УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ВНУТРИАТОМНОЙ ЗА СЧЕТ РАДИОАКТИВНОГО АЛЬФА- ИЛИ БЕТА-РАСПАДА Российский патент 1998 года по МПК G21H1/00 G21H1/02 

Изобретение относится к устройствам для получения электроэнергии за счет радиоактивного распада атомов. Оно может быть использовано для создания электростанций нового типа, работающих на отходах атомных электростанций, использующих в качестве ядерного топлива изотопы урана и плутония.

Известно устройство, называемое атомной электростанцией [1], в котором внутриядерная энергия выделяется в атомном реакторе в виде тепла за счет управляемого цепного деления атомных ядер изотопов урана и плутония.

Тепло, выделяющееся при делении ядер, используют для нагрева водяного пара, который приводит в движение паровую турбину и связанный с ней электрогенератор, и таким образом внутриатомная энергия преобразуется в электрическую.

Недостаток этого устройства - сложность: кроме источника энергии (атомного реактора) необходимы сложная система паробразования, паровая турбина и электрогенератор.

Дополнительный недостаток этого устройства в том, что большая часть внутриатомной энергии превращается в тепло, а меньшая - в электроэнергию и потому КПД действия устройства невелик.

Вторым дополнительным недостатком является трудность использования и захоронения отработанного ядерного топлива, содержащего огромное количество радиоактивных изотопов-продуктов ядерного деления.

Известны также атомные батареи прямого действия [2-4], содержащие эмиттер в виде металлической поверхности, на которую нанесен тонкий слой толщиной 25 - 100 мкм радиоактивного материала, распадающегося по схеме альфа- или бета-распада, и расположенную рядом с зазором вторую подобную металлическую поверхность без радиоактивного материала, называемую коллектором. В зазоре между эмиттером и коллектором создают вакуум. Электрически заряженные радиоактивные альфа- или бета-частицы, вылетающие с поверхности эмиттера, долетают до коллектора, в результате чего и на эмиттере и коллекторе скапливаются электрические заряды противоположного знака и между эмиттером и коллектором возникает значительная разность потенциалов. В целом такая атомная батарея прямого действия является самозаряжающимся электрическим конденсатором. Если замкнуть эмиттер и коллектор внешней электрической цепью, то через нее потечет постоянный ток, который может быть использован потребителями электроэнергии.

Главным недостатком всех ранее разрабатываемых батарей прямого действия было то, что, хотя принципиально было ясно, что эти батареи очень перспективны и могут вырабатывать большую мощность, на практике все изготовленные экспериментальные образцы давали ток от 10^-11 А до нескольких микроампер или нескольких десятков микроампер при мощности в несколько милливатт. Такие источники тока не представляли практического интереса для энергетики.

Дополнительным недостатком ранее известных [2-4] атомных батарей прямого действия была их малая надежность, так как эмиттер изготавливали из тонкой металлической фольги толщиной 25 - 100 мкм, которая легко деформировалась под влиянием механических или электростатических сил, и батарея выходила из строя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является атомная батарея прямого действия, предложенная в патенте США [5] в 1950 г. в виде абстрактной принципиальной схемы, принятая в данной заявке за прототип. В этом устройстве эмиттер был выполнен в виде замкнутой сферы и расположен в центре другой сферы, которая являлась коллектором. Обе сферы были металлическими. Толщина радиоактивного слоя на поверхности эмиттера и размеры сфер не оговаривались. Эмиттер и коллектор непосредственно подключались к потребителю электроэнергии. Напряжение при этом достигало нескольких миллионов вольт.

Для удаления тепла, выделяющегося в основном на коллекторе вследствие ударов радиоактивные частиц, было предусмотрено его охлаждение воздухом или жидким хладоносителем.

Главный недостаток устройства по патенту США [5] (как и всех позднее предлагавшихся атомных батарей прямого действия [2-4]), состоит в том, что оно вырабатывает постоянный ток при напряжениях до нескольких миллионов вольт, в то время как современные потребители электроэнергии рассчитаны на переменный ток при напряжении 220-380 В и частоте 50 Гц. Потребители постоянного тока также расчитаны на напряжение до 1000 В. Так как ни в патенте США, ни в других вариантах атомных батарей прямого действия не было предложено эффективного электронного устройства для преобразования постоянного тока высокого напряжения в переменный промышленного напряжения и частоты, ранее предлагавшиеся атомные батареи прямого действия [2-5] принципиально не могли и не могут найти практическое применение в промышленности и бытовой технике.

