の冷却器および前記第二の冷却器を通って流れる際に前記液体半導体から熱が除去される前記往復空気ピストンとを備え、
前記第一と第二の揺動弁、前記往復空気ピストン、および前記第一と第二の冷却器の組み合わせによって、前記原子力電池発電炉炉心の連続的で静かな冷却、および前記ホットレグから出る前記液体半導体からの熱の除去を行うことを特徴とする原子力電池発電炉炉心。
【請求項６０】
前記第一または第二の冷却器のうちの一つに動力補給口が接続されており、前記液体半導体が該動力補給口を通って流れる際に、前記液体半導体に核分裂性物質が加えられることを特徴とする請求項５９に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項６１】
前記第一または第二の冷却器のうちの一つに接続された洗浄装置をさらに備え、該洗浄装置を通って前記液体半導体が流れ、望まれぬ核分裂片および中性子放射化生成物の一部が前記洗浄装置によって前記液体半導体から除去されることを特徴とする請求項５９に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項６２】
前記原子力電池配列は複数の原子力電池を備え、該複数の原子力電池の各々は少なくとも、表面に核分裂性物質の層を有する第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを備え、前記第一の金属製接触層は前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層は前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５９に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項６３】
前記原子力電池配列は複数の原子力電池を備え、該複数の原子力電池の各々は少なくとも、表面に放射性同位体の層を有する第一の金属製接触層と、間に液体半導体が挿入された状態で前記第一の金属製接触層に向かい合うよう配置されている第二の金属製接触層とを備え、前記第一の金属製接触層は前記液体半導体とともにショットキー接触を形成し、前記第二の金属製接触層は前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を形成することを特徴とする請求項５９に記載の原子力電池発電炉炉心。
【請求項６４】
原子力エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する方法であって、
二つの金属製接触の間に液体半導体を配置して、前記第一の金属製接触が前記液体半導体とともに低抵抗またはオーミック接触を作るようにするとともに前記第二の金属製接触が前記液体半導体とともにショットキー接触を作るようにするステップと、
前記液体半導体の近くに核物質を配置するステップと、
前記第一の金属製接触と前記第二の金属製接触との間に電気回路を作るステップと、
を含む方法。
【請求項６５】
核分裂エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する方法であって、
基板上に核分裂性物質の層を置くステップと、
該核分裂性物質の層上に金属製接触層を置くステップと、
第二の基板上に第二の金属接触層を置くステップと、
前記第一および第二の基板の間に液体半導体を配置して、該液体半導体が前記第一の金属製接触層および前記第二の金属製接触層と接するようにするステップと、
前記第一の金属製接触と前記液体半導体との間にショットキー接触を作るステップと、
前記第二の金属製接触と前記液体半導体との間にオーミック接触または低抵抗接触を作るステップと、
前記ショットキー接触と前記オーミック接触との間に電気回路を作るステップと、
前記電気回路から電気的エネルギーを取り出すステップであって、前記液体半導体内に複数の電子と正孔の組を作らせる前記核分裂性物質による原子力エネルギーの解放の結果として前記電気的エネルギーが生成され、前記ショットキー接触と前記低抵抗またはオーミック接触との間に電流が流れる結果として前記電気的エネルギーが生成されるステップと、
を含む方法。
【請求項６６】
前記原子力電池を冷却材と接触させ、該冷却材を閉鎖系の中で循環させて前記原子力電池から熱を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記原子力電池を閉鎖系の中に配置し、前記液体半導体が前記原子力電池を通って前記閉鎖系を巡るようポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記閉鎖系内に冷却器を配置することによって前記液体半導体から熱を除去し、前記液体半導体が前記冷却器を通るようにポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
前記閉鎖系内に洗浄装置を配置することにより、望まれぬ核分裂片および望まれぬ中性子放射化生成物を前記液体半導体から除去し、前記液体半導体が前記洗浄装置を通るようにポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
核分裂エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する方法であって、
液体半導体に核分裂性物質を溶解させるステップと、
該核分裂性物質を含む前記液体半導体を、第一および第二の金属製接触で挟むステップと、
前記第一の金属製接触と前記液体半導体との間にショットキー接触を作るステップと、
前記第二の金属製接触と前記液体半導体との間に低抵抗またはオーミック接触を作るステップと、
前記ショットキー接触と前記オーミック接触との間に電気回路を作るステップと、
前記電気回路から電気的エネルギーを取り出すステップであって、前記液体半導体内に複数の電子と正孔の組を作らせる前記核分裂性物質による原子力エネルギーの解放の結果として前記電気的エネルギーが生成され、前記ショットキー接触と前記低抵抗またはオーミック接触との間に電流が流れる結果として前記電気的エネルギーが生成されるステップと、
を含む方法。
【請求項７１】
前記原子力電池を冷却材に接触させ、該冷却材を閉鎖系の中で循環させて前記原子力電池から熱を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記原子力電池を閉鎖系の中に配置し、前記液体半導体が前記原子力電池を通って前記閉鎖系を巡るようポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項７０に記載の方法。
