特許 7668051 非中性子核燃料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-16

(45)【発行日】2025-04-24

(54)【発明の名称】非中性子核燃料

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/28 20060101AFI20250417BHJP

   G21D 7/00 20060101ALI20250417BHJP

【ＦＩ】

G21C3/28 600

G21D7/00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023511629

(86)(22)【出願日】2021-09-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-06

(86)【国際出願番号】 US2021049330

(87)【国際公開番号】W WO2022060597

(87)【国際公開日】2022-03-24

【審査請求日】2023-04-12

(31)【優先権主張番号】17/027,422

(32)【優先日】2020-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】523050988

【氏名又は名称】ロウ，オースティン

(74)【代理人】

【識別番号】100147511

【弁理士】

【氏名又は名称】北来 亘

(72)【発明者】

【氏名】ロウ，オースティン

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－００９３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１２２４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４８９８１５６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特公昭６２－６１９０６（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開平８－５４４７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ３／２８

Ｇ２１Ｄ ７／００

Ｇ２１Ｃ １／００

Ｇ２１Ｃ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

核燃料セルにおいて、
核燃料であって、
正味の中性子生成物質と、
中性子消費物質と、
中性子減速物質とを含む核燃料と、
エミッタ及びコレクタの間に配置されたガスを含むシステムと、
中性子源と、を備えており、
前記核燃料は、前記中性子源及び前記システムに隣接して配置されており、
前記中性子生成物質は、前記中性子源により生成された中性子に暴露されたとき、核分裂して核分裂片及び中性子を生成するように構成されており、
前記核分裂片は、ベータ崩壊するように構成されており、
前記ベータ崩壊による電子は、前記エミッタ及び前記コレクタの間に配置された前記ガスをイオン化されたプラズマに変換するように作用可能であり、
前記中性子減速物質は、前記中性子生成物質によって生成された高速中性子を減速するように構成されており、
前記中性子消費物質は、前記核燃料セル内の中性子を調節する際に中性子を吸収するように構成されている、核燃料セル。

【請求項2】

前記正味の中性子生成物質は、核分裂性である、請求項１に記載の核燃料セル。

【請求項3】

前記中性子消費物質は、中性子活性化を受けるように構成されている、請求項１に記載の核燃料セル。

【請求項4】

前記中性子消費物質は、前記ベータ崩壊の間に中性子活性化を受けるように構成されている、請求項３に記載の核燃料セル。

【請求項5】

前記中性子消費物質に対する前記正味の中性子生成物質の比率は、前記核燃料セル内の中性子を調節するように作用可能である、請求項１に記載の核燃料セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本ＰＣＴ国際出願は、２０２０年９月２１日に出願された米国特許出願第１７／０２７，４２２号に対する優先権を主張し、その内容は、参照によりその全体を本明細書に組み込む。

【0002】

本開示は、一般に、熱を電気エネルギーに直接変換するための中性子の少ない或いは中性子の無い非中性子核燃料に関する。

【背景技術】

【0003】

この節は、本開示に関係する背景情報を提供するものであり、必ずしも従来技術ではない。

【0004】

原子力の潜在的な低い運転コストや全体的な経済的競争力は、従来の力学的熱・電気エネルギー変換方法の使用により過小評価されている。これらの補助システムの使用により、従来の発電所は、著しい運転コストおよび維持費の問題があり、これによりそのような発電所の経済的有効性および効率が低く抑えられている。厄介な力学的熱・電気エネルギー変換システムに対する１つの代替は、熱電子エネルギー変換（ＴＥＣ）、すなわち熱電子放出から発電する直接熱・電気エネルギー変換過程である。ＴＥＣは、維持に手がかからない自律発電のための機会を提供し、経済的競争力のある先進の原子炉のための可能性を示す。

【0005】

ＴＥＣシステムのいくつかは、電極間プラズマを利用し、熱電子放出された電子をシステムの「高温」側（すなわち、エミッタ）からシステムの「低温」側（すなわち、コレクタ）に伝導する。すべての実証可能なＴＥＣシステムは、放出された電子を使用し、低いイオンポテンシャルのプラズマ（たとえば、セシウム）をイオン化するが、この方法は、装置効率を制限する。以前の取り組みでは、電極間プラズマをイオン化するためにクラッド無し燃料要素からの核分裂片を使用することが模索された。しかし、これらの以前の取り組みは、連鎖反応を持続させるために、すなわち臨界系のために十分な燃料を必要とした。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

