特表 2024-507569 照射体およびその他のガンマ線源を用いた発電のための装置、システム、および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-20

(54)【発明の名称】照射体およびその他のガンマ線源を用いた発電のための装置、システム、および方法

(51)【国際特許分類】

   G21H 1/04 20060101AFI20240213BHJP

【ＦＩ】

G21H1/04

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023551658

(86)(22)【出願日】2022-02-23

(85)【翻訳文提出日】2023-10-16

(86)【国際出願番号】 US2022070784

(87)【国際公開番号】W WO2022183180

(87)【国際公開日】2022-09-01

(31)【優先権主張番号】63/153,628

(32)【優先日】2021-02-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】501010395

【氏名又は名称】ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100091568

【弁理士】

【氏名又は名称】市位 嘉宏

(72)【発明者】

【氏名】ヘイベル、マイケル、ディー

(57)【要約】

本願では、照射体（１０２）およびその他のガンマ線源を用いた発電のための装置、システム、および方法を開示する。様々な態様において、照射体ベースの発電デバイス（１００）を開示する。当該発電デバイスは、照射体（１０２）を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成された放射体材料を含む放射体層（１０４）と、当該放射体層（１０４）を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成された電気絶縁材料を含む電気絶縁層（１０８）と、当該電気絶縁層（１０８）を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成された集電体材料を含む集電体層（１１０）とを含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

照射体ベースの発電デバイスであって、
照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成された放射体材料を含む放射体層と、
当該放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成された電気絶縁材を含む電気絶縁層と、
当該電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成された集電体材料を含む集電体層と、
当該照射体、当該放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合された正端子接続部と、
当該集電体層に電気的に結合された負端子接続部とを備える照射体ベースの発電デバイス。

【請求項2】

照射体をさらに備える、請求項１の発電デバイス。

【請求項3】

前記照射体が減損した照射体を備える、請求項２の発電デバイス。

【請求項4】

前記照射体が、コバルト－６０、セシウム－１３７、またはそれらの組み合わせを含む、請求項２の発電デバイス。

【請求項5】

前記放射体材料がタングステンを含む、請求項１の発電デバイス。

【請求項6】

前記電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、請求項１の発電デバイス。

【請求項7】

熱捕集接続部をさらに備える、請求項１の発電デバイス。

【請求項8】

複数の照射体ベースの発電デバイスを含む照射体ベースの発電システムであって、
当該複数の発電デバイスの各々は、
照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたデバイス放射体材料を含むデバイス放射体層と、
当該デバイス放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたデバイス電気絶縁材を含むデバイス電気絶縁層と、
当該デバイス電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたデバイス集電体材料を含むデバイス集電体層と、
当該照射体、当該デバイス放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合されたデバイス正端子接続部と、
当該デバイス集電体層に電気的に結合されたデバイス負端子接続部とを備え、
当該照射体ベースの発電システムはさらに、
当該複数の発電デバイスの当該デバイス正端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、
当該複数の発電デバイスの当該デバイス負端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム負端子接続部とを備えることを特徴とする、照射体ベースの発電システム。

【請求項9】

請求項８の発電システムであって、
前記複数の照射体ベースの発電デバイスを少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたシステム放射体材料を含むシステム放射体層と、
当該システム放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたシステム電気絶縁材を含むシステム電気絶縁層と、
当該システム電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたシステム集電体材料を含むシステム集電体層とを備え、当該システム集電体層は前記システム負端子接続部に電気的に結合されていることを特徴とする発電システム。

【請求項10】

前記システム放射体材料がタングステンを含む、請求項９に記載の発電システム。

【請求項11】

前記システム電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、請求項９の発電デバイス。

【請求項12】

システム熱捕集接続部をさらに備える、請求項９の発電システム。

【請求項13】

前記複数の発電デバイスの各々が前記照射体を備える、請求項８の発電システム。

【請求項14】

前記照射体が減損した照射体を備える、請求項１３の発電システム。

【請求項15】

前記照射体が、コバルト－６０、セシウム－１３７、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１３の発電システム。

【請求項16】

照射体ベースの発電システムであって、
複数の照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたシステム放射体材料を含むシステム放射体層と、
当該システム放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたシステム電気絶縁材を含むシステム電気絶縁層と、
当該システム電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたシステム集電体材料を含むシステム集電体層と、
当該システム放射体層に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、
当該システム集電体層に電気的に結合されたシステム負端子接続部とを備える、照射体ベースの発電システム。

【請求項17】

前記システム放射体材料がタングステンを含む、請求項１６の発電システム。

【請求項18】

前記システム電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、請求項１６の発電デバイス。

【請求項19】

システム熱捕集接続部をさらに備える、請求項１６の発電システム。

【請求項20】

複数の前記照射体をさらに備える、請求項１６の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、参照によりその全てが本願に組み込まれる２０２１年２月２５日に出願された「ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＤＥＶＩＣＥ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＥＤ ＵＳＩＮＧ ＤＥＰＬＥＴＥＤ ＣＯ－６０ ＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＡＮＤ ＵＳＩＮＧ ＳＡＭＥ」と題する米国仮特許出願第６３／１５３，６２８号の利益および優先権を主張する。