Цель настоящего изобретения - создание на основе атомной батареи-прототипа [5] достаточно мощного, практически значимого источника переменного тока промышленного напряжения и частоты, который бы, утилизируя радиоактивные отходы атомных электростанций, мог быть дополнительным источником электроэнергии и, в частности, мог бы долго служить автономным источником электроэнергии в отдаленных районах или при авариях, стихийных бедствиях или военных действиях-случаях, когда обычное электроснабжение выведено из строя. Кроме того, так как при его работе будет выделяться большое количество тепла, оно может быть использовано для обогрева помещений, для получения горячей воды, используемой в быту, и даже для выработки дополнительной электроэнергии с помощью тепловых машин.

Эта цель достигается благодаря тому, что устройство для получения электроэнергии из внутриатомной за счет радиоактивного альфа- или бета-распада содержит две замкнутые охлаждаемые водой или воздухом металлические оболочки (эмиттер и коллектор), расположенные одна в другой с зазором, внутри которого поддерживают вакуум 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст., причем радиоактивный материал имеет форму тонкого слоя толщиной 25-100 мкм, расположенного на эмиттере и обращенного к зазору и другой оболочке (коллектору), отличается тем, что радиоактивный материал нанесен в виде металлического слоя на жесткой металлической оболочке и эмиттер и коллектор имеют поперечные или габаритные размеры от 0,2 до 2 м при электрической мощности устройства 0,5-5 кВт и 10-50 м при мощности 200-4000 кВт, а в зазоре между эмиттером и коллектором расположена управляющая металлическая сетка, электрически соединенная с вторичной обмоткой высоковольтного трансформатора, питаемого от промышленной сети переменного тока, создающей между эмиттером и сеткой переменное напряжение, амплитуда которого равна максимальной разности потенциалов, которую способна преодолеть радиоактивная альфа- или бета-частица, а эмиттер и коллектор электрически присоединены к первичной высоковольтной обмотке второго понижающего трансформатора, вторичная обмотка которого присоединена к общей промышленной сети переменного тока или автономному потребителю энергии.

Устройство отличается тем, что слой радиоактивного материала нанесен на внешнюю поверхность внутренней оболочки, которая выполняет функцию эмиттера.

Устройство отличается тем, что радиоактивный материал нанесен на внутреннюю поверхность внешней оболочки, которая в этом варианте является эмиттером.

Устройство отличается тем, что оболочка эмиттера, коллектора и управляющая сетка по форме подобны и выполнены в виде сфер, цилиндров и т.п.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Если замкнутую металлическую оболочку с нанесенным на ее внешней поверхности тонким слоем радиоактивного металла, распадающегося по схеме альфа- или бета-распада, поместить внутрь другой замкнутой металлической оболочки (например, одну сферу, эмиттер, расположить в центре другой большей металлической сферы, коллектора) и в образовавшемся между поверхностями оболочек пространстве создать вакуум 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст., то вылетающие с поверхности внутренней оболочки-эмиттера заряженные альфа- или бета- частицы будут беспрепятственно достигать внутреннюю поверхность внешней металлической оболочки-коллектора и на ней будет возникать положительный заряд в случае альфа-распада и отрицательный при бета-распаде. Внутренняя оболочка-эмиттер соответственно будет приобретать отрицательный или положительный заряд. Эти заряды будут возрастать со временем до тех пор, пока разность потенциалов между внутренней и внешней оболочками не будет настолько велика, что энергия альфа- или бета-частиц будет недостаточной для преодоления этой разности потенциалов.