この節は、開示の全体的な概要を提供するものであり、その完全な範囲、またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。

【0007】

開示の一態様は、中性子の少ない或いは中性子の無い非中性子核燃料を提供する。核燃料は、正味の中性子生成物質（net neutron-producing material）と、中性子消費物質（neutron-consuming material）と、中性子減速物質（neutron-moderating material）とを含む。正味の中性子生成物質、中性子減速物質、および中性子消費物質が中性子源に暴露されたとき、（ｉ）中性子消費物質および（ｉｉ）中性子減速物質に対する正味の中性子生成物質の比率は、正味の中性子を生成することなく中性子を荷電粒子に変換するように作用可能なものである。

【0008】

本開示のこの態様の実施例は、以下の任意選択の特徴のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施例では、正味の中性子生成物質は、核分裂性（fissile）である。いくつかの例では、正味の中性子生成物質は、親物質（fertile）である。随意には、正味の中性子生成物質は、核分裂し得る。いくつかの実施例では、中性子消費物質は、中性子活性化を受ける。いくつかの例では、中性子消費物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける。いくつかの実施例では、中性子消費物質に対する中性子生成物質の比率は、プラズマをイオン化するための荷電粒子を生成することが可能である。

【0009】

本開示の別の態様は、発電する方法を提供する。この方法は、第１の物質を用いて複数の中性子を生成することと、第２の物質を用いて複数の中性子のうちの少なくとも１つを消費することとを含む。また、この方法は、第３の物質を用いて或る量の複数の中性子を減速することと、第１の物質、第２の物質、および第３の物質を中性子源に暴露することとをも含む。

【0010】

この態様は、以下の任意選択の特徴のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施例では、第１の物質は、核分裂性である。いくつかの例では、第１の物質は、親物質である。随意には、第１の物質は、核分裂し得る。いくつかの実施例では、第２の物質は、中性子活性化を受ける。いくつかの例では、第２の物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける。いくつかの実施例では、方法は、荷電粒子を用いてプラズマをイオン化することをも含む。

【0011】

本開示の別の態様は、核燃料セルを提供する。核燃料セルは、厚さＴ１を画定する正味の中性子生成物質と、中性子消費物質と、中性子減速物質とを含む。また、核燃料は、正味の中性子生成物質を囲み、第２の厚さＴ２を画定するクラッディングを含み、厚さＴ２に対する厚さＴ１の比率は、エミッタからコレクタへの電子の伝達率を増大するように作用可能なものである。

【0012】

この態様は、以下の任意選択の特徴のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施例では、正味の中性子生成物質は、核分裂性である。いくつかの例では、正味の中性子生成物質は、親物質である。随意には、正味の中性子生成物質は、核分裂し得る。いくつかの実施例では、中性子消費物質は、中性子活性化を受ける。いくつかの例では、中性子消費物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける。

【0013】

利用可能性のさらなる領域は、本明細書に提供されている説明から明らかになろう。この概要における説明および特定の例は、例示のためのものとして意図されているにすぎず、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

【0014】

本明細書に記載の図面は、選択された構成を例示するためのものにすぎず、可能な実施例のすべてではなく、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来技術の熱電子エネルギー変換システムの機能ブロック図である。

【図2】本開示の原理による熱電子エネルギー変換システムの機能ブロック図である。

【図3】本開示の原理による熱電子エネルギー変換システムの機能ブロック図である。

【図4】本開示の原理による熱電子エネルギー変換システムを利用する燃料セルの概略図である。

【図5】本開示の原理による、図４の燃料セルを動作させる方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

対応する符号は、図面を通して対応する部分を示す。

【0017】

次に、例示的な構成について、添付の図面を参照してより十分に述べる。例示的な構成は、この開示が徹底したものとなり、開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。本開示の構成の徹底した理解をもたらすために、特定の構成要素、装置、および方法の例など、特定の詳細が記載されている。当業者には、特定の詳細が使用されることを必要としないこと、例示的な構成は多数の異なる形態で具体化され得ること、および特定の詳細および例示的な構成は、開示の範囲を限定すると解釈されるべきでないことが明らかであろう。