【0002】

本開示は、概して、例えば減損したコバルト－６０（Ｃｏ－６０）照射体などのガンマ線源を用いて発電するための装置、システム、および方法に関する。本願で説明する装置、システム、および方法を用いて生成される出力は、電力、熱、またはそれらの組み合わせの形態であってよい。

【発明の概要】

【0003】

以下の概要は、本願で開示する態様に特有のいくつかの革新的な特徴を理解しやすくするためのものであり、完全な記述を意図するものではない。本願で開示する様々な態様を完全に理解するには、明細書、請求項、および要約書の全体を総合的にとらえる必要がある。

【0004】

様々な態様において、照射体ベースの発電デバイスを開示する。いくつかの態様において、照射体ベースの発電は、照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成された放射体材料を含む放射体層と、当該放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成された電気絶縁材を含む電気絶縁層と、当該電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成された集電体材料を含む集電体層と、当該照射体、当該放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合された正端子接続部と、当該集電体層に電気的に結合された負端子接続部とを備える。

【0005】

様々な態様において、照射体ベースの発電システムを開示する。いくつかの態様において、照射体ベースの発電システムは、複数の照射体ベースの発電デバイスを含む。当該複数の発電デバイスの各々は、照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたデバイス放射体材料を含むデバイス放射体層と、当該デバイス放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたデバイス電気絶縁材を含むデバイス電気絶縁層と、当該デバイス電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたデバイス集電体材料を含むデバイス集電体層と、当該照射体、当該デバイス放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合されたデバイス正端子接続部と、当該デバイス集電体層に電気的に結合されたデバイス負端子接続部とを備える。当該照射体ベースの発電システムは、当該複数の発電デバイスの当該デバイス正端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、当該複数の発電デバイスの当該デバイス負端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム負端子接続部とをさらに含むことができる。

【0006】

様々な態様において、照射体ベースの発電システムを開示する。いくつかの態様において、照射体ベースの発電システムは、複数の照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたシステム放射体材料を含むシステム放射体層と、当該システム放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたシステム電気絶縁材を含むシステム電気絶縁層と、当該システム電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたシステム集電体材料を含むシステム集電体層と、当該システム放射体層に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、当該システム集電体層に電気的に結合されたシステム負端子接続部とを備える。

【0007】

本開示の上記および他の目的、特徴および性質、関連する構造要素の操作方法および機能、部品の組み合わせ、ならびに製造の経済性は、いずれも本明細書の一部を構成する添付図面を参照して以下の説明および添付の特許請求の範囲を読めばより明白になるであろう。様々な図面の中で使用している同じ参照符号は、対応する構成要素を指している。ただし、添付図面はもっぱら例示および解説のためのものであり、本願で開示する態様の範囲を限定するものではないことを明確に理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【0008】

本願に記載する様々な態様ならびにその目的および利点は、以下の添付図面と併せて以下の説明を参照することにより、最も理解が深まるであろう。

【0009】

【図1】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、電源素子の軸方向断面図である。

【0010】

【図2】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、図１の電源素子の半径方向断面図である。

【0011】

【図3】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、照射体を含む照射体ベースの発電デバイスの概略断面図である。

【0012】

【図4】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、例示的な照射体の部分断面図である。

【0013】

【図5】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、複数の照射体ベースの発電デバイスを含む照射体ベースの発電システムの平面概略図である。

【0014】

【図6】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、図５の照射体ベースの発電システムの概略断面図である。

【0015】

【図7】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、複数の照射体線源を含む照射体ベースの発電システムの平面概略図である。

【0016】

【図8】本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、図７の照射体ベースの発電システムの概略断面図である。

【0017】

同一の参照符号は、いくつかの図面を通して対応する部品を指している。本願に記載された実施例は、本発明の様々な態様の一形態を示すものであり、かかる例示は、本開示のいかなる態様についてもその範囲を限定的に解釈するものでないことを理解されたい。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本願に記載され、添付の図面に例示されているような態様の全体的構造、機能、製造、および使用について深く理解できるよう、数多くの具体的な詳細事項を記載する。本願に記載された態様が不明瞭になることを避けるため、よく知られた操作、構成部品、および要素については詳述しない。読者においては、本願で説明および図示する態様が非限定的な例であり、したがって、本願で開示する特定の構造および機能の詳細が代表的かつ例示的であり得ることを理解されたい。これらの実施形態は、本願の特許請求の範囲から逸脱することなく変形・変更される可能性がある。

【0019】

以下の説明において、同一参照記号は、いくつかの図面を通して同一のまたは対応する部品を指すものである。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上、下、上方へ、下方へなどの用語は便宜的に使用するものであり、限定的に解釈するものでないことを理解されたい。

【0020】

原子炉の燃料要素から放出される放射線は、放射性物質を生成するために利用することができる。例えば、コバルトの非放射性同位体であるコバルト－５９（本願では「Ｃｏ－５９」とも称する）を原子炉炉心内で放射線に曝すことにより、コバルト－５９からコバルト－６０（本願では「Ｃｏ－６０」とも称する）を生成することができる。コバルト－６０は、原子力産業や他の産業で様々な用途に使われている。