【請求項７３】
前記閉鎖系内に冷却器を配置することによって前記液体半導体から熱を除去し、前記液体半導体が前記冷却器を通るようにポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記閉鎖系内に洗浄装置を配置することにより、望まれぬ核分裂片および望まれぬ中性子放射化生成物を前記液体半導体から除去し、前記液体半導体が前記洗浄装置を通るようにポンプで押すステップをさらに有することを特徴とする請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
前記液体半導体に核分裂性物質を加えて、核分裂事象により使い尽くした核分裂性物質を置き換えるステップをさらに有することを特徴とする請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
核分裂エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する方法であって、
複数の原子力電池を互いの近傍に配置するステップと、
該複数の原子力電池の電気的出力が合成されるように該複数の原子力電池を接続するステップと、
を含む方法。
【請求項７７】
核分裂エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する方法であって、
複数の原子力電池の各々の電気的出力が合成されるように該複数の原子力電池を接続するステップと、
該複数の原子力電池のまわりを生体遮蔽で囲むステップと、
該生体遮蔽のまわりを筐体で囲むステップと、
前記生体遮蔽と前記筐体との間に冷却材を配置するステップと、
を含む方法。
【請求項７８】
前記冷却材をポンプで押して冷却器を通すことによって、前記複数の原子力電池から熱を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項７７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に、原子力から直接電力を生成する方法および装置に関し、より詳細には、核分裂および／または放射線のエネルギーである原子力エネルギーを、直接電力に効率よく変換する手段として液体半導体を利用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
核反応から電力を生成する可能性が認識されてからずっと、科学者たちは原子力を役立て実用に供する最善の方法を開発しようと努めてきた。そのような研究の主要な目的は、保守なしで継続的に原子力電源から電力を生成することができる、最も効率の良い変換方法や変換器を作ることであり、日常の電力源として利用可能な、より小さくてより管理しやすい変換器を作ることであった。役立てるために科学者たちが探し続けてきた原子力エネルギーの源には、核分裂（原子の分裂）、放射線（α、β、γ線の放射により放射されるもの）、および核融合（原子の融合）を含む。本発明は、核分裂および／または放射線により作られたエネルギーから電力を生成するように設計されている。本文書では、以下の語は一般に認められている意味に加えて、以下に示す意味を含むものとする。
【０００３】
（ａ）「核物質」という語は、核分裂性物質および、核分裂性ではないがα、β、γ線のいずれかを放射する放射性同位体を指す。
（ｂ）「核分裂性物質」という語は、ウラン、プルトニウム、トリウム、ネプツニウム、およびプルトニウムとウランの混合物を指す。
（ｃ）ウランとは以下の区分を指す：劣化ウラン（Ｕ２３５の濃度が０．７％未満）、天然ウラン（Ｕ２３５の濃度がほぼ０．７％に等しい）、低濃縮ウラン（Ｕ２３５またはＵ２３３の濃度が２０％未満）、高濃縮ウラン（Ｕ２３５またはＵ２３３が２０％を超える）。
（ｄ）プルトニウムとは、Ｐｕ２４０の濃度が名目上１０％から１５％の原子炉級プルトニウムを指す。
【０００４】
原子力エネルギーを使って電力を生成する最も良く知られた方法は、熱交換プロセスによるものであり、米国の電気網用に原子力発電所で電気を生成するのに使われている方法である。原子力発電所では、分裂すなわちウラン２３５原子の分裂が起こる炉心に、ウラン２３５の棒が配置されている。ウラン２３５原子が分裂すると、大量のエネルギーが放出される。原子力発電所内では、ウランの棒は周期的配列で並べられ、圧力容器内の水に沈められている。ウラン２３５原子の分裂によって放出される大量のエネルギーが水を熱して水蒸気に変える。水蒸気は蒸気タービンを駆動するのに使われ、蒸気タービンは発電機を回転させて電力を作り出す。二次ループ内で水を蒸気に変えるための二次的な中間の熱交換器を原子炉からの過熱水が通り、蒸気によりタービンを駆動する原子炉もある。エネルギー源がウラン２３５であるという事実を別とすれば、原子力発電所は、化石燃料を燃やす発電所で見られるのと同じ電力変換方法を使っている。
【０００５】
一般的に原子力発電所は、３０〜４０％のエネルギー変換率である。それら発電所では原子力エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに複数のステップがあることを考慮すれば、この効率は非常に良いものである。つまり、原子力発電所は大規模な発電用の良い供給源である。しかし、原子力から発電するのに熱伝達技術を利用する装置は、一般的に、小規模の電力変換に使うには、大きくて非効率的である。
【０００６】
核物質から電力を生成するための効果的な熱伝達システムに必要な装置の大きさを小さくするという方向で、研究がなされてきた。いくつかの成功があり、１９５０年代からは、多数の軍事用の潜水艦や水上艦に小さな原子力発電装置が電力を供給してきた。しかし、付随する危険性が理由で、熱伝達システムは他の小規模のエネルギー源としては使われてこなかったし、米国の宇宙船では全く使われていない。原子力潜水艦に電力を供給するための原子力エネルギーの利用は、核物質が電力源として持っている利点を浮き彫りにしている。例えば、原子力潜水艦は燃料補給なしで４００，０００マイルを進むことができる。
【０００７】
長期間にわたってエネルギーを供給する供給源として核物質には見込みがあるので、熱伝達システムに内在する危険性のない、核物質を利用した小さくて自己完結式の電源を開発するために多くの研究がなされてきた。この研究は、原子力を電気的エネルギーに変換するいくつかの手法の開発をもたらした。