【0018】

図１に示されているように熱電子エネルギー変換システム１００は、エミッタ１０２、媒体１０４、コレクタ１０６、および熱源１０８を含み得る。下記でより詳細に述べるように、熱電子エネルギー変換システム１００は、熱源１０８からの熱を熱電子放出からの電気エネルギーに直接変換し、次いでそれを使用し、エミッタ１０２とコレクタ１０６の両端間にバイアス電圧をかけることによって電気負荷１１０を駆動することができる。バイアス電圧は、エミッタ１０２とコレクタ１０６のそれぞれの仕事関数間の差に比例する。そうする際に、システム１００は、従来の発電において電気エネルギーを生成するために必要とされるはずの様々な部品（たとえば、タービン）を省くことを可能にする。

【0019】

図１に示されているようにエミッタ１０２は、電子１１２を含む。エミッタ１０２が熱源１０８によって加熱されたとき、エミッタ１０２は、電子１１２を放出する。放出された電子１１２は、エミッタ１０２とコレクタ１０６との間の媒体１０４に入る。エミッタ１０２とコレクタ１０６との間の媒体１０４が導電性である場合、負荷１１０を駆動することが可能な電流が生成される。

【0020】

エミッタ１０２が熱源１０８によって加熱されるにつれて、エミッタ１０２は、電子１１２を放出する。エミッタ１０２によって放出された電子１１２は、エミッタ１０２とコレクタ１０６との間の媒体１０４に入る。エミッタ１０２によって放出された電子１１２の負電荷は、他の負電荷の電子１１２と反発する。したがって、エミッタ１０２から放出された電子１１２が媒体１０４に入ったとき、電子１１２の負電荷は、追加の電子１１２と反発し、そのような追加の電子１１２がエミッタ１０２を離れコレクタ１０６に到達するのを抑制し、かつ／または妨げ、システム１００の効率を減少させる空間電荷を生み出す。いくつかの実施例では、プラズマがエミッタ１０２とコレクタ１０６との間の媒体１０４として働く。これに関して、媒体１０４は、本明細書では「プラズマ１０４」と称されることがある。プラズマ１０４は、媒体１０４の空間電荷を軽減し、他の電子がエミッタを離れることをも抑制することなく、電子１１２がエミッタ１０２を離れることを可能にし得る。プラズマ１０４は、異なる形態をとってもよい。たとえば、いくつかの実施例では、プラズマ１０４は、セシウム蒸気など蒸気を含む。

【0021】

システム１００の効率は、プラズマ１０４を用いて負の空間電荷を低減することによって増大させることができる。負の空間電荷がプラズマ１０４によって中和されるにつれて、追加の電子１１２がエミッタ１０２からより自由に放出され、したがってプラズマ１０４を通る電流の流れを増大し、次いでシステム１００の効率を改善する。これに関して、プラズマ１０４は、自然の予備イオン化状態（すなわち、希薄蒸気またはガス）にあるとき、電子１１２を伝導し得ない。プラズマ１０４は、エミッタ１０２と接触し、エミッタ１０２がプラズマ１０４にわたって電子１１２を伝達することを可能にすることによってイオン化され得る。別の実施例では、プラズマ１０４は、放出された電子１１２がプラズマ１０４の中性原子に当たり、中性原子をイオン化して追加の電子およびイオンにすることによってイオン化され得る。プラズマ１０４がイオン化された後、プラズマ１０４は電子１１２を伝導し得る。プラズマ１０４がイオン化されたとき、電子１１２は、エミッタ１０２からプラズマ１０４を通ってコレクタ１０６に伝導され、それによって電流を発生させることができる。加熱されたエミッタ１０２からコレクタ１０６への電子１１２の流れは、負荷１１０を駆動するために使用され得る電気エネルギーを発生させる。

【0022】

電子１１２を利用してプラズマ１０４をイオン化することは、熱電子エネルギー変換システム１００の全体効率を減少させる。たとえば、追加の電子１１２がエミッタ１０２から放出されることを可能にするようにプラズマ１０４をイオン化することによって、電子１１２は、プラズマ１０４をイオン化したとき、電気エネルギーを生成するのではなくそれ自体のエネルギーを費やし、したがってシステム１００の電気効率を低下させる。