【0021】

原子力産業の文脈では、コバルト－５９から生成したコバルト－６０を利用して、原子炉の様々な運転に供する電力を生成することができる。例えば、図１と図２はそれぞれ、本開示の少なくとも一つの非限定的な態様に基づく、コバルト－６０を用いて発電を行う電源素子１００の軸方向断面図および半径方向断面図を示している。電源素子内で発生する電流の主な発生源は、運転中の原子炉炉心内で核分裂および核分裂生成物から発生するガンマ線が、中空のコバルト－５９ワイヤ１０２上の白金被覆１０４内で生成させるコンプトンおよび光電効果による散乱電子である。電源素子１００が、典型的な原子炉運転サイクル中の比較的短い期間、運転中の原子炉炉心内に置かれた後、コバルト－５９が中性子を吸収して生じるコバルト－６０の崩壊によって生成されるガンマ線およびベータ線が、中央の導線１０６を介して伝達される出力電流に追加的に寄与し始める。最終的に、コバルト－５９から生成されるコバルト－６０の量は、原子炉が停止したときや、電源素子１００が炉心から取り外されたときでも、様々な炉内計装装置（図示せず）への電力供給に必要な電流を供給するのに十分な量となる。アルミナ絶縁材などの絶縁材１０８を、外鞘１１０と白金被覆１０４との間、および組立体全体と外鞘１１０との界面の周辺に介在させることができる。

【0022】

別の態様では、図１および図２に関連して上述した動作原理は、他の電源素子材料でも実現可能である。したがって、本願に記載された概念は、コバルト－５９およびコバルト－６０の使用に限定されるものではない。コバルト５９の代わりに、当初は放射性ではない他の物質を使用して発電することもできる。電源素子１００は、あらゆるタイプの原子炉に使用することができ、原子炉炉心で放出される放射線を利用して発電することにより、原子炉の運転効率を高めることができる。電源素子１００に関連する追加的な詳細および用途は、その全体が参照により本願に組み込まれる「ＩＮ－ＣＯＲＥ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＴＨＩＭＢＬＥ ＡＳＳＥＭＢＬＹ」と題する米国特許広報第１０．４３８，７０８号に記載されている。

【0023】

コバルト－６０は、原子力産業以外の様々な用途のために、原子力発電所で生産されることがある。例えば、コバルト－６０は、医療器具の滅菌、食品の保存・衛生のための照射、その他多くの目的に使用できる。セシウム－１３７（本願では「Ｃｓ－１３７」とも称する）のような他のガンマ線放出同位体も同様に、原子力発電所で生産され、照射体に使用されることがある。したがって、本願で使用する「照射体」という用語は、ガンマ線を放出する放射性同位を有する物質を含むあらゆる物体を意味することができる。

【0024】

コバルト－６０やその他の照射体は、原子力産業以外でも多くの用途があるため、そのような物質が商業目的で原子力発電所で生産される可能性がある。これらの照射体は、製造当初は数千キュリー（Ｃｉ）の放射能を持つことがある。しかし、これらの照射体は時間とともに放射能が減衰し（例えば数百キュリーの放射能範囲まで）、最終的に、減損した照射体は一部の用途で有用性を失う。本願において、「減損した照射体」という用語は、製造当初に比べて放射能が低下した照射体を意味する。いくつかの態様において、減損した照射体は、１５，０００Ｃｉ未満、４，０００Ｃｉ未満、３，０００Ｃｉ未満、２，０００Ｃｉ未満、１，５００Ｃｉ未満、１，０００Ｃｉ未満、５００Ｃｉ未満、５００～１５，０００Ｃｉの間、５００～３，０００Ｃｉの間、５００～２，５００Ｃｉの間、５００～２，０００Ｃｉの間、５００～１，５００Ｃｉの間、５００～１，０００Ｃｉの間、５０～２，０００Ｃｉの間、５０～１，０００Ｃｉの間、約５００Ｃｉ、約１，０００Ｃｉ、約１，５００Ｃｉ、約２，０００Ｃｉ、約２，５００Ｃｉ、および／または５００～３，０００Ｃｉの間の放射能を有することができる。

【0025】

現在の規制では、減損した照射体を適切に廃棄または保管することが義務付けられているが、これは、原子力発電施設などの照射体製造業者にとって極めて大きな経済的負担となり得る。この費用は、場合によっては最終的に、コバルト－６０やその他の照射体を製造する商業的利益を上回ることもあり得る。したがって、当初の目的に対して減損した照射体をその後使用するための装置、システム、方法が必要とされている。本開示は、照射体および減損した照射体（例えば減損したコバルト－６０照射体）などのガンマ線源を用いて発電するための装置、システム、および方法を提供する。

【0026】

図３は、本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、照射体３００を含む照射体ベースの発電デバイス２００の概略断面図である。いくつかの態様では、照射体３００はコバルト－６０照射体であってよい。別の態様では、照射体３００は減損したコバルト－６０照射体であってよい。さらに別の態様では、照射体３００は、セシウム－１３７などの、ガンマ線を放出できる任意の照射源であってよい。

