РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЕНЕРГІЇ БЕТА-ВИПРОМІНЮВАННЯ ТРИТІЮ В ЕЛЕКТРИЧНУ
Радіоізотопні джерела електроенергії можна умовно розділити на дві групи - теплові і нетеплові перетворювачі енергії. В області порівняно великих потужностей найбільше поширення одержали теплові радіоізотопні джерела електроенергії, до яких можна віднести електродинамічні, термоемісійні і термоелектричні перетворювачі теплової енергії в електричну. У діапазоні міліватних потужностей використовуються переважно нетеплові перетворювачі енергії (атомні батареї з прямим збиранням зарядів, з подвійним перетворенням енергії, на контактній різниці потенціалів, на p-n-переході й ін.).
Кожне з цих джерел володіє як властивими йому перевагами, так і недоліками, позитивний баланс яких визначає його придатність до використання в кожному конкретному випадку.
У цьому розділі буде приведено аналіз фізико-технічних характеристик радіоізотопних джерел електрики та результати авторських досліджень і розробок, що направлені на створення джерел електроенергії на основі тритію.
2.1. Теплові перетворювачі енергії випромінювання радіоактивного розпаду
При поглинанні в радіоізотопному паливі чи в конструкційному матеріалі паливної ампули ядерних частинок чи електромагнітного випромінювання, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду ізотопу, частина їхньої енергії перетворюється в теплову. Цю енергію можна перетворити в електричну одним з відомих і апробованих раніше методів. Таке двоступінчасте перетворення енергії обмежує ККД величиною 50% [19].
2.1.1. Електродинамічні перетворювачі енергії
Електродинамічні перетворювачі теплової енергії є важливим і перспективним напрямком радіоізотопної енергетики. Історично цей метод розглядався докладно одним з перших, але на початку 60-х років був витіснений на другий план, оскільки конструктивні елементи не могли забезпечити довгострокову автономність роботи, що визначалась періодом напіврозпаду палива. В теперішній час на новому рівні техніки і технології електродинамічні методи вважаються одними з найбільш перспективних [19].
Електродинамічні перетворювачі теплової енергії будуються на основі термодинамічних циклів Карно, Стерлінга, Брайтона, Ренкіна в залежності від умов роботи і інших вимог до параметрів джерел електроенергії.
Системи з динамічним перетворенням енергії використовуються звичайно в діапазоні електричних потужностей від ста до декількох десятків тисяч Ват. При потужностях електродинамічних перетворювачів менше 100 Вт різко падає ККД джерела електроенергії.
Цей факт, а також значні габарити роблять їх непридатними для використання у міліватному діапазоні потужностей.
2.1.2. Термоемісійні перетворювачі енергії розпаду
Термоемісійний метод перетворення теплової енергії в електричну заснований на використанні двох фізичних явищ - термоелектронної емісії й контактної різниці потенціалів, що виникає між поверхнями двох різнорідних тіл, електричко зв'язаних один з одним, що мають і різні роботи виходу. Джерелом тепла тут є енергія, що втрачається у середовищі частинками і випромінюванням, які виникають в результаті радіоактивного розпаду радіоізотопного палива.
Прийнято виділяти чотири режими роботи термоемісійних перетворювачів [19]:
1) Вакуумний з об'ємним зарядом (поверхнева й об'ємна іонізація частинок середовища відсутня чи зневажливо мала, l /d >> 1, де l - довжина вільного пробігу електрона, d - величина міжелектродного проміжку);
2) Квазивакуумний з компенсацією об'ємного заряду (має місце поверхнева іонізація частинок середовища на гарячих електродах, при якій відношення густини струму електронів і позитивних іонів jt/jp близько до (M/m)1/2, де M і m - маси іона й електрона відповідно; l /d >> 1);
3) Дифузійний (спостерігається поверхнева іонізація частинок середовища; l /d << 1);
4) Дуговий (мається поверхнева й об'ємна іонізація; l /d << 1).
Найбільш ефективним з перерахованих режимів є вакуумний. Внутрішній опір джерела, що працює в цьому режимі, дорівнює нулю (вірніше, термодинамічному опору). Для збільшення ефективності перетворення відстань між емітером і колектором d повинна бути мінімально можливою. Можна не зменшувати d, якщо наповнити зазор парами цезію для компенсації об'ємного заряду, у цьому випадку реалізується другий режим роботи термоемісійного перетворювача. Однак, для практичного використання цих режимів потрібні матеріали з високою температурою плавлення при низькій роботі виходу. Оскільки таких матеріалів у даний час немає, ці два режими можна вважати мало перспективними.
Прикладом термоемісійних перетворювачів такого типу може служити пристрій з наступними граничними розрахунковими параметрами [19]: площа поверхонь циліндричних електродів до 100 см2, площа поверхні плоских електродів до 20 см2, міжелектродна відстань до 0,05 мм, температура емітера до 1973 К, температура колектора до 973 К, тиск цезієвого пару в міжелектродному проміжку до (700-800) Па. При цьому можуть бути отримані: густина електричної потужності - до 30 Вт/см2, напруга, що відповідає максимальній вихідній потужності, - до 0,7 В, густина струму короткого замикання - до 100 А/см2, тривалість безупинної роботи - не менш 20000 годин, ефективність перетворення - до 20% [19].
Високі питомі електричні параметри можуть бути забезпечені лише при досить великих питомих теплових потоках через їхні електроди. У випадку радіоізотопних джерел тепла це приводить до суперечливих вимог, оскільки для досягнення великих теплових потоків необхідна висока густина тепловиділення джерела й ефективна теплова ізоляція. Ефективність теплової ізоляції - монотонно спадаюча функція температури, а об'єм радіоізотопного джерела зростає з підвищенням його температури унаслідок вимог міцності, тому досягти на практиці приведені граничні характеристики термоемісійних перетворювачів досить складно, якщо можливо взагалі.
У ро