Если электрическим проводом соединить внутреннюю (эмиттер) и внешнюю (коллектор) металлические оболочки, то по проводу потечет постоянный ток, величина которого определяется потоком частиц от эмиттера к коллектору. Все устройство будет работать как постоянно подзаряжаемый конденсатор. При этом размеры и формы эмиттеров и коллекторов могут быть разнообразны, как и формы традиционных электрических конденсаторов при условии, что между эмиттером и коллектором поддерживается вакуум. Например, они могут иметь форму сфер, цилиндров и, в частности, выполнены в виде плоских пластин, как в плоском электрическом конденсаторе. Для того чтобы вырабатываемый устройством постоянный ток высокого напряжения преобразовать в переменный ток промышленного напряжения и частоты между эмиттером и коллектором устанавливают подобную им по форме (в виде сферы, цилиндра и т.п.) металлическую сетку, а между сеткой и эмиттером подают переменное напряжение с частотой 50 Гц, величина амплитуды которого равна максимальной разности потенциалов, которую могут преодолеть радиоактивные электрически заряженные альфа- и бета-частицы. В результате предлагаемое устройство начинает работать как хорошо известный ламповый триод, роль анодного тока в котором играет поток заряженных радиоактивных частиц от эмиттера к коллектору. Изменение разности потенциалов между эмиттером и сеткой вызывает синусоидальное изменение этого тока, который проходит через первичную обмотку высоковольтного понижающего трансформатора, а на его вторичной обмотке вырабатывается переменное промышленное напряжение 220-380 В при частоте 50 Гц, которое может быть использовано потребителями электроэнергии в автономном режиме или через общую электросеть переменного тока.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства, в котором внутренняя и внешняя оболочки и управляющая сетка выполнены в виде концентрических сфер. При этом принципиально слой радиоактивного металла может быть нанесен на внутреннюю или внешнюю оболочку и соответственно выполнять функцию эмиттера или коллектора.

На фиг. 2 изображена схема устройства, в котором внутренняя и внешняя металлические оболочки и управляющая сетка выполнены в виде соосных цилиндров. При этом обе оболочки охлаждаются потоком воздуха окружающей среды. При этом также слой радиоактивного металла может быть нанесен на внутреннюю или внешнюю оболочку, как указано выше, и соответственно выполнять функцию эмиттера или коллектора.

Устройство состоит из внутренней 1, внешней оболочки 2, управляющей сетки 3. Тонкий слой радиоактивного металла может быть нанесен на поверхность внутренней оболочки 1 или на внутреннюю поверхность внешней оболочки 2. Внутренняя оболочка и управляющая сетка укреплены с помощью изолирующих прокладок 4 и 5. Откачку воздуха из пространства 6 осуществляют через патрубок 7. К внешней оболочке 2 и внутренней 1 присоединены провода 8 и 9. При этом на фиг. 1 присоединение выполнено через изолирующее уплотнение 10, на фиг. 2 - посредством одного из металлических патрубков 11 или 12, по которым в пространство 13 и 14 пропускают охлаждающий воздух. Патрубки 12 при этом пропущены через изолирующие вакуумные уплотнения 16. В варианте на фиг. 1 будем предполагать, что эмиттером служит внутренняя оболочка 1 и управляющая сетка 3 присоединена к высоковольтной обмотке повышающего трансформатора 17 проводами 9 и 18. Первичная обмотка трансформатора 17 присоединена к общей сети переменного тока, например, с напряжением 220 В.

В варианте устройства на фиг. 2 предполагается, что эмиттером служит внешняя оболочка 2 и управляющая сетка 3 присоединена к высоковольтной обмотке повышающего трансформатора 17 проводами 8 и 18, причем провод 18 пропущен через изолирующее вакуумное уплотнение 15.

В варианте, изображенном на фиг. 1, оболочки 1 и 2 присоединены к первичной высоковольтной обмотке понижающего трансформатора 19 проводами 8 и 9, а в варианте на фиг.2 оболочки 1 и 2 также присоединены к трансформатору 19 проводами 8 и 9. Вторичная обмотка этого трансформатора присоединена к автономному потребителю электроэнергии или к общей промышленной сети переменного тока.

Для защиты окружающей среды от возможного рентгеновского или гамма-излучения установки на фиг. 1 и 2 имеют защитное покрытие 20.