【0027】

発電デバイス２００は、放射体層２０２、電気絶縁層２０４、および集電体（コレクタ）層２０６を含む。照射体３００は、摺動可能に放射層２０２内に挿入（２０７）されるか、あるいは別の様式で放射層２０２内に配置される。放射体層２０２は、放射体層材料を含むことができる。一態様において、放射体層材料は、原子番号が３０より大きい高Ｚ物質であり、かかる物質の原子番号は、例えば４０、５０、６０、または７０より大きくてもよい。別の態様では、放射体層材料は、タングステン、その他の高Ｚ物質、またはそれらの組み合わせであってよい。いくつかの態様では、放射体層２０２は集電体層２０６に比べて薄い。照射体３００から放出されたガンマ線は、放射体層２０２と相互作用してデルタ線（すなわち、高エネルギー電子）を放出させることができる。デルタ線は、図１および図２に関して上述した電源素子において採用された原理と同様の、コンプトンおよび光電効果による散乱に基づいて発生させることができる。

【0028】

なおも図３を参照すると、電気絶縁層２０４は、放射体層２０２と接触し、かつ／または放射体層２０２を取り囲んでもよい。さらに、電気絶縁層２０４は、酸化マグネシウムなどの電気絶縁材を含んでよい。電気絶縁層２０４は、放射体層２０２から放出されたデルタ線が電気絶縁層２０４を透過できるように薄い層として構成することができる。

【0029】

集電体層２０６は、電気絶縁層２０４と接触し、かつ／または電気絶縁層２０４を取り囲んでもよい。集電体層２０６は、電気絶縁層２０４を通過するデルタ線を捕集するように構成された材料を含む外鞘として構成することができ、かかる材料は例えば、デルタ線を捕集するように構成された金属材料であってよい。集電体層２０６によって捕集されたデルタ線は、照射体３００と集電体層２０６との間に電位差を生じさせる。

【0030】

発電デバイス２００は、集電体層２０６にネジ止め、溶接、またはその他の方法で取り付けられる（２０９）遮蔽蓋２０８を含んでよい。遮蔽蓋２０８は、集電体層２０６と同様の材料を含むことができ、集電体層２０６と電気的に接触することができる。遮蔽蓋２０８は、その中を貫通する正端子接続部２１０を含む。正端子接続部２０８は、照射体３００と電気的に接触し、遮蔽蓋２０８から絶縁されている（２０４）。発電デバイスはまた、集電体層２０６と電気的に接触する負端子接続部２１２を含むことができる。したがって、集電体層２０６と照射体３００との間の電位差を利用して、負荷抵抗２１４によって定まる電流を生成することができる。このように、発電デバイス２００を用いることにより、照射体３００を使用する発電が可能になる。

【0031】

集電体層２０６によって捕集されたデルタ線は、集電体層２０６で熱を発生させることもある。この熱は、熱捕集接続部２１６を使用して捕集することができる。捕集された熱エネルギーは、熱電変換法によって発電するために利用することができる。

【0032】

さらに図３を参照すると、いくつかの態様において、発電デバイス２００は、放射体層２０２を持たずに、電気絶縁層２０４および集電体層２０６を含むことができる。この態様において、照射体３００は、タングステンなどの原子番号が３０より大きい高Ｚ物質の薄い層で作られた管または同様の筐体内に配置またはその他の方法で固定することができ（図３には示されていない）、かかる物質の原子番号は、例えば４０、５０、６０、または７０より大きくてもよい。このような構成の発電デバイス２００によって、電力を捕集するのに必要な管構成を簡素化できる可能性がある。さらに、このような構成の発電デバイス２００によって、照射体３００の放射能が有用なレベル以下に低下した場合に、照射体３００を容易に交換することができる。

【0033】

図４は、本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、例示的な照射体３００の部分断面図である。照射体３００は照射体材料３０２を含む。照射体材料３０２は、例えばコバルト－６０やセシウム－１３７のような、ガンマ線を放出できる放射性同位体を有する任意の材料としてよい。いくつかの態様において、照射体３００は、医療機器の滅菌のために、保存・衛生の目的で食品を照射するために、または他の目的のために以前に使用された照射体のような、減損した照射体であってもよい。例えば、照射体３００は、ノルディオン社製の照射体カプセルと同様のものであってもよい。照射体３００は、減損した照射体であってもよいが、本来の目的（医療用滅菌、食品照射など）での耐用年数の終了時点でも、減損した照射体のガンマ線放射能レベルは数百キュリーほどあることが予想される。この程度の放射能でも、図３に即して上述した発電デバイス２００に適用した場合、単位長さ当たり数ミリアンペア以上の電流を発生させることができる。さらに、図６～８に即して以下で詳述するように、複数の発電デバイスおよび／または照射体をグループ化することにより、発電システム４００および／または５００を用いて所望の電気出力を得ることができる。別の態様では、照射体３００は減損した照射体でなくてもよい。例えば、原子力発電施設で製造された照射体３００を、本願で説明する発電デバイスおよびシステムで直接使用することができる。