【0023】

重イオン熱電子エネルギー変換（ＨＩＴＥＣ）システム２００が図２に示されている。ＨＩＴＥＣシステム２００は、別段本明細書において示されている、または記載されている場合を除き、熱電子エネルギー変換システム１００と実質的に同様であってよい。ＨＩＴＥＣシステム２００においてプラズマ１０４をイオン化する例示的な方法は、核分裂片２０８を利用する。たとえば、中性子源２０２が中性子２０４を生成する。また、ＨＩＴＥＣシステム２００は、核分裂性である（たとえば、Ｕ－２３５）、すなわち中性子を吸収した後、核分裂反応が可能であるもの、または親物質である（たとえば、Ｕ－２３８）、すなわち中性子を吸収した後、核分裂反応することが可能でないものとすることができる正味の中性子生成物質２０６を含み得る。

【0024】

中性子源２０２が、正味の中性子生成物質２０６（たとえば、Ｕ－２３５）によって吸収される中性子を生成するとき、中性子生成物質２０６は不安定になり核分裂片２０８に分割され、その過程でいくつかの新しい中性子を放つ。核分裂過程から放たれた新しい中性子は、以下の式に従ってそれ自体核分裂し得、追加の核分裂片２０８を生み出し、中性子を放ち、連鎖反応をもたらす。ここで「ｎ」は中性子２０４である。

【数1】

【0025】

核分裂過程から発生した核分裂片２０８は、エミッタ１０２とコレクタ１０６との間のプラズマ１０４に入り、プラズマ１０４をイオン化する。ＨＩＴＥＣシステム２００においてプラズマ１０４をイオン化するために核分裂片２０８を使用することは、より多くの電子１１２がエミッタ１０２からプラズマ１０４を通ってコレクタ１０６に流れることを可能にする。特に、電子１１２は、プラズマ１０４をイオン化するために使用されるのではなく、電気エネルギーを発生させるように、単独でエミッタ１０２からコレクタ１０６に流れることができ、それにより、ＨＩＴＥＣシステム２００の効率を高める。

【0026】

プラズマ１０４をイオン化するために核分裂片２０８を利用することは、プラズマ１０４中の重金属の蓄積を引き起こす。特に、プラズマ１０４をイオン化した後の核分裂片２０８は、プラズマ１０４内で中性重金属粒子になる。プラズマ１０４中での中性重金属粒子としての核分裂片２０８の蓄積は、エミッタ１０２から放出された電子１１２が中性重金属粒子と衝突する可能性を増大する。核分裂片２０８からの中性重金属粒子と衝突する電子１１２は、その衝突によりエネルギーを喪失し得、したがって、それらの電子１１２が生成する電気エネルギーは少なくなり、ＨＩＴＥＣシステム２００の効率を減少させる。いくつかの例では、核分裂片２０８は、エミッタ１０２の表面上に堆積され、エミッタが放出する電子１１２をより少なくし、生成される電気エネルギーの量を減少させることによってＨＩＴＥＣシステム２００の全体的な効率をさらに減少させる。

【0027】

図２に示されているように、ＨＩＴＥＣシステム２００は、中性子消費物質２１０および中性子減速物質２１２を含み得る。中性子減速物質２１２は、中性子生成物質２０６から放たれた中性子２０４の速度を低減する。たとえば、中性子生成物質２０６または中性子消費物質２１０によって吸収される中性子２０４を中性子源２０２が生成するにつれて、中性子生成物質２０６の中性子は不安定になり核分裂片２０８に分割され安定化するまえにいくつかの新しい中性子を放ち得る。核分裂からの放たれた中性子２０４は、高速で移動し得、中性子生成物質２０６または中性子消費物質２１０によって吸収される可能性が低くなる。

【0028】

中性子減速物質２１２（たとえば、黒鉛、水、または水素化ジルコニウム）は、核分裂によって生成される高速中性子２０４の速度を低減し、したがって放たれた中性子が中性子生成物質２０６および中性子消費物質２１０によって吸収される可能性を増大し、これは次いで、より多くの核分裂片２０８の生成をもたらすことができる。核分裂過程によって生成されるより多くの中性子２０４の速度が中性子減速物質２１２によって低減され、中性子生成物質２０６によるより多くの中性子２０４の吸収、およびより多くの核分裂片２０８の生成がもたらされるにつれて、ＨＩＴＥＣシステム２００は、核分裂連鎖反応を開始するために中性子源２０２に依存することが少なくなり、したがってＨＩＴＥＣシステム２００の効率を増大する。