【０００８】
理論的には、原子力エネルギーを電気的エネルギーに変換する最善の方法は、原子力エネルギーが電気的エネルギーに直接変換される直接的方法であるはずだ。上述の原子力発電所は、原子力エネルギーが移動して熱エネルギーとなり、熱エネルギーが水を、タービンを駆動して電気的エネルギーを生成するのに使われる水蒸気に変える、という非直接的な２段階式処理を含む。直接的な変換方法は、各変換過程における内在的なエネルギー損失を避けられるだろうから、潜在的には最も効率のよい変換方法である。以下は、現在までに提案されてきた直接的な変換技術の例である。
【０００９】
固体半導体を使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
この処理では、放射性崩壊生成物を半導体物質に照射し、多くの電子と正孔の組を物質内に作り出すことによって、放射性同位体からの放射線エネルギーが直接電気的エネルギーに変換される。これを成し遂げるために、放射性同位体のような核物質が固体半導体の近くに置かれる。崩壊するにつれて放射性同位体は放射線を発する。放射性同位体は固体半導体の近くにあるので、この放射線のうちのいくらかは固体半導体に入射し、電子と正孔の組を発生させる。一般的に固体半導体は、空乏領域と呼ばれる領域内に内蔵電界を含むｐｎ接合を含むように構成されている。この電界は空乏領域で発生した電子と正孔を逆方向に動かす力を加える。これが電子をｐ型中性領域へとドリフトさせ、正孔をｎ型中性領域へとドリフトさせる。結果として、放射線が固体半導体に入射すると、電流が生まれる。空乏領域から拡散距離の二、三倍以内で発生した電子と正孔の組からも、拡散とドリフトを含む仕組みにより、電流を作ることができる。ｎ型またはｐ型の半導体上に形成されるショットキー障壁接合も、ｐｎ接合のかわりに利用することができる。その場合、ｐｎ接合におけるｐ型（ｎ型）中性領域と同様に、ｎ型（ｐ型）半導体上の金属がドリフトする正孔を捕集すると、類似のプロセスが起こる。
【００１０】
固体半導体システムの潜在的な変換効率は高い。しかし、原子力を変換するのに固体半導体を使う方法は、長期間大きな出力を行うのに使うことができない。なぜなら、固体半導体に入射する高エネルギーの放射線は、半導体格子の損傷も引き起こすからである。さらに、もしエネルギー源が核分裂性物質の場合は、固体半導体に入射する核分裂片のいくらかが固体半導体内に残ってしまう。もとからの不純物点欠陥（native and impurity point defect）および拡張欠陥を含む微量の欠陥を導入することによって、半導体デバイスの性能は著しく低減するだろう。時間とともに固体半導体は劣化し、電力変換にはもはや使えなくなるまでに、効率が落ちる。つまり、原子力エネルギーを電気的エネルギーに変換する直接的な変換器として固体半導体を使うシステムは、潜在的には非常に効率が良いが、高出力で長期間の用途に対しては非実用的であることがしばしばである。
【００１１】
コンプトン散乱を使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
コンプトン散乱は、高エネルギーγ線が物質と相互作用するときに起こり、その物質から電子を出させる。γ線源を絶縁材で囲って、原子力エネルギーを電気的エネルギーに直接的に変換する方法が提案されてきた。コンプトン散乱の結果として、γ線は絶縁材と相互作用し、電子を作らせる。これらの電子が捕集されて電流が作られる。必要な効率および信頼性を保ちつつ、現実の用途に広範囲に使われるために有効なほど十分に低い価格で、この方法が十分に大量の電気を発生することができる、とは今日までの実験では示すことができていない。
【００１２】
誘導過程を使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
原子力エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに誘導を使うには、磁界によって閉ざされた空間内に閉じ込められた荷電粒子の塊の密度を調節することによって電力を供給する装置が必要である。内側表面が銀などの金属で被覆された閉じ込め用の中空の球の中心に放射性物質が置かれる。その球は永久磁石の極と極の間の中心に位置している。放射性物質は、崩壊するにつれて、次々に荷電粒子の塊を動かす放射線を放出する。荷電粒子の動きによって、荷電粒子の塊の濃度のばらつき、およびその塊により作られる磁界のばらつきが生じる。この磁界のばらつきは導線中に電流を誘導する。この場合も、システムの変換効率は非常に低く、供給される電力量はほとんどの用途に対してあまりに小さい。
【００１３】
熱電システムを使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
熱電変換システムは、ゼーベック効果による熱エネルギーから電気への直接的な変換に依存する。ゼーベック効果は、二つの隣り合った異なる物質を含む系において温度勾配が生じると、電圧を生じさせることができるという現象を述べたものである。よって、もし放射性物質がその系の近くに置かれれば、放射性物質から出される放射線が、温度勾配を引き起こす物質を熱し、ゼーベック効果の結果として、電位差を生じさせることができる。その系から電力を取り出すことができるようにするために、負荷が系内に挿入されてもよい。熱電変換器は、深宇宙探査機用の放射性同意体熱電発電装置で使われており、１キロワットまでの電力を供給することもできる。しかし、一般的に使われる物質での熱電変換の効率は、たった１５〜２０％であり、現実的には変換効率が非常に低い。
【００１４】
熱電子システムを使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
熱電子システムは、ある種の物質が熱せられると電子を放出するという物理的原理を利用したものである。熱電子システムでは、アノード表面で捕集されて外部負荷に電力を伝達する電子を放出するエミッタカソードを熱するエネルギー源として、核物質、放射性同位体、または核分裂性物質を使う。熱電子システムの変換効率はエミッタ温度につれて増加し、理論的な効率は９００Ｋにおける５％から１，７５０Ｋにおける１８％超までの範囲に及ぶ。熱電子変換システムの欠点は、低い効率、高い運用温度、および強い放射線環境である。