【0034】

引き続き図４を参照すると、照射体３００は、被照射物質３０２を収容するように構成された内側カプセル３０４を含むことができる。さらに、照射体３００は、内側カプセル３０４を取り囲む本体管３０６および端部キャップを含んでよい。いくつかの態様において、照射体３００は、被照射物質３０２を固定するために必要に応じて、被照射物質３０２、内側カプセル３０４、および／または端部キャップ３０８のいずれかの間に１つ以上のスペーサ３１０を含んでよい。

【0035】

図５および図６は、本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、複数の照射体ベースの発電デバイス２００を含む照射体ベースの発電システム４００の概略図である。図５は発電システム４００の平面図であり、図６は発電システム４００のＡ－Ａ断面図である。主に図５および図６、さらには図３も参照すると、発電システム４００は、複数の照射体ベースの発電デバイス２００をグループ化することにより、所望の電力レベルを得ている。発電システム４００は、発電デバイス２００のアレイを含み、発電デバイス２００の正端子接続部２１０の各々は、発電システム４００の正端子接続部４０２に結合される。図５には６４個の発電デバイス２００が描かれているが、発電システム４００では任意の個数の発電デバイス２００を用いることができる。発電システム４００はまた、集電体層４０４と遮蔽蓋４０６とを含むことができ、遮蔽蓋４０６は、集電体層４０４に載置されるか、または他の方法で集電体層４０４に取り付けられる（４０７）。遮蔽蓋４０６を集電体層４０４に取り付ける（４０７）ことに伴い、正端子接続部４０２が遮蔽蓋４０６を貫通してもよい。集電体層４０４および遮蔽蓋４０６は、上述の集電体層２０６材料と同様の材料であってもよい。集電体層４０４は遮蔽蓋に電気的に結合されてもよい。さらに、発電デバイス２００の負端子接続部２１２は、集電体層４０４および／または遮蔽蓋４０６に電気的に結合されてもよい。遮蔽蓋４０６は、負端子接続部４０８を含んでよい。さらに、正端子接続部４０２は遮蔽蓋４０６から電気的に絶縁されていてもよい。このように、発電システム４００は、発電デバイス２００の各々を電気的に並列接続し、個々の発電デバイス２００の電力レベルよりも高い電力レベルが得られるように構成することができる。

【0036】

引き続き主に図５および図６、さらには図３も参照すると、発電システム４００は、放射体層４１０および電気絶縁層４１２を含むことができる。放射体層４１０および電気絶縁層４１２は、それぞれ放射体層２０２および電気絶縁層２０４と同様のものでよい。したがって、個々の発電デバイス２００のいずれかからガンマ線が放出されると、放射体層４１０によるデルタ線の放出が引き起こされる可能性がある。放射体層４１０から放出されたデルタ線は、電気絶縁層４１２を透過し、集電体層４０４に捕集される。これにより、集電体層４０４と放射体層４１０との間に電位差が生じる。したがって、発電システム４００は、放射体層に結合された正端子接続部４０２を含むことにより、個々の発電デバイス２００から放出されるガンマ線を利用して追加の電力を生成することができる。

【0037】

集電体層４０４によって捕集されたデルタ線は、集電体層４０４で熱を発生させることもある。この熱は、熱捕集接続部４１４を用いて捕集され、熱電変換法によって発電するために利用することができる。

【0038】

図７および図８は、本開示の少なくとも１つの非限定的な態様に基づく、複数の照射体３００を含む照射体ベースの発電システム５００を概略的に示す。図７は発電システム５００の平面図であり、図６は発電システム５００のＢ－Ｂ断面図である。主に図７および図８、さらには図４を参照すると、発電システム５００は、複数の照射体３００をグループ化して発電を行う。図７および図８には、６４個の照射体が描かれているが、発電システム５００には、任意の個数の照射体３００を使用することができる。発電システム５００内の照射体３００は、放射体層５１０、電気絶縁層５１２、および集電体層５０４の中に収められている。放射体層５１０、電気絶縁層５１２、および集電体層５０４は、それぞれ、図３に関して上述した放射体層２０２、電気絶縁層２０４、および集電体層２０６と同様のものであってよい。発電システム５００は、集電体層５０４に載置されるか、または他の方法で集電体層５０４に取り付けられる（５０７）ように構成された遮蔽蓋５０６を含んでよい。遮蔽蓋５０６は、集電体層５０４と同様の材料で作ることができる。したがって、照射体３００によって放出されたガンマ線によって、放射体層５１０からのデルタ線の放出が生じ得る。放射体層５１０から放出されたデルタ線は、電気絶縁層５１２を通過し、集電体層５０４に捕集される。これにより、集電体層５０４と放射体層５１０との間に電位差が生じる。

【0039】

引き続き図７および図８を参照すると、発電システム５００は、放射体層５１０に結合された正端子接続部５０２と、遮蔽蓋５０６に結合された負端子接続部５０８とを含むことができる。図５および図６の発電システム４００に関して上述した正端子接続部４０２と同様に、正端子接続部５０２は、遮蔽蓋５０６を貫通し（５０９）、遮蔽蓋５０６から電気的に絶縁されていてもよい。このように、発電システム５００は、個々の照射体から放出されるガンマ線から電力を生成するように構成することができる。

