КНУДСЕНОВСКИЙ ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии непосредственно в электрическую и может быть использовано при создании энергоустановок с относительно низкими рабочими температурами эмиттера, расположенных вне активной зоны ядерного реактора, а также в солнечных энергоустановках с концентратором солнечного излучения.

Известны термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), встроенные в активную зону ядерного реактора, называемые термоэмиссионными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) [1]. Они содержат цилиндрическую эмиттерную оболочку, внутри которой расположено делящееся вещество, и коаксиально расположенный коллектор, который через слой электроизоляции и корпус охлаждается теплоносителем реактора. Такие ТЭП выполняются с относительно большим межэлектродным зазором (МЭЗ), обычно 0,2-0,5 мм. Меньшие МЭЗ нельзя реализовать вследствие технологических допусков и деформации эмиттерной оболочки под действием распухающего топлива. Такие ТЭП работают в так называемом разрядном режиме работы при относительно высоких давлениях пара цезия и для получения приемлемых плотностей электрической мощности рабочая температура эмиттера T_е должна быть относительно высокой, обычно 1800-2100 К.

Однако при работе такого ТЭП в разрядном режиме реализуются относительно низкие КПД (8-12%) в связи с тем, что процесс термической ионизации требует разогрева всех эмиттированных электронов, что приводит к значительным потерям, в сотни раз превышающим необходимые для ионообразования энергетические затраты.

Известен ТЭП с микрозазором, работающий в квазивакуумном режиме, описанный в [2]. Он содержит плоские электроды в виде нагреваемого и охлаждаемого коллектора, систему дистанционирования из керамического электроизолятора, токовыводы от эмиттера и коллектора, причем один или оба электрода электроизолированы от корпуса, в котором размещена эмиттерно-коллекторная сборка. В таком ТЭП реализуются МЭЗ менее 0,01 мм и получены плотности мощности более 1 Вт/см² при T_е менее 1450 К.

Однако реализация МЭЗ менее 0,01 мм возможна лишь в ТЭП ограниченных размеров и при работе такого ТЭП в квазивакуумном режиме также реализуются относительно низкие КПД (8-15%).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является кнудсеновский ТЭП, описанный в [3]. Он также содержит плоские электроды в виде нагреваемого эмиттера и охлаждаемого коллектора, систему дистанционирования из керамического электроизолятора, токовыводы от эмиттера и коллектора.

Для работы в кнудсеновском режиме создаются условия, при которых средняя длина свободного пробега электронов l заметно превышает величину МЭЗ L, а генерация ионов происходит на поверхности эмиттера и практически не требует затрат энергии на ионообразование и на прохождение тока через МЭЗ. В таком режиме плотность проходящего тока j может быть близка к плотности тока эмиссии с эмиттера j_R, барьерный индекс B - к работе выхода коллектора Φ_c, а генерируемое напряжение - к контактной разности потенциалов электродов Φ_e-Φ_c, где Φ_e - работа выхода эмиттера. В принципе в таком режиме эксплуатации возможно получение высокого КПД, близ кого к КПД идеального ТЭП. Однако для эффективной поверхностной ионизации требуется Φ_e примерно 3 эВ, при которой для получения j_R = 5-15 А/см² необходимо иметь T_е, равную примерно 2000 К. Другое ограничение связано с требованием, чтобы длина свободного пробега электрона l заметно превышала L. Вследствие этого для типичных МЭЗ в 0,5 мм столкновения с атомами цезия ограничивают давление пара цезия P_Cs величиной 5•10^-2 мм рт.ст., а кулоновское рассеяние электронов ионами цезия ограничивает возможную величину плотности тока. Поскольку вакуумная работа выхода металлов лежит в интервале 4-5,5 эВ, кнудсеновский режим эксплуатации ТЭП с цезиевым наполнением может быть осуществлен при условиях 2,3 < T_е/T_г < 3,8 и T_е/T_г > 6,5.