【0029】

図２に示されているように、中性子消費物質２１０は、ＨＩＴＥＣシステム２００内の中性子の再生成を調節するように核分裂から発生した中性子２０４を吸収する。中性子消費物質２１０なしにＨＩＴＥＣシステム２００によって生成される中性子２０４の量は、システムを、生成される中性子２０４の数が制御されない速さで加速する超臨界状態にし、ＨＩＴＥＣシステム２００内の正味の中性子の数を長期持続可能性にとって望ましいものより高いものにする。

【0030】

別の例示的なＨＩＴＥＣシステム３００が図３に示されている。ＨＩＴＥＣシステム３００は、別段本明細書において示されている、または記載されている場合を除き、ＨＩＴＥＣシステム２００と実質的に同様であってよい。ＨＩＴＥＣシステム３００は、中性子生成物質３０６、中性子消費物質２１０（たとえば、核分裂可能な物質３０６）、プラズマ１０４、およびベータ崩壊粒子３１０を含み得る。中性子生成物質３０６は、核分裂性（たとえば、Ｕ－２３５）または親物質（たとえば、Ｕ－２３８）とすることができる。これに関して、核分裂性の中性子生成物質３０６は、中性子２０４を吸収した後、核分裂反応可能であり得、一方、親物質の中性子生成物質３０６は、中性子２０４を吸収した後、核分裂反応することができないものであり得る。

【0031】

動作中、ＨＩＴＥＣシステム３００は、中性子源２０２を使用し、中性子生成物質３０６によって吸収され得る中性子２０４を生成する。中性子２０４を吸収した後、中性子生成物質３０６は、核分裂し得る。特に、中性子生成物質３０６が中性子２０４を吸収したとき、中性子生成物質３０６は不安定になり核分裂片２０８に分割され、その過程でいくつかの新しい中性子２０４を放つ。いくつかの例では、中性子生成物質３０６が中性子２０４を吸収したとき、中性子生成物質３０６は、重および／または軽核分裂片２０８ならびにいくつかの中性子２０４を生成する。核分裂過程からの放たれた中性子２０４は、次いで中性子生成物質３０６内に吸収され得、追加の核分裂片２０８を生み出し、追加の中性子２０４を放つ。

【0032】

ＨＩＴＥＣシステム３００が動作するとき、核分裂片２０８は、ベータ崩壊過程を受け得る。特に、核分裂過程によって発生する核分裂片２０８はベータ崩壊し、その場合、本明細書で「ベータ崩壊粒子３１０」と称される追加の電子を放つことによって核分裂片２０８がその中性子２０４のうちの１つを陽子３１２に変換する。核分裂片２０８のベータ崩壊反応は、以下の式によって説明することができる。

【0033】

【数2】

ここで、Ｘは親原子核（parent nucleus）、Ｘ’は娘核（daughter nucleus）、Ｚは陽子数、Ｎは中性子数、Ａは陽子数と中性子数の和、ｅ^－は電子、および

【0034】

【数3】

は反ニュートリノ（antineutrino）である。

【0035】

ベータ崩壊過程から放たれたベータ崩壊粒子３１０は、エミッタ１０２とコレクタ１０６との間のプラズマ１０４に入り、プラズマ１０４をイオン化する。ベータ崩壊粒子３１０は、エミッタ１０２から放出される電子１１２よりはるかに高いエネルギーを含む。ベータ崩壊粒子３１０のより高いエネルギーは、エミッタ１０２から放出される電子１１２に比べて数桁多いプラズマ１０４原子をベータ崩壊粒子３１０がイオン化することを可能にし、それにより、ＨＩＴＥＣシステム３００によって生成される電気の量、およびその全体的な効率を増大する。たとえば、ベータ崩壊粒子３１０は、上記の過程によってプラズマ１０４をイオン化し、それにより、（ｉ）電子１１２がエミッタ１０２からプラズマ１０４を通ってコレクタ１０６に流れることを可能にし、（ｉｉ）ＨＩＴＥＣシステム３００の効率を増大する。これに関して、ベータ崩壊粒子３１０は、プラズマ１０４中の中性重金属粒子の蓄積を生み出すことなくプラズマ１０４をイオン化することができる。特に、ベータ崩壊過程からイオン化のためにベータ崩壊粒子３１０を使用することは、図２に関して上記したＨＩＴＥＣシステム２００の動作中、核分裂片２０８を使用してプラズマ１０４をイオン化したとき生じる中性重金属粒子蓄積をもたらさない核分裂片２０８の間接的な使用をもたらすことができる。