【0040】

集電体層５０４によって捕集されたデルタ線は、集電体層５０４で熱を発生させることもある。この熱は、熱捕集接続部５１４を用いて捕集され、熱電変換法によって発電するために利用することができる。

【0041】

本願で説明する様々な発電デバイスおよびシステムの発電能力を、以下の例で説明する。

【0042】

［例１］
減損したコバルト－６０照射体の放射能は、一般的に５００～２，０００キュリー（Ｃｉ）である。計算の便宜上、線源の放射能を約１，０００Ｃｉと仮定した。Ｍｉｒｉｏｎ ＩＳＴが提供したデータによると、タングステン自己給電型検出器（ＳＰＤ）のコバルト－６０ガンマ線感度は、９×１０^－１８Ａ／（Ｒ／ｈｒ）／ｍｍ^２以上である。この計算の便宜上、タングステン層（ＳＰＤ）の感度は約９×１０^－１８Ａ／（Ｒ／ｈｒ）／ｍｍ^２であると仮定した。上述の発電デバイス２００と同様の装置で発生する電流を計算するためには、コバルト－６０照射体の線源に関連するガンマ（γ）線量率（Ｒ／ｈｒ）が必要である。放射線遮蔽計算ツールＲａｄＰｒｏを使用し、放射能１，０００Ｃｉのコバルト－６０の想定距離１ｍｍにおけるガンマ（γ）線線量率（Ｒ）を計算し、Ｒ＝１．３×１０^１１Ｒ／ｈｒを得た。

【0043】

この計算では、総電流を計算するために、コバルト－６０照射体を取り囲むタングステン層（例示的な放射体層２０２）の表面積も必要である。Ｃｏ－６０線源を取り囲むタングステン層の表面積は、Ｃｏ－６０ペレットが含まれる長さにわたる照射体の表面積と同じであると仮定した。Ｃｏ－６０線源を取り囲むタングステン層の表面積（Ａ）は、Ａ＝π・Ｄ・Ｌ＝π・（９．６５）・（４０６）＝１２，３０８．４ｍｍ^２と計算される。

【0044】

タングステンＳＰＤの感度情報を用いると、予想される電子流（Ｉ_γ）は、Ｉ_γ＝（９×１０^－１８）（１．３×１０^１１）（１２，３０８．４）＝０．０１４４Ａ／デバイス［１，０００Ｃｉ］という関係式を用いて計算できる。

【0045】

１２５Ｖで動作するようにＲが調整されている場合、対応する電力（Ｐ）は、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝（１２５）（０．０１４４）＝１．８Ｗと計算される。

【0046】

［例２］
したがって、個々の発電デバイスを組み合わせて、図５および図６に示すような発電システムを構成すると、１２５Ｖで動作する５５６個のカプセル封入されたＣｏ－６０線源を使用して、１ｋＷの電力を生成できる計算となる。この例では、発電システムは、一辺が約２５インチの正方形で、高さが約１２インチの構造物に収まる。

【0047】

［例３］
図７および図８に示す発電システムでは、個々のコバルト－６０照射体が発電デバイス内に封入されていないため、線源アレイの外縁部以外に位置するコバルト－６０線源による寄与が実質的に失われる可能性がある。しかし、タングステン層が受ける線量率は、封入型設計におけるタングステンの線量率と本質的に同じであり、Ｒ＝１．３×１０^１１Ｒ／ｈｒとなる。

【0048】

２５インチ×２５インチ×１２インチの寸法の箱を使用する例では、箱の有効面積は１．５９３×１０^６ｍｍ^２（側面＋上面＋底面）となる。

【0049】

電子流（Ｉ_γ）の値は、Ｉ_γ＝（９×１０^－１８）（１．３×１０^１１）（１．５９３×１０^６）＝１．８６Ａという式で計算できる。

【0050】

１２５Ｖで動作するようにＲが調整されている場合、対応する電力（Ｐ）は、Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝（１２５）（１．８６）＝２３２．５Ｗと計算される。

【0051】

要約すると、例１および例２の封入型設計では、２５インチ×２５インチ×１２インチの構造体により１ｋＷを生産することができる。ガンマ線捕集設計（図５および図６の発電システムと同様）を含む例示された箱構造の設計を用いる場合、約２３２．５Ｗの追加の電力を得ることができる。例３に記載されているように、例示されたガンマ線捕集箱のみを使用し、コバルト－６０照射体線源をカプセル封入しない場合、２５インチ×２５インチ×１２インチの箱から約２３２．５Ｗの電力を得ることができる。

【0052】

［例４］
別の方策として、コバルト－６０照射体をタングステンなどの高Ｚ金属材料の管に入れ、照射体の入った管を、図３の発電デバイス２００から放射体層２０２を除いたものと同様の発電デバイスに入れる方法が考えられる。この方策によれば、発電デバイスの構造を単純化し、電力を捕集するために必要な管構成を簡素化できる可能性がある。原理的に、この方法は、放射能が有用なレベル以下に低下したときに、デバイスのコアであるＣｏ－６０線源を容易に交換することができる。