【００１５】
蛍光物質を使った、電気的エネルギーへの原子力エネルギーの変換
このシステムでは、放射性物質と蛍光物質の混合物が、光電池の組の間に置かれる。放射性物質は、蛍光物質の原子を励起して光子を放出させる放射線を発する。光電池はこの放射線を使って電気を発生させる。一般的に、このシステムは非常に複雑な構造が必要だが、それにもかかわらず、約０．０１％未満の低い変換効率しかない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のように、１９５０年代に原子力が発展しうるエネルギー源として認識されて以来、原子力を電力に変換するためのよりよい方法を探る多くの研究がなされてきた。しかし、効率的かつ実用的な直接的変換方法は開発されなかった。上記のことに鑑みて、本発明の目的は、放射性崩壊エネルギーまたは核分裂エネルギーのいずれかである原子力エネルギーを、電気的エネルギーに効率よく直接的に変換するための方法および装置を供給することによって、従来技術を改良することである。より詳細には、本発明の目的は、頻繁に燃料補給を行う必要なしに長期間にわたり大量の電力を作り出すことができ、ほとんどまたは全く保守を必要としない、原子力を電力に変換する自己完結式の方法および装置を供給することである。本発明の他の目的は、原子力を電力に変換する方法に長い間感じられていた要求に応える方法と装置を供給することである。つまり、大きさが小さく、信頼性があり、潜水艦や水上艦で使うための、また、例えば軍装備品、衛星、宇宙船を含むあらゆる範囲の製品に電力を供給する電源として使うための大量の電気的エネルギーを作り出すことができる、という要求に応える方法と装置を供給することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の各実施形態は、放射線源（ウラン２３５もしくはプルトニウムのような核分裂性物質、または放射性同位体）とともに液体半導体を使用することに関連している。液体半導体を使用することで、放射線損傷の影響が最小化される。なぜなら、液体半導体は速やかに自己回復し、核分裂事象により残った核分裂片の浄化または「洗浄」が可能だからである。本発明は異なる実施形態を含むが、それらのうちのいくつかを以下に述べる。
【００１８】
核分裂性物質を利用する実施形態は以下のとおりである。
実施形態１：固体層に加えられた核分裂性物質を含む原子力電池、および該原子力電池の、互いに軸方向に対向しマンドレルに巻きついている層。
【００１９】
実施形態２：固体層に加えられた核分裂性物質を含む原子力電池、および該原子力電池の、互いに軸方向に対向し互いの上に積み重なっている層。
実施形態３：液体半導体に溶解している核分裂性物質を含む原子力電池、および該原子力電池の、軸方向に対向しマンドレルに巻きついている層。
【００２０】
実施形態４：液体半導体に溶解している核分裂性物質を含む原子力電池、および該原子力電池の、互いに軸方向に対向し互いの上に積み重なっている層。
実施形態５：実施形態１、２、３、または４による原子力電池の配列。
【００２１】
実施形態６：静かで連続的な廃熱の除去のために、二つの部分に一つの閉ループを有する原子力発電炉炉心。一つの液体半導体は、エネルギー変換と冷却の双方のために利用される。一つの部分にある冷却器は、液体半導体から望まれぬ核分裂片を洗い落とすのにも使われ、反対側の冷却器は、（もし必要なら）燃え尽きた核分裂性物質を取り換えるのに使ってもよい。
【００２２】
実施形態７：核分裂片の洗浄用の一つのループと冷却用の一つのループという別個のループを有する原子力発電炉炉心。液体半導体がエネルギー変換に使われ、他の物質（不活性気体、水など）が冷却に使われる。
【００２３】
放射性同位体を利用する実施形態は以下のとおりである。
実施形態８：液体半導体に溶解している放射性同位体を含む原子力電池、および該原子力電池の、互いに軸方向に対向しマンドレルに巻きついている層。
【００２４】
実施形態９：液体半導体に溶解している放射性同位体を含む原子力電池、および該原子力電池の、互いに軸方向に対向し互いの上に積み重なっている層。
実施形態１０：実施形態８または９による原子力電池の配列。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、長期間の間、大量の電気的エネルギーを供給するための小型の電池が提供される。その電池は、放射線または核分裂エネルギーのいずれかである原子力エネルギーを供給するための核物質を含む。
【００２６】
実施形態１において、核物質の固体層が液体半導体の近くに置かれる。核分裂片の形の原子力エネルギーが液体半導体に入射し、電子と正孔の組を作り出す。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキーダイオードを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。その構造は、ショットキー接触と、低抵抗またはオーミック接触との双方を含む。このショットキーダイオードの配置の結果として、放射線またはエネルギー粒子との相互作用によって発生した電子と正孔の組を金属接触へ移動させる電位差が、液体半導体の全体にわたって生じる。本発明の接触上に電気負荷を加えることにより、電力が生成される。好ましい実施形態では、核物質と液体半導体を備えた原子力電池は、マンドレルのまわりに物質の層を螺旋状に巻きつけることによって構成される。
【００２７】
実施形態２において、核物質の固体層が液体半導体の近くに置かれる。実施形態１と同様に、核分裂片の形の原子力エネルギーが液体半導体に入射し、電子と正孔の組を作り出す。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキー接触と低抵抗またはオーミック接触とを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。このショットキーダイオードの配置の結果として、電子と正孔の組を別の方向にドリフトさせる内蔵電界が、液体半導体内の空乏領域に生じる。物質を放射線に曝露し、本発明の接触上に電気負荷を加えることにより、電力が生成される。実施形態２の好ましい実施形態では、原子力電池は物質の層の積み重ねにより構成される。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態では、上記の実施形態３で述べたように、核分裂エネルギーを供給する核物質が液体半導体に溶解している。また、電子と正孔の組を作り出す液体半導体の内部に、核分裂片の形の原子力エネルギーが解放される。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキーダイオードと低抵抗またはオーミック接触とを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。空乏幅またはその拡散距離の二、三倍以内に生じた電子と正孔を逆の方向に動かす内蔵電界が、液体半導体の空乏領域内に作られる。これによって電流が生じる。本発明の接触上に電気負荷を加えることにより、電力が生成される。好ましい実施形態では、マンドレルのまわりに物質の層を螺旋状に巻きつけることによって原子力電池が構成される。