【0036】

いくつかの実施例では、中性子活性化は、中性子２０４が中性子消費物質２１０によって吸収され、中性子消費物質２１０中で放射能を生じさせる（たとえば、アルファ崩壊、ベータ崩壊、ガンマ崩壊）とき行われ得る。特に、中性子消費物質２１０は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受け得る。中性子消費物質２１０が中性子２０４を吸収したとき、中性子消費物質２１０はベータ崩壊する。したがって、中性子消費物質２１０は、中性子活性化によって、プラズマ１０４に入るベータ崩壊粒子３１０を生成し得る。

【0037】

図４は、ＨＩＴＥＣシステム（たとえば、ＨＩＴＥＣシステム３００）を使用する燃料セル４００を示す。燃料セル４００は、エミッタ１０２、プラズマ１０４、コレクタ１０６、中性子減速物質４０８、および燃料４１０を含み得る。燃料４１０は、中性子生成物質３０６、中性子消費物質２１０、および中性子減速物質４０８を、正味の中性子を生成することなく中性子をベータ崩壊粒子３１０に変換することが可能な比率で含み得る。燃料４１０は、燃料４１０内で核分裂片２０８を保持し、一方、ベータ崩壊粒子３１０が燃料４１０から脱出しイオン化のためにプラズマ１０４に入ることを可能にする薄いクラッディング４１２を含み得る。燃料４１０内で核分裂片２０８を保持することによって、薄いクラッディング４１２は、核分裂片２０８がイオン化のためにプラズマ１０４に入るのを防止し、したがって、中性重金属粒子の前述の蓄積を防止し、一方、ベータ崩壊粒子３１０がプラズマ１０４をイオン化することを依然として可能にする。いくつかの例では、薄いクラッディング４１２は、放射性物質（すなわち、核分裂片２０８）が環境に入るのを防止するための追加の安全機構を提供する。いくつかの実施例では、薄いクラッディング４１２の厚さＴ１は、１５ミクロン未満である。特に、薄いクラッディングの厚さＴ１は、１０ミクロンと１００ミクロンとの間であってよい。いくつかの実施例では、薄いクラッディングの厚さＴ１は、実質的に１０ミクロンに等しい（＋／－１０％）。特に、クラッディング４１２の厚さＴ１は、燃料４１０の厚さＴ２の０．２５％と１．２５％との間であってよい。いくつかの例では、クラッディング４１２の厚さＴ１は、燃料４１０の厚さＴ２の０．５％と１％との間である。これに関して、ベータ粒子３１０の範囲は、薄いクラッディング４１２、特に、厚さＴ２に対する厚さＴ１の比率が、燃料要素４１０内での核分裂片２０８の保持、およびそのイオン化のためにプラズマ１０４にベータ粒子３１０を放つことを可能にし、これが次いでシステム２００に対して燃料セル４００およびシステム３００の効率を増大するように、核分裂片２０８の範囲より２から３桁まで大きくてもよい。

【0038】

中性子減速物質４０８は、やはり中性子を吸収しない軽量物質（たとえば、黒鉛）を含み得る。図４に示されているように燃料４１０は、燃料セル４００の中央部分に配置され得る。エミッタ１０２は、燃料４１０周りに（たとえば、囲んで）配置され得る。プラズマ１０４は、エミッタ１０２が燃料４１０とプラズマ１０４との間に配置されるように、エミッタ１０２周りに（たとえば、囲んで）配置され得る。コレクタ１０６は、プラズマ１０４がコレクタ１０６とエミッタ１０２との間に配置されるように、プラズマ１０４周りに（たとえば、囲んで）配置され得る。中性子減速物質４０８は、コレクタ１０６周りに（たとえば、囲んで）配置され得る。クラッディング４１２は、燃料４１０周りに、燃料４１０とエミッタ１０２との間に配置され得る。

【0039】

燃料セル４００は、電子１１２をエミッタ１０２からコレクタ１０６に伝導することによって電気エネルギーを発生させ得る。プラズマ１０４は、導電性媒体として働くようにエミッタ１０２とコレクタ１０６との間にあってよい。これに関して、プラズマ４０４が電子１１２を伝導するためには、非イオン化状態にあるプラズマ４０４は電子１１２をエミッタ１０２からコレクタ１０６に伝導しないので、プラズマ１０４はイオン化されなければならない。イオン化されているとき、プラズマ１０４は、電子１１２がエミッタ１０２からコレクタ１０６に流れることを可能にし得る。