【0053】

本願に記載された発電デバイスおよび発電システムの様々な態様を、以下の条項にて提示する。

【0054】

［条項１］照射体ベースの発電デバイスであって、照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成された放射体材料を含む放射体層と、当該放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成された電気絶縁材を含む電気絶縁層と、当該電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成された集電体材料を含む集電体層と、当該照射体、当該放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合された正端子接続部と、当該集電体層に電気的に結合された負端子接続部とを備える照射体ベースの発電デバイス。

【0055】

［条項２］照射体をさらに備える条項１の発電デバイス。

【0056】

［条項３］前記照射体が減損した照射体を備える、条項１～２のいずれかに記載の発電デバイス。

【0057】

［条項４］前記照射体が、コバルト－６０、セシウム－１３７、またはそれらの組み合わせを含む、条項１～３のいずれかに記載の発電デバイス。

【0058】

［条項５］前記放射体材料がタングステンを含む、条項１～４のいずれかに記載の発電デバイス。

【0059】

［条項６］前記電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、条項１～５のいずれかに記載の発電デバイス。

【0060】

［条項７］熱捕集接続部をさらに備える、条項１～６のいずれかに記載の発電デバイス。

【0061】

［条項８］複数の照射体ベースの発電デバイスを備える照射体ベースの発電システムであって、当該複数の発電デバイスの各々は、照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたデバイス放射体材料を含むデバイス放射体層と、当該デバイス放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたデバイス電気絶縁材を含むデバイス電気絶縁層と、当該デバイス電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたデバイス集電体材料を含むデバイス集電体層と、当該照射体、当該デバイス放射体層、またはそれらの組み合わせに電気的に結合されたデバイス正端子接続部と、当該デバイス集電体層に電気的に結合されたデバイス負端子接続部とを備え、当該照射体ベースの発電システムはさらに、当該複数の発電デバイスの当該デバイス正端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、当該複数の発電デバイスの当該デバイス負端子接続部の各々に電気的に結合されたシステム負端子接続部とを備えることを特徴とする、照射体ベースの発電システム。

【0062】

［条項９］条項８に記載の発電システムであって、前記複数の照射体ベースの発電デバイスを少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたシステム放射体材料を含むシステム放射体層と、当該システム放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたシステム電気絶縁材を含むシステム電気絶縁層と、当該システム電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたシステム集電体材料を含むシステム集電体層とを備え、当該システム集電体層は前記システム負端子接続部に電気的に結合されていることを特徴とする発電システム。

【0063】

［条項１０］前記システム放射体材料がタングステンを含む、条項８～９のいずれかに記載の発電システム。

【0064】

［条項１１］前記システム電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、条項８～１０のいずれかに記載の発電システム。

【0065】

［条項１２］システム熱捕集接続部をさらに備える、条項８～１１のいずれかに記載の発電システム。

【0066】

［条項１３］前記複数の発電デバイスの各々が前記照射体を備える、条項８～１２のいずれかに記載の発電システム。

【0067】

［条項１４］前記照射体が減損した照射体を備える、条項８～１３のいずれかに記載の発電システム。

【0068】

［条項１５］前記照射体が、コバルト－６０、セシウム－１３７、またはそれらの組み合わせを含む、条項８～１４のいずれかに記載の発電システム。

【0069】

［条項１６］照射体ベースの発電システムであって、複数の照射体を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、且つガンマ線への曝露に応答してデルタ線を放出するように構成されたシステム放射体材料を含むシステム放射体層と、当該システム放射体層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を透過させるように構成されたシステム電気絶縁材を含むシステム電気絶縁層と、当該システム電気絶縁層を取り囲むように構成され、且つデルタ線を捕集するように構成されたシステム集電体材料を含むシステム集電体層と、当該システム放射体層に電気的に結合されたシステム正端子接続部と、当該システム集電体層に電気的に結合されたシステム負端子接続部とを備える照射体ベースの発電システム。

【0070】

［条項１７］前記システム放射体材料がタングステンを含む、条項１６に記載の発電システム。

【0071】

［条項１８］前記システム電気絶縁材が酸化マグネシウムを含む、条項１６～１７のいずれかに記載の発電システム。

【0072】

［条項１９］システム熱捕集接続部をさらに備える、条項１６～１８のいずれかに記載の発電システム。

【0073】

［条項２０］複数の前記照射体をさらに備える、条項１６～１９のいずれかに記載の発電システム。

【0074】

通常、本願において、特に添付の特許請求の範囲（例えば添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、一般に「非限定的（ｏｐｅｎ）」な用語として意図されていることが、当業者であればわかるであろう（例えば、用語「含めて（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は「含めるがそれに限定しない」と解釈し、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は「少なくとも～を有する」と解釈し、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は「含むがそれに限定しない」と解釈すべきである等）。さらに当業者は、導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は当該請求項において明示的に記載されるものであり、かかる記載がない場合、かかる意図は存在しないものと理解するであろう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、請求項の記載事項を導くために、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」という導入句を使用する場合がある。しかしながら、そのような句の使用は、「ａ」または「ａｎ」という不定冠詞によって請求項の記載を導入した場合に、たとえ同一の請求項内に「１つ以上の」または「少なくとも１つの」といった導入句と「ａ」または「ａｎ」といった不定冠詞が共に含まれる場合であっても、かかる導入された請求項の記載を含むいかなる特定の請求項も、かかる記載事項を１つだけ含む請求項に限定されることが示唆される、と解釈すべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、通常、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味すると解釈すべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するために定冠詞を使用している場合にも当てはまる。