Работа устройства происходит следующим образом. После сборки устройства через патрубок 7 воздух из пространства 6 между оболочками 1 и 2 откачивают вакуумным насосом до вакуума 10^-5 - 10^-6 мм рт. ст. Если слой радиоактивного металла нанесен на внешнюю поверхность внутренней оболочки 1 (фиг. 1) и она является эмиттером, то возникающие при радиоактивном распаде заряженные альфа- или бета-частицы летят на внутреннюю поверхность внешней оболочки 2, которая в этом случае является коллектором, достигая которую они отдают ей свой электрический заряд.

При альфа-распаде частицы имеют положительный заряд и потому внешняя оболочка-коллектор заряжается положительно. Внутренняя оболочка-эмиттер 1 приобретет отрицательный заряд. Между оболочками 1 и 2 возникнет разность потенциалов, которая будет возрастать по мере накопления зарядов на оболочках. Накопление зарядов будет происходить до тех пор, пока энергия альфа-частиц станет недостаточной для преодоления разности потенциалов между оболочками 1 и 2. Все устройство подобно электрическому конденсатору.

Так как энергия альфа-частиц, вылетающих из распадающихся атомных ядер, измеряется обычно несколькими миллионами электрон-вольт, то и разность потенциалов между оболочками 1 и 2 может достигнуть нескольких миллионов вольт.

Если с помощью трансформатора 17 между эмиттером и управляющей сеткой создать переменное высокое напряжение с амплитудой, равной максимальному возможному напряжению между эмиттером и коллектором при данном типе радиоактивности, то между ними возникнет переменный ток, который по соединительным проводам 8 и 9 на фиг. 1 и 2 потечет через высоковольтную первичную обмотку понижающего трансформатора 19, преобразующего этот ток в переменный ток промышленного напряжения и частоты, который может быть направлен автономному потребителю или в общую электрическую сеть.

Достигая коллектора, альфа-частицы теряют электрический заряд и превращаются в атомы гелия, которые через патрубок 7 периодически или непрерывно откачиваются вакуумным насосом.

Если в качестве источника энергии использован материал, распадающийся с образованием бета-частиц, то работа устройства происходит так же, как и при альфа-распаде, с той лишь разницей, что эмиттер заряжается положительно, а коллектор - отрицательно. Однако при этом варианте не требуется постоянно или периодически откачивать газ гелий из пространства между эмиттером и коллектором: гелий в этом случае не образуется.

Если одновременно использовать три одинаковых предлагаемых устройства, то может быть получен трехфазный переменный ток, который обычно используется в промышленности.

В реальных условиях могут быть случаи, когда в радиоактивном материале одновременно образуются альфа- и бета-частицы. В этом случае устройство будет работать по той схеме радиоактивного распада, при которой обеспечивается максимальное поступление зарядов на внешнюю и внутренние оболочки. Этот вариант работы важен для использования радиоактивных отходов из атомных реакторов, содержащих различные радиоактивные изотопы.

Расчеты для доказательства работоспособности устройства.

Первоначально опишем общую методику расчета, а затем применим ее к конкретным случаям.

Число ядер радиоактивного материала, распадающихся в единицу времени, описывается уравнением [6]

где
T - период полураспада; A - атомный вес; m - его масса, n₀ - число Авогадро. Так как только половина из образовавшихся альфа- и бета-частиц может вылететь с поверхности эмиттера, то должно соблюдаться соотношение

где
I - сила тока, обусловленная потоком частиц между эмиттером и коллектором; Z - зарядовое число, равное числу элементарных зарядов e, численно равных заряду электрона. Для альфа-частиц Z = 2, для бета-частиц Z = 1.

Масса радиоактивного материала, необходимого для обеспечения такой силы тока, равна

где
en₀ = F = 9,648•10⁷ К/кмоль, постоянная Фарадея.

Для нанесения этой массы материала тонким слоем толщиной δ при плотности ρ на поверхности оболочки необходима площадь

Если оболочки выполнены в виде сферы, то ее радиус может быть найден по уравнению

Пусть энергия вылетающих альфа- или бета-частиц равна E. Тогда разность потенциалов между внутренней и внешней оболочками может достичь величины

Мощность электрического тока, вырабатываемого устройством, будет
P = IV. (7)
Проведем конкретные расчеты, доказывающие работоспособность предлагаемого устройства (для вариантов альфа- и бета-распада).