【００２９】
実施形態４において、核分裂エネルギーを供給する核物質が液体半導体に溶解している。エネルギーがある核分裂片の形の原子力エネルギーが液体半導体と相互作用し、電子と正孔の組を作り出す。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキーダイオードと低抵抗またはオーミック接触とを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。空乏幅またはその拡散距離の二、三倍以内に生じた電子と正孔を逆の方向に動かす内蔵電界が、液体半導体の空乏領域内に作られる。これによって電流が生じる。本発明の接触上に電気負荷を加えることにより、電力が生成される。好ましい実施形態では、原子力電池は物質の層の積み重ねにより構成される。
【００３０】
固体半導体を使って原子力エネルギーを電気的エネルギーに変換するための以前の方法とは異なり、本発明は、捕集効率が急激に悪化することなく、核分裂または高エネルギー放射線を使って大量の電力を生成することができる。その理由は、固体半導体の格子とは異なり、液体半導体の短距離秩序は、核分裂片または高エネルギー放射線との相互作用によって永久に損傷を受けることがないからである。よって、本発明の好ましい実施形態では、液体半導体が原子力電池の活性領域を通って流れるようになっており（固体半導体では不可能なことである）、純度および半導体の性質が時間とともに劣化しないように、つまり変換装置が連続的に最適なエネルギー変換をすることができるように、望まれぬ核分裂片や中性子放射化生成物の浄化または洗浄が行われる。さらに、燃料補給のための非稼働時間避けるために、燃え尽きた核分裂性物質は発電炉の運用中に取り換えてもよい。これらの利点のゆえに、本発明は、効率的な変換および大量の電力の生成という点で、固体半導体装置では不可能な特徴を備えている。
【００３１】
メガワットおよびそれを超える程度の電力を供給するために、上記の実施形態、つまり実施形態１、２、３、または４のいずれかを含む複数の原子力電池が、上記の実施形態５で述べたように臨界配列（critical array）を形成するように結合されてもよいので、本発明は非常に適応性がある。小電力の要求に対しては、単一または少数の電池を使えばよい。本発明の好ましい実施形態では、上記の実施形態６で述べたように、適切な遮蔽および冷却材で取り巻かれた原子力発電炉炉心を、そのように形成された配列が構成している。好ましい実施形態において、原子力発電炉炉心は、エネルギー変換に使われるのと同じ液体半導体を冷却用にも用いる。好ましい実施形態において、冷却材のループは二つの部分に分かれており、それぞれに冷却器が備えられている。ループ部分は揺動弁（oscillating valves）および揺動空気ピストンによって分離されており、一方の冷却器で冷却された冷却材は高圧の不活性気体から静かに力を受けて炉心を通り、炉心の廃熱で温められた冷却材は低圧の不活性気体の側の他方の冷却器に流入する。第一の冷却器が空で第二の冷却器が満たされているとき、揺動弁が位置を変え、ピストンが方向を変えて、炉心を連続的に静かに冷却する。一方の冷却器は、望まれぬ核分裂片や中性子放射化生成物の洗浄にも使われるが、他方は燃え尽きた核分裂性物質を取り換えるのに使ってもよい。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態において、上記の実施形態７で述べた原子力発電炉炉心は二つの別個のループを有しており、一方はエネルギー変換用および核分裂片／放射化生成物の洗浄用であり、他方は冷却用であるが、冷却材は液体半導体以外のものでもよい。この方法だと本発明は適用性があり、電気網用に電力を生成したり、宇宙船、潜水艦および軍装備品を含む多様な用途に広範囲に電気的エネルギーを供給したりすることを含む多くの異なる要求に応えることができる。
【００３３】
他の好ましい実施形態において本発明は、原子力バッテリーを構成するのに使われてもよい。実施形態８において、上記のとおり、放射性同位体の形の核物質が液体半導体に溶解している。放射性同位体を液体半導体に溶解させることは本発明の好ましい実施形態であるが、他の実施形態では、そのかわりに放射性同位体が液体半導体の近くに置かれるのでもよい。α、β、および／またはγ放射線の形の原子力エネルギーが液体半導体に入射し、電子と正孔の組を作り出す。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキーダイオードと低抵抗またはオーミック接触とを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。空乏幅またはその拡散距離の二、三倍以内に生じた電子と正孔を逆の方向に動かす内蔵電界が、液体半導体の空乏領域内に作られる。これによって電流が生じる。本発明の接触上に負荷を加えることにより、電力が生成される。好ましい実施形態では、マンドレルのまわりに物質の層を螺旋状に巻きつけることによって原子力電池が構成される。
【００３４】