【0075】

また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、通常「少なくとも記載された数」を意味すると解釈すべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語を伴わずに「２つの記載事項（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」が記載されている場合、通常少なくとも２つの記載事項、または２つ以上の記載事項を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどの少なくとも１つ」に類似する慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢの両方、ＡとＣの両方、ＢとＣの両方、ならびに／またはＡとＢとＣのすべてなどを有するシステムを含むが、それらに限定されない）。さらに、「Ａ、Ｂ、またはＣなどの少なくとも１つ」に類似する慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢの両方、ＡとＣの両方、ＢとＣの両方、ならびに／またはＡとＢとＣの全てなどを有するシステムを含むが、それらに限定されない）。一般的に、２つ以上の選択的な用語を表す選言的な語および／または句は、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、当該用語のうちの１つ、当該用語のいずれか、または当該用語の両方を含む可能性を企図すると理解されるべきであることも、当業者には理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、一般的に「Ａ」、「Ｂ」、または「ＡおよびＢ」の可能性を含むものと理解されよう。

【0076】

「一態様（ｏｎｅ ａｓｐｅｃｔ）」、「ある態様（ａｎ ａｓｐｅｃｔ）」、「ある（実施）例（ａｎ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、「一（実施）例（ｏｎｅ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」などへの参照は、その態様に関連して記載される特定の特徴物、構造、または特性が少なくとも１つの態様に含まれることを意味することは、特記に値する。したがって、本願の全体を通じて様々な箇所に見られる句「一態様では（ｉｎ ｏｎｅ ａｓｐｅｃｔ）」、「ある態様では（ｉｎ ａｎ ａｓｐｅｃｔ）」、「ある（実施）例では（ｉｎ ａｎ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、および「一（実施）例では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」は、必ずしも全てが同じ態様を指すものではない。さらに、特定の特徴物、構造、または特性は、１つ以上の態様において任意の適当な様式で組み合わせることができる。

【0077】

本願で参照され、かつ／または任意の出願データシートに列挙される任意の特許出願、特許、非特許刊行物、または他の開示資料は、組み込まれる資料が本願と矛盾しない範囲で、参照により本願に組み込まれる。そのため、必要な範囲において、本願に明瞭に記載された開示内容は、それと矛盾のある、参照により本願に組み込まれた資料に優先するものとする。既存の定義、見解、または本願に記載されたその他の開示内容と矛盾する任意の内容またはその一部は、参照により本願に組み込まれるが、組み込まれる内容と既存の開示内容との間に矛盾が生じない範囲においてのみ組み込まれるものとする。

【0078】

「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」の語およびその派生語（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」など）、「有する（ｈａｖｅ）」の語およびその派生語（「ｈａｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」など）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」の語およびその派生語（「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」など）、「包有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」の語およびその派生語（「ｃｏｎｔａｉｎｓ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」など）は、非限定的な連結動詞である。すなわち、１つ以上の要素を「備える」、「有する」、「含む」、または「包有する」システムは、当該１つ以上の要素を有しているが、当該１つ以上の要素のみを有することに限定されるものではない。同様に、１つ以上の特徴物を「備えている」、「有する」、「含む」、または「包有する」システム、装置、または機器の要素は、当該１つ以上の特徴物を有しているが、当該１つ以上の特徴物のみを有することに限定されるものではない。

【0079】

本開示で使用される「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「およそ（ａｂｏｕｔ）」、または「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、特に指定がない限り、当業者によって決定される特定の値に対する許容誤差を意味し、これは値がどのように測定または決定されるかに部分的に依存する。特定の実施形態において、用語「実質的に」、「およそ」、または「約」は、標準偏差の１、２、３、または４倍の範囲内を意味する。特定の実施形態において、用語「実質的に」、「およそ」、または「約」は、所定の値から５０％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、または０．０５％以内の範囲を意味する。

【0080】

要約すると、本願に記載された概念を採用することによって得られる多くの利点を記載してきた。１つ以上の形態に関する上述の記載は、例示と説明の目的で提示されているものであり、開示された正確な形態を網羅的または限定的に示すことを意図するものではない。上記の教示に照らして、改修または変形が可能である。当該１つ以上の形態は、原理および実際の応用について例示し、それによって、様々な形態を様々な改修例と共に、想到される特定の用途に適するものとして、当業者が利用できるようにするために選択・説明したものである。本明細書と共に提示される特許請求の範囲によって、全体的な範囲が定義されることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】