Нетрудно оценить, что при P_Cs = 10^-2 мм рт.ст. (T_г=425 К) при T_е/T_г > З. В плотность тока эмиссии не превышает 10^-1 А/см², а при T_е>/T_г > 6,5 температура эмиттера более 2600 К. Поэтому ТЭП в кнудсеновском режиме работы при заполнении МЭЗ лишь паром цезия всегда работает в неоптимальном перекомпенсированном режиме, при котором Φ_e велика, а плотность тока и КПД низки. Для уменьшения работы выхода эмиттера МЭЗ может быть заполнен смесью паров цезия и бария. Однако барий, адсорбируясь на коллекторе, повышает его работу выхода до 2,2 эВ, что приводит к снижению на 0,5-0,6 В по сравнению с цезиевым режимом работы внешнюю контактную разность потенциалов Φ_e-Φ_c и соответственно рабочее напряжение ТЭП. В результате КПД в таком режиме ниже, чем в чисто цезиевом режиме работы. Реально преимущества работы ТЭП в кнудсеновском режиме для традиционных значений МЭЗ начинают проявляться при T_е выше 2300 К, что пока не позволяет использовать его в практике из-за отсутствия высокотемпературных источников тепла и материалов, сохраняющих длительную работоспособность при таких температурах. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность создания кнудсеновского ТЭП для эксплуатации в режиме с высокими значениями плотности электрической мощности и высокого КПД при приемлемой для практики температуре эмиттера за счет выбора геометрии преобразователя, обеспечивающей кнудсеновский режим работы в оптимальных условиях.

Указанный технический результат достигается в кнудсеновском ТЭП, содержащем разделенные межэлектродным зазором электроды в виде нагреваемого эмиттера и охлаждаемого коллектора, систему дистанционирования эмиттера от коллектора, токовыводы от эмиттера и коллектора и узел ввода пара цезия в межэлектродный зазор, в котором межэлектродный зазор выбран из соотношения:
L = (0,8-0,95)•(6•10^-3)exp{6,78 - [3740 (0,71 Φ_o - 1,15)/T_е]} (1)
где L - величина межэлектродного зазора, см, T_е - рабочая температура эмиттера, К; Φ_o - вакуумная работа выхода материала эмиттера, эВ.

На чертеже показан поперечный разрез кнудсеновского ТЭП.

Кнудсеновский ТЭП содержит эмиттер 1, к наружной поверхности которого подводится тепловой поток 2, и коллектор 3, с наружной поверхности которого отводится непреобразованная в ТЭП часть теплового потока 4. МЭЗ 5 поддерживается системой дистанционирования 6, выполненной, например, в виде трех цилиндрических дистанционаторов, закрепленных в коллекторе 3. Эмиттер и коллектор снабжены токовыводами 7 и 8 соответственно.

Кнудсеновский ТЭП работает следующим образом.

При изготовлении ТЭП внутренние поверхности электродов обрабатываются по высокому классу точности, например, шлифуются, с тем, чтобы обеспечить высокий уровень плоскостности рабочей поверхности электрода. Высота дистанционаторов 6 над коллектором 2 выбирается таким образом, чтобы при рабочих температурах электродов МЭЗ был немного больше значения, определенного по выражению (1). После этого производится сборка ТЭП путем прижатия друг к ДРУГУ электродов 1 и 3. При нагреве тепловым потоком 2 поверхности эмиттера 1 и при подаче в МЭЗ 5 пара цезия ТЭП начинает генерировать электроэнергию, которая снимается с помощью электроизолированных токовыводов 7 и 8. Непреобразованная часть тепловой энергии с поверхности коллектора 3 снимается системой теплоотвода (на чертеже не показанной).

Формула (1) получена из следующих соображений.