実施形態９において、上記のとおり、放射性同位体の形の核物質が液体半導体に溶解している。実施形態８と同様に、α、β、および／またはγ放射線の形の原子力エネルギーが液体半導体に入射し、電子と正孔の組を作り出す。液体半導体は、ｎ型またはｐ型の液体半導体と接触して置かれたときにショットキーダイオードと低抵抗またはオーミック接触とを形成するように選択された二つの金属接触の間に挟まれた、ｎ型またはｐ型の半導体である。空乏幅またはその拡散距離の二、三倍以内に生じた電子と正孔を逆の方向に動かす内蔵電界が、液体半導体の空乏領域内に作られる。これによって電流が生じる。本発明の接触上に電気負荷を加えることにより、電力が生成される。好ましい実施形態では、原子力電池は物質の層を積み重ねることにより構成される。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態において、液体半導体が原子力電池の活性領域を通って流れるようになっており（固体半導体では不可能なことである）、半導体の性質が時間とともに損なわれないように、つまり変換装置が連続的に最適なエネルギー変換をすることができるように、望まれぬ崩壊生成物の浄化または洗浄が行われる。これらの利点のゆえに、本発明は、効率的な変換および長期間にわたる大量の電力の生成という点で、固体半導体装置では不可能だった特徴を備えている。
【００３６】
上記の実施形態１０で述べたごとく、原子力バッテリーを形成するように複数の原子力電池を配列（array）状に結合し、１ワット未満からメガワット超までの範囲の電力を供給するようにすることができるので、本発明は非常に適応性がある。小電力の要求に対しては、単一または少数の電池を使えばよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、原子力電池５の一実施形態における断面図である。この実施形態において、液体半導体２０は二つの金属接触、すなわちオーミック接触１０とショットキー接触３０との間に挟まれている。本装置は、オーミック接触１０のかわりに低抵抗接触が使われても機能する。これは、原理的または実用的な理由の結果として理想的なオーミック接触１０が簡単に利用可能ではない場合に必要である。
【００３８】
図１に示したように、液体半導体２０は二つの金属接触、すなわちオーミック接触１０とショットキー接触３０との間に挟まれている。さらに、図１に示したように、二つの金属接触、すなわちオーミック接触１０とショットキー接触３０は、液体半導体２０が流れる流路（channel）を形成している。本発明の好ましい実施形態において液体半導体２０は、オーミック接触１０とショットキー接触３０の間の流路に矢印１５の向きに流入し、オーミック接触１０とショットキー接触３０の間の流路から矢印２５の向きに流出する。本発明の好ましい実施形態においてオーミック接触１０とショットキー接触３０の間の流路の二つの端点は閉ループで接続されており、液体半導体２０がオーミック接触１０とショットキー接触３０の間の流路を通って閉ループを循環するように、ポンプが使われている。
【００３９】
当該技術分野に通じている者なら理解するだろうが、オーミック接触１０と液体半導体２０の間に全く障壁が存在しないか、最小の障壁しか存在しないようにするため、オーミック接触１０は金属でできていることが好ましい。さらに、当該技術分野に通じている者なら理解するだろうが、液体半導体２０と接触して置かれたときに液体半導体２０の全体にわたって十分な静電障壁が作り出されるように、ショットキー接触３０は金属でできていることが好ましい。図１に示した本発明の実施形態では、基板４０に核物質５０が塗布されており、金属のショットキー接触３０が核物質５０の上に被せてある。本発明の好ましい実施形態では、オーミック接触１０とショットキー接触３０が回路内で接続されており、その回路に負荷３５がかけられて、本発明から電気的エネルギーを取り出すようにしている。
【００４０】
図１に示したように、本発明の好ましい実施形態では、本発明の能動的な部分を作っている層の断面は、幅が約１．６３×１０−２ｃｍである。好ましい実施形態では、二つの接触の分離を保つために、非能動的なスペーサがオーミック接触１０とショットキー接触３０の間に置かれる。別の実施形態では、崩壊するにつれてα、β、γ放射線のいずれか、またはそれらの組み合わせを生じる、核分裂性ではない放射性同位体で核物質５０を置き換えてもよい。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態では、液体半導体２０は室温で固体であり、オーミック接触１０とショットキー接触３０の間にある。本発明の好ましい実施形態では、原子力電池５の層は薄膜技術を使って製造される。本発明の好ましい実施形態では、原子力電池５の層が製造されてから、液体半導体２０を融解させるために原子力電池５が熱せられる。最適な実用温度は、使われる液体半導体２０の性質によって様々に異なる。好ましい実施形態では、液体半導体はセレンであり実用温度は２３０〜２５０℃である。セレン以外の液体半導体を使ってもよいことは、当該技術分野の経験がある者なら理解するだろう。特定の温度範囲および組成を超えて、液体半導体は純粋なカルコゲン（酸素、硫黄、セレン、およびテルル）から作られてもよい。他の可能性の中でも、適切な液体半導体は、カルコゲンの混合物、カルコゲンと金属の合金を含む。本発明の好ましい実施形態では、外部熱源による最初の加熱の後は、核物質から作られた熱が原子力電池５の温度を保つ。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態では、外部電源が原子力電池５を加熱するのに使われ、液体半導体を液化させる。別の実施形態では、液体半導体２０が室温で液体であり、本発明は運用前に加熱する必要がない。
【００４３】
図２は、ショットキー接触３０と液体半導体２０の間の接合６０のエネルギーバンド図である。ショットキー接触３０の金属は、平衡状態において液体半導体２０の全体にわたってポテンシャルの差が作られるように選択されている。本発明の好ましい実施形態では、液体半導体２０はｎ型半導体である。ショットキー接触３０と液体半導体２０の間の接触点は、当該技術分野でしばしば接合と呼ばれる。
【００４４】
熱平衡状態において、外部電圧が印加されなければ、液体半導体２０内の接合６０近傍に、移動性のキャリアがなくなった領域がある。これは当該技術分野で空乏領域７０として知られている。液体半導体２０内の障壁の、フェルミ準位から静電障壁の頂点までの高さは、内蔵電位Φｂ８０に等しい。液体半導体２０内のポテンシャル障壁８０に起因する電界のために、空乏領域７０に入る電子９０と正孔１００は、液体半導体２０の中性部分とショットキー接触３０の金属との間にかかる力を受けるだろう。拡散距離１１０は使われている液体半導体２０の性質に依存し、電子９０と正孔１００が再結合の前に液体半導体２０内で平均してどれほど遠くまで拡散することができるかを示す尺度である。捕集量（collection volume）１１５は空乏領域７０と拡散距離１１０の数倍の合成であり、電子９０と正孔１００が捕集される量を表す。これらのキャリア、つまり電子９０と正孔１００は、液体半導体２０を通って流れる電流に帰着する生成過程を初期化する。