【0040】

図３および図４を参照すると、燃料セル４００は、ＨＩＴＥＣシステム３００を使用し、プラズマ４０４をイオン化し得る。たとえば、中性子源２０２は、前述のように核分裂過程を受ける中性子２０４を生成し得る。中性子減速物質４０８は、中性子２０４が追加の核分裂過程を受ける可能性を増大し、それにより核分裂連鎖反応を引き起こすために、核分裂過程から生まれた中性子２０４が移動する速度を低減し得る。核分裂過程は核分裂片２０８を生み出し、核分裂片はさらに崩壊してベータ崩壊粒子３１０を生み出す。ベータ崩壊過程は、前述のようにベータ崩壊粒子３１０を放つことによって中性子２０４を陽子３１２に変換する。次いで、ベータ崩壊粒子３１０はプラズマ１０４をイオン化するために使用され得、プラズマ１０４をイオン化状態にし、したがってプラズマ１０４を電子１１２が流通するための導電性媒体にする。さらに、核分裂片２０８は、熱電子放出のための熱を生成する。核分裂片２０８によって生成される熱は、エミッタ１０２を加熱し、より多くの電子１１２がエミッタ１０２からコレクタ１０６に放出されることを可能にする。

【0041】

図５を参照すると、ＨＩＴＥＣの方法５００が示されている。ステップ５０２では、方法５００は、電子１１２をエミッタ１０２からプラズマ１０４に放つようにエミッタ１０２を加熱する熱源を含み得る。いくつかの例では、熱源は、核分裂片２０８によって生成される熱を含む。プラズマ１０４は、電子１１２をエミッタ１０２からコレクタ１０６に伝導しない予備イオン化状態にある。ステップ５０４では、中性子源２０２は、中性子生成物質２０６によって吸収される中性子を生成する。ステップ５０６では、中性子生成物質２０６が中性子を吸収した後、中性子生成物質２０６は不安定になり核分裂片２０８に分割される。ステップ５０８では、核分裂によって生成された核分裂片２０８は、ベータ崩壊粒子３１０を放つことによって陽子３１２にベータ崩壊する。ステップ５１０では、ベータ崩壊粒子３１０は、薄いクラッディング４１２を脱出し、プラズマ１０４に入りイオン化する。ベータ崩壊粒子３１０によるプラズマ１０４のイオン化は、プラズマ１０４の負電荷を減少させ、追加の電子１１２がエミッタ１０２からプラズマ１０４内に放出されることを可能にする。ステップ５１２では、エミッタ１０２から放出された電子１１２は、プラズマ１０４を通ってコレクタ１０６に伝導され、負荷１１０を駆動することが可能な電気エネルギー を発生させる。

【0042】

本明細書で使用されている術語は、特定の例示的な構成を説明するためのものにすぎず、限定するものとすることは意図されていない。本明細書で使用されているとき、単数の冠詞「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段文脈により明らかに示されていない限り、複数形をも含むことが意図されていることがある。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は包括的なものであり、したがって、特徴、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つもしくは複数の他の特徴、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。本明細書に記載の方法ステップ、過程、および動作は、実施の順番として具体的に識別されていない限り、論じられている、または示されている特定の順番でそれらを実施することを必然的に必要とするものと解釈されるべきでない。追加または代替のステップが使用されてもよい。

【0043】

要素または層が別の要素または層「上にある」「に係合されている」「に接続されている」「に取り付けられている」または「に結合されている」と称されるとき、他方の要素もしくは層上に直接あっても、係合されていても、接続されていても、取り付けられていても、結合されていてもよく、または介在する要素もしくは層が存在してもよい。対照的に、或る要素が別の要素または層「上に直接ある」「に直接係合されている」「に直接接続されている」「に直接取り付けられている」または「に直接結合されている」と称されるとき、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係を説明するために使用される他の語も同様に解釈されるべきである（たとえば、「間」対「直接間」「隣接する」対「直接隣接する」など）。本明細書で使用されるとき、「および／または」という用語は、関連の列挙された項目のうちの１つまたは複数の任意の組合せおよびすべての組合せを含む。