1/. Пусть в качестве материала с радиоактивностью типа альфа-распада будет использован изотоп плутония Pu²³⁸, который имеет следующие характеристики: T = 87,6 лет = 2,76•10⁹ с, A = 238, E = 5,5 МэВ [7], ρ = 19,8•10³ кг/м³ [8] . В результате расчета по уравнениям (1) - (7) получаем при m = 1000 кг δ = 100 мкм , I = 0,1 А, V = 2,25 МВ, P = 0,22 МВт, R = 6,3 м.

Таким образом, если нанести на поверхность эмиттера слой плутония толщиной 100 мкм, то при диаметре сферической оболочки 12 м будет получен источник тока мощностью 0,22 МВт, что для предлагаемого очень простого устройства можно считать хорошей характеристикой. При этом дополнительно устройство будет вырабатывать приблизительно такое же количества тепла, которое может быть использовано для отопления, для получения горячей воды для бытовых целей или для получения дополнительной электроэнергии с помощью различных тепловых двигателей. Одна такая установка может обеспечить электроэнергией и теплом небольшой поселок. Один квадратный метр эмиттера такой установки будет производить 0,430 кВт электроэнергии и тепла.

Двадцать таких устройств дают возможность получить мощность, сравнимую с мощностью первой атомной электростанции, построенной в СССР в 1954г., мощность которой была 5,4 МВт.

После распада плутоний Pu²³⁸ превращается в уран U²³⁴, который достаточно стабилен и может быть использован в качестве сырья в атомных реакторах для получения изотопа урана U²³⁵, используемого в качестве топлива на атомных электростанциях.

2/. Рассмотрим теперь второй конкретный вариант устройства, изображенного на фиг.2, в котором эмиттером является внешняя цилиндрическая оболочка 2.

Будем считать, что в качестве радиоактивного материала также использован плутоний Pu²³⁸ в виде слоя толщиной 100 мкм. При этом диаметр цилиндрического эмиттера D = 0,4 м, а его высота 1,5 м.

Учитывая, что каждый квадратный метр такого эмиттера дает возможность получить до 0,430 кВт электроэнергии и столько же тепла, получим следующие характеристики устройства: площадь поверхности эмиттера 1,9 м², общая электрическая мощность 0,82 кВт и такая же тепловая. 3 - 4 таких устройства, размещенных под землей, могут в течение многих лет снабжать электроэнергией и теплом дом, расположенный в отдаленном районе (например, ферму, метеостанцию, военный пост и т.п).

3/. Рассмотрим теперь в качестве примера работу устройства по фиг.1, в котором в качестве радиоактивного материала использован изотоп цезия Cs¹³⁷, распадающийся по схеме бета-распада.

Основные характеристики этого изотопа следующие: T = 30 лет = 9,4•10⁸ с; E = 0,51 МэВ; ρ = 1,53•10³ кг/м³ [7,8]. Если взять массу этого изотопа m = 1000 кг и нанести ее на поверхность внутренней сферы в виде слоя толщиной 100 мкм, то получим I = 0,25 А; V = 0,51 МВ; P = 0,12 МВт; радиус сферы R= 23 м.

Результаты, полученные для изотопа Cs¹³⁷, по своим энергетическим характеристикам сопоставимы с полученными для изотопа Pu²³⁹ и могут представлять практический интерес.

После распада изотоп Cs¹³⁷ переходит в изотоп Ba¹³⁷, который стабилен.

Предлагаемое устройство для получения электроэнергии из энергии радиоактивного распада имеет преимущества перед традиционными атомными электростанциями, работающими за счет энергии расщепления атомных ядер (изотопов урана, плутония, тория). Для работы предлагаемого устройства нет необходимости строить атомный реактор вблизи электростанции. Отсутствует сложная система преобразования тепловой энергии в электрическую, используемая на современных атомных электростанциях.

В предлагаемом устройстве не может быть атомного взрыва. Конструкция электростанции очень проста, и она может быть построена без больших капиталовложений за короткий срок.