【００４５】
当該技術分野に通じた者なら理解するとおり、もしｐ型液体半導体が使われればポテンシャルエネルギー図は異なるだろうが、ｎ型あるいはｐ型のいずれの液体半導体を用いようとも、電子９０と正孔１００の流れと電流の生成という、全体としては同じ結果が生まれるだろう。
【００４６】
本発明の好ましい実施形態において、液体半導体２０は、２３３℃を超える温度で液体のセレンである。液体セレンは、非常に大きなバンドギャップがあり、それが空乏領域７０の大きなポテンシャル障壁８０と長い拡散距離１１０を作り出すため、好ましい液体半導体２０である。しかし、セレンの特徴を改良した他の液体半導体を利用してもよい。
【００４７】
図３は、核分裂事象１２０が起こるときの本発明の断面図を示している。本発明の好ましい実施形態では、核物質５０はウラン２３５である。核物質５０の原子が分裂するときに核分裂事象１２０が起こる。当該技術分野に通じた者なら理解するだろうが、核分裂事象１２０は自然に起こるかもしれないし、より高い可能性で、他の核分裂事象が起こる間に飛び出した中性子と衝突した結果として起こるかもしれない。核分裂事象１２０の結果として、核物質５０の二つの断片が作られる。本発明の図３に示した実施形態では、核物質５０の一つの断片、つまり失われた核分裂片１３０は液体半導体２０に入射しない。当該技術分野に通じた者なら理解するだろうが、核分裂片１４０は高エネルギー状態である。例えばウラン２３５の場合、核分裂片１４０の平均エネルギーは６７〜９５ＭｅＶである。核分裂片１４０が液体半導体２０に入射すると、核分裂片１４０は液体半導体２０の原子および電子と相互作用して、液体半導体２０内の軌跡に沿って電子と正孔の組１５０を作り出す。この過程で液体半導体２０内に大量の電子９０と正孔１００が作られる。核分裂片１４０は液体半導体２０の原子および電子とも相互作用するかもしれない。そのような相互作用は、高エネルギー電子１６０およびノックオンホスト原子１７０を作り出すことがある。高エネルギー電子１６０とノックオン原子１７０も、さらに電子９０と正孔１００を作り出すかもしれない。低抵抗またはオーミック接触１０とショットキー接触３０との間のポテンシャル障壁８０のために電子９０と正孔１００は逆方向に動き、その結果がオーミック接触１０とショットキー接触３０の間の電流の流れとなる。図２に示したごとく、ポテンシャル障壁８０は空乏領域７０全体にわたって存在している。結果として、空乏領域７０内にあるか空乏領域７０内へ拡散する電子９０または正孔１００のみが、オーミック接触１０とショットキー接触３０との間の電子９０と正孔１００の流れの一部となるだろう。上記のように、液体セレンは、その拡散距離１１０が大きく、その結果より多くの電子９０と正孔１００を捕獲するので、好ましい液体半導体である。
【００４８】
核物質５０は、その原子が分裂するときに核分裂片１４０を生ずるだけでなく、二次放射線も生じ、それが液体半導体２０の原子をイオン化して電子９０と正孔１００を作り出し、その結果、電気的エネルギーを生成する。本発明の別の実施形態では、核物質５０は、崩壊するにつれてα、β、γ放射線のいずれか、またはこれらの組み合わせを生じる、核分裂性ではない放射性同位体でもよい。本発明のそのような実施形態において、α、β、γ線は、液体半導体２０に入射するときに電子９０と正孔１００を生じる。本発明の作用自体は核物質５０が使われる場合と同じだが、α、β、γ線の、入射する放射線あたりに生じる電子９０と正孔１００の量は、核物質５０が使われる場合ほどには多くない。よって、結果として、核分裂性ではない放射性同位体を使う本発明の実施形態では、核物質５０を使う実施形態ほどの電力を生成することができないかもしれない。
【００４９】
本発明の一実施形態において、付随する放射線がより少なくて小出力の電力を供給するのに、核分裂性でない放射性同位体が使われるかもしれない。この種の電源は、人間の操作者の近くにある装置で使うためにはより実用的である。なぜなら、装置のまわりに軽量の放射線遮蔽を置くことができるからである。そのような電源は、高出力が必要ではなく、それほど放射能が高くなくてより小さな装置が必要な、宇宙船や軍装備品において使用するのによく適している。
【００５０】
図４は本発明の好ましい実施形態の断面図を示しており、図４では核物質５０が液体半導体２０に溶解している。この好ましい実施形態では、低抵抗またはオーミック接触１０とショットキー接触３０との間に液体半導体２０が挟まれており、核物質５０が液体半導体２０に溶解している。核分裂事象１２０が起こったとき、失われる核分裂片がなく、双方の核分裂片が液体半導体２０を通って移動し、いずれかの核分裂片が液体半導体２０内に電子と正孔の組を生じさせるであろうから、これは本発明の好ましい実施形態である。結果として、この好ましい実施形態は、図２で述べた実施形態よりも効率が良い。
【００５１】
図５は、液体半導体２０内で起こる核分裂事象１２０を示す。また、核物質５０が液体半導体２０に溶解している実施形態において、液体半導体２０内で電子と正孔の組を生じるのに双方の核分裂片１４０が利用可能であることを説明している。
【００５２】
図６は本発明の別の実施形態を示し、ここでは核物質５０が、核分裂性ではない放射性同位体である。好ましい実施形態において、いかなる方向への放射線の放出１９０も液体半導体２０内で電子と正孔の組を生じるように、核分裂性ではない物質が液体半導体２０内に溶解していてもよい。
【００５３】
図７は本発明の好ましい実施形態を示し、ここでは図１で説明したような本発明の層が軸対称にマンドレル２００のまわりに巻きつけられ、化学的電池と類似の性質をもった一つの原子力電池５を形成している。本発明のこの好ましい実施形態の利点は、本発明の体積を最小化する点と、マンドレル２００のまわりに巻きつけられた長くて薄い原子力電池５が機械的に頑健なので安定性がある点である。別の実施形態では、原子力電池５の軸対称の層が互いの上に積み重ねられてもよいが、積み重ねの機械的な全体性を保つための手段を備えなくてはならないので、上記の巻きつける方法ほどには本発明の体積が減らない。
【００５４】