【0044】

第１、第２、第３などの用語が様々な要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションを説明するために本明細書で使用されることがある。これらの要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるべきでない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、またはセクションを別の領域、層、またはセクションから区別するためだけに使用され得る。「第１」「第２」などの用語、および他の数の用語は、文脈により明らかに示されていない限り、順序または順番を暗示しない。したがって、下記で論じられる第１の要素、構成要素、領域、層、またはセクションは、例示的な構成の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、またはセクションと呼ぶことができる。

【0045】

本願発明の実施形態は、例えば、次のとおりである。
［実施形態１］
核燃料セルにおいて、
正味の中性子生成物質と、
中性子消費物質と、
中性子減速物質とを含み、
前記正味の中性子生成物質、前記中性子減速物質、および前記中性子消費物質が中性子源に暴露されたとき、（ｉ）前記中性子消費物質および（ｉｉ）前記中性子減速物質に対する前記正味の中性子生成物質の比率は、正味の中性子を生成することなく中性子を荷電粒子に変換するように作用可能なものである、核燃料セル。
［実施形態２］
前記正味の中性子生成物質は、核分裂性である、実施形態１に記載の核燃料セル。
［実施形態３］
前記正味の中性子生成物質は、親物質である、実施形態１に記載の核燃料セル。
［実施形態４］
前記正味の中性子生成物質は、核分裂する、実施形態１に記載の核燃料セル。
［実施形態５］
前記中性子消費物質は、中性子活性化を受ける、実施形態１に記載の核燃料セル。
［実施形態６］
前記中性子消費物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける、実施形態５に記載の核燃料セル。
［実施形態７］
前記中性子消費物質に対する前記正味の中性子生成物質の前記比率は、プラズマをイオン化するための荷電粒子を生成することが可能である、実施形態１に記載の核燃料セル。
［実施形態８］
発電する方法において、
第１の物質を用いて複数の中性子を生成することと、
第２の物質を用いて前記複数の中性子のうちの少なくとも１つを消費することと、
第３の物質を用いて或る量の前記複数の中性子を減速することと、
前記第１の物質、前記第２の物質、および前記第３の物質を中性子源に暴露することと、
中性子を生成することなく前記複数の中性子のうちの少なくとも１つを荷電粒子に変換することとを含む方法。
［実施形態９］
前記第１の物質は、核分裂性である、実施形態８に記載の方法。
［実施形態１０］
前記第１の物質は、親物質である、実施形態８に記載の方法。
［実施形態１１］
前記第１の物質は、核分裂する、実施形態８に記載の方法。
［実施形態１２］
前記第２の物質は、中性子活性化を受ける、実施形態８に記載の方法。
［実施形態１３］
前記第２の物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける、実施形態１２に記載の方法。
［実施形態１４］
前記荷電粒子を用いてプラズマをイオン化することをさらに含む、実施形態８に記載の方法。
［実施形態１５］
核燃料セルにおいて、
厚さＴ１を画定する正味の中性子生成物質と、
中性子消費物質と、
中性子減速物質と、
前記正味の中性子生成物質を囲み、第２の厚さＴ２を画定するクラッディングとを含み、
前記厚さＴ２に対する前記厚さＴ１の比率は、エミッタからコレクタへの電子の伝達率を増大するように作用可能なものである、核燃料セル。
［実施形態１６］
前記正味の中性子生成物質は、核分裂性である、実施形態１５に記載の核燃料セル。
［実施形態１７］
前記正味の中性子生成物質は、親物質である、実施形態１５に記載の核燃料セル。
［実施形態１８］
前記正味の中性子生成物質は、核分裂する、実施形態１５に記載の核燃料セル。
［実施形態１９］
前記中性子消費物質は、中性子活性化を受ける、実施形態１５に記載の核燃料セル。
［実施形態２０］
前記中性子消費物質は、ベータ崩壊過程において中性子活性化を受ける、実施形態１９に記載の核燃料セル。
前述の説明は、例示および説明のために提供されている。網羅的であることも本開示を限定することも意図されていない。特定の構成の個々の要素または特徴は、概してその特定の構成に限定されず、適用可能な場合、相互交換可能であり、具体的に示されても記載されてもいない場合でさえ、選択された構成に使用することができる。また、同じことが、多数の仕方で変わることもある。そのような変形形態は、本開示からの逸脱とみなされるべきでなく、そのような変更すべてが本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】