Большим достоинством предлагаемого устройства является то, что оно может работать, используя в качестве источника энергии радиоактивные изотопы, образующиеся в реакторах атомных электростанций и на морских судах военного и ледокольного флота. Таким образом, в значительной мере может быть решена проблема использования и захоронения ядерных отходов, которые пока затапливают в море или закапывают в землю, что неизбежно приведет к загрязнению окружающей среды радиоактивными отходами.

Большим достоинством предлагаемого устройства является то, что оно может работать без дополнительной загрузки радиоактивного материала в течение десятков лет.

Экономический эффект от использования предлагаемого устройства будет значительным, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Литература
1. Савельев Н.В. Курс общей физики, М.: Наука, 1971, с. 469 - 472.

2. Сборн. под ред. Фраткина Г.М. Радиоизотопные источники электрической энергии. М.: Атомиздат, 1978, с. 87, 222-223.

3. Корлис У., Харви Д. Источники энергии на радиоактивных изотопах. М.: Мир, 1967, с. 345-348.

4. Линдер Е. Г. Ядерный электрический генератор. Патент США N 2661431, 1953г.

5. Линдер Е.Г. Метод и средства для получения электрической энергии от ядерных реакций. Патент США N 2517120, 1950г.

6. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. Изд-во физико-математической литературы. М., 1963, с. 744.

7. Физические величины. Справочник под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.3., М., Атомиздат, 1991, с. 1015, 1040.

8. Физико-химические свойства элементов. Справочник под ред. Самсонова Г.В. Изд-во "Наукова думка". Киев, 1965, с. 112.

Устройство состоит из двух замкнутых металлических оболочек (эмиттера и коллектора). На эмиттере нанесен тонкий слой радиоактивного металла. Между эмиттером и коллектором в вакууме расположена металлическая сетка. Сетка присоединена к высоковольтной обмотке повышающего трансформатора, питаемого от промышленной электросети, а эмиттер и коллектор присоединены к первичной обмотке второго понижающего трансформатора, вторичная обмотка которого присоединена к потребителям электроэнергии. Радиоактивные альфа- или бета-частицы вылетают с поверхности эмиттера и летят к коллектору, и между эмиттером и коллектором возникает постоянный ток высокого напряжения, который переменное напряжение на сетке преобразует через трансформатор в переменный ток промышленного напряжения и частоты. Этот ток направляют автономным потребителям электроэнергии или в общую электросеть. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения электроэнергии из внутриатомной за счет радиоактивного альфа- или бета-распада, содержащее две замкнутые охлаждаемые водой или воздухом металлические оболочки (эмиттер и коллектор), расположенные одна в другой с зазором, внутри которого поддерживают вакуум 10^-5 - 10^-6 мм рт.ст., причем радиоактивный материал имеет форму тонкого слоя толщиной 25 - 100 мкм, расположенного на эмиттере и обращенного к зазору и другой оболочке (коллектору), отличающееся тем, что радиоактивный материал нанесен в виде металлического слоя на жесткой металлической оболочке и эмиттер и коллектор имеют поперечные или габаритные размеры 0,2 - 2 м при электрической мощности устройства в 0,5 - 5 кВт и 10 - 50 м при мощности 200 - 4000 кВт, а в зазоре между эмиттером и коллектором расположена управляющая металлическая сетка, электрически соединенная с вторичной обмоткой высоковольтного трансформатора, питаемого от промышленной сети переменного тока, создающей между эмиттером и сеткой переменное напряжение, амплитуда которого равна максимальной разности потенциалов, которую способна преодолеть радиоактивная альфа- или бета-частица, а эмиттер и коллектор электрически присоединены к первичной высоковольтной обмотке второго трансформатора, вторичная обмотка которого присоединена к общей промышленной сети переменного тока или автономному потребителю энергии. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой радиоактивного материала нанесен на внешнюю поверхность внутренней оболочки, которая выполняет роль эмиттера. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиоактивный материал нанесен на внутреннюю поверхность внешней оболочки, которая в этом варианте является эмиттером. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что оболочки эмиттера, коллектора и управляющая сетка подобны по форме и выполнены в виде сфер, цилиндров и т.п.