図８は、本発明の好ましい実施形態において、穴のあいた薄板導体２１０を使って複数の原子力電池５をどのようにして接続して配列２２０を形成するのかを示す。この好ましい実施形態では、より大きな電力の生成のために、原子力電池５を接続して配列２２０にすることにより、それぞれの原子力電池５によって生成される電力が組み合わされるだろう。配列２２０に使う原子力電池５の数は、必要な電気的エネルギーの量によって変えてもよい。原子力電池５が直列／並列に接続されているので、もし一つの原子力電池５が機能しなくなっても、配列２２０の残りの部分は機能し続けるだろう。
【００５５】
図９は、複数の原子力電池５を結合して原子力発電炉２３０を作る、本発明の好ましい実施形態を示す。この実施形態では、穴のあいた薄板導体２１０を使って個々の原子力電池５を接続している。本発明の好ましい実施形態では、放射線の漏出を防ぐために原子力電池５の集合を取り囲む生体遮蔽２４０と外側筐体２５０が備えられている。過熱を防ぐために、原子力発電炉２３０の内部全体にわたって生体遮蔽２４０と外側筐体２５０との間に冷却材１８０が注ぎ込まれている。本発明の好ましい実施形態では冷却材１８０が液体半導体２０である。この方法では、原子力発電炉２３０を冷却するためと電力を作り出すための双方に液体半導体２０が使われるだろう。
【００５６】
図１０は本発明の好ましい実施形態を示す。図１０では、コールドレグ２８０から原子力発電炉炉心２３０を通ってホットレグ２９０へと液体半導体２０が循環し、エネルギー変換を行うとともに、廃熱（電気に変換されなかった核分裂片エネルギー）を除去するための冷却材としてはたらく。この好ましい実施形態では、冷却された液体半導体２０が往復空気ピストン３００によって流れるようになっている。第一の冷却器３１０から原子力発電炉炉心２３０を通って液体半導体２０が流れるようにさせる不活性気体３２０を、往復空気ピストン３００が圧縮する。これは、核の臨界、エネルギー変換、および冷却を実現するものである。そして液体半導体２０は、低圧の不活性ガスの側で、揺動弁３４０によって決められる流れの方向および往復空気ピストン３００の動く方向で、第二の冷却器３３０に流入する。第二の冷却器３３０が満たされると、揺動弁３４０が位置を変え、往復空気ピストン３００が方向を逆にして、連続的で静かな冷却のために、第二の冷却器３３０から原子力発電炉炉心２３０を通って第一の冷却器３１０へと、冷却された冷却材を押す。除去された熱は、従来の熱交換プロセス（例えば熱電変換器）を通じて補助的な電力を作り出すのに用いてもよい。同様に、第二の冷却器３３０に洗浄機構を結合することによって、液体半導体２０が断続的に第二の冷却器３３０に流入し、そこで望まれぬ核分裂片物質のかけらや望まれぬ中性子放射化生成物が液体半導体２０から除去されるようにすることもできる。これは本発明の好ましい実施形態である。なぜなら、本発明を、連続的な冷却と浄化または洗浄を備えた自己完結式のシステムとすることができ、核分裂片１４０や中性子放射化生成物で液体半導体２０があまりに汚染されてしまったときに、新たな液体半導体２０を加える必要なしに、液体半導体２０を連続的に使うことができるからである。
【００５７】
核分裂片および中性子放射化生成物の洗浄と組み合わせる場合、反応炉中での臨界の核の状態を維持するために、核分裂性物質を第一の冷却器３１０に断続的に加え、核分裂過程で燃え尽きた核分裂性物質を置換してもよい。
【００５８】
図１１は本発明の実施形態を示し、ここでは、液体半導体２０でもよいし液体半導体２０でなくてもよいが、冷却材１８０が冷却材段階（coolant phase）を成し遂げる。冷却材１８０と液体半導体２０は、原子力発電炉炉心２３０を通って循環する別個のループにある。この好ましい実施形態では、冷却材１８０を矢印３５０の方向に押し流すのに第一のポンプ３７０が使われ、液体半導体２０は第二のポンプ３７０によって矢印３６０の方向に押し流される。冷却材１８０を連続的な冷却のための手段として使うことができるように、熱エネルギーを除去することができる冷却器３８０へと冷却材１８０が流入する。除去された熱は、従来の熱交換プロセス（例えば熱電変換器）を通じて補助的な電力を作り出すのに用いてもよい。液体半導体２０は洗浄装置３９０を通って流れるようにポンプで押されるが、そこでは望まれぬ核分裂片物質のかけらや望まれぬ中性子放射化生成物を液体半導体２０から除去することができる。
【００５９】
本発明について説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、構成および回路における多くの変更、および本発明の広範囲の異なる実施形態や応用を思いつくことができるであろうことは、当該技術分野に精通した者ならば理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、核物質が基板上に塗布された、原子力電池の一実施形態における概略的な断面図である。
【図２】図２は、ショットキー接触とｎ型液体半導体との間の接合におけるポテンシャルエネルギーの図である。
【図３】図３は、原子力電池内で起こる核分裂事象を示す。
【図４】図４は、核物質が液体半導体に溶解している、本発明の好ましい実施形態における概略的な断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態において原子力電池の液体半導体に溶解している核分裂性物質から生じる核分裂事象を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施形態において原子力電池の液体半導体に溶解している放射性同位体から放射されるα、β、またはγ線の放射を示す。
【図７】図７は、本発明の軸対称の層がマンドレルのまわりに巻きつけられた、本発明の好ましい実施形態を示す。
【図８】図８は、本発明の好ましい実施形態において複数の原子力電池がどのようにして接続されて配列を形成するのかを示す。
【図９】図９は、本発明の好ましい実施形態において複数の原子力電池がどのようにして結合されて原子力発電炉を形成するのかを示す。
【図１０】図１０は、冷却材と液体半導体が原子力発電炉を通って循環している、本発明の好ましい実施形態を示す。
【図１１】図１１は、本発明の好ましい実施形態において冷却材のループとエネルギー変換／核分裂片洗浄装置ループがどのように分離しているかを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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