Максимальная мощность кнудсеновского режима работы ТЭП достигается при условии α = 1, где α - параметр компенсации объемного заряда, который в кнудсеновском режиме определяется соотношением
α = (J_i/J_е)(M/m), (2)
где J_i - плотность ионного тока, идущего с эмиттера, J_е - плотность тока электронной эмиссии, M/m - отношение масс ионов (цезия) и электронов.

Система кривых Рейзора при различных возможных значениях Ф_о тугоплавких металлов имеет участок, где линия α =1 пересекает их при условиях, которые соответствуют всем требованиям, позволяющим осуществить цезиевый кнудсеновский режим работы ТЭП с плотностью тока эмиссии 5-15 А/см² при относительно невысоких температурах эмиттера в 1700-2100 К с использованием реально существующих тугоплавких эмиттерных материалов, имеющих вакуумную работу выхода Φ_o= (4,0 - 5,5) эВ. Из анализа кривых Рейзера с небольшой погрешностью может быть получена следующая формула, которая при заданных конкретных температуре цезиевого резервуара T_г и при заданных Φ_o и T_е обеспечивает выполнение условия α = 1:
T_г=T_е(0,71 Φ_o - 1,15) (3)
ТЭП будет работать в кнудсеновском режиме тогда, когда l> L. Длина свободного пробега электронов при их столкновении с атомами определяется выражением
l=(6•10^-3)P_Cs [см]. (4)
Влияние кулоновских столкновений при плотностях тока, меньших 20 А/см², и L порядка нескольких десятков микрон незначительно и может не приниматься во внимание. Давление пара цезия в зависимости от T_г описывается приближенной формулой
lgP_Cs=6,78 - 3740/T_г (5)
или
P_Cs=exp(6,78 - 3740/T_г. (6)
Подставляя выражение T_г из (3) в (6) получим
P_Cs=exp{6,78 - 3740/[Т_е/(0,71 Φ_o - 1,15)]}. (7)
Подставляя выражения (4) и (7) в условие выполнения кнудсеновского режима работы (l ≥ L), получим формулу
L < 6•10^-3exp{6,78 - [3740 (0,71 Φ_o - 1,15)/T_е]} (8)
или введя коэффициент k = (0,8-0,95), из (8) получим (1).

Значение коэффициента k выбрано из следующих соображений. Максимальная мощность кнудсеновского ТЭП достигается при α = 1, однако при α > 1 появляются колебания тока. Поэтому в кнудсеновском режиме работают при α ≤1, отсюда верхнее значение k = 0,95. С учетом возможных допусков, и прежде всего на значение T_е и T_г, значение k может быть уменьшено до 0,8.

Эффективность предложенного технического решения была проверена расчетным путем. Было показано, что при Φ_o = 5,0 эВ для рабочей температуры эмиттера T_е = 1800 К МЭЗ кнудсеновского ТЭП должен быть примерно 25 мкм, при этом будет генерироваться плотность тока 2-3 А/см² при КПД не менее 18%, а при T_е = 1900 К должен быть выбран МЭЗ в примерно 17 мкм, при этом генерируемый ток составит более 10 А/см² при КПД не менее 22%.

Такой ТЭП с высокими значениями плотности мощности и КПД может быть использован в качестве основы ядерных энергоустановок с расположенным вне активной зоны преобразовательным блоком, солнечных энергоустановок с концентратором солнечной энергии и в энергоустановках, нагреваемых сгоранием органического топлива.

Источники информации
1. Синявский В. В., Бержатый В.И., Маевский В.А., Петровский В.Г. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов. -М.: Атомиздат, 1981, с. 19- 24.

2. Кучеров P.Я., Николаев Ю.В. Термоэмиссионный преобразователь с изотермичными электродами. Доклад на конф. -Альбукерк: 1994, рис. 2
3. Бабанин И. И. и др. Исследование ТЭП с Cs-Ва наполнением в перекомпенсированном кнудсеновском режиме. ЖТФ. -1972, т. 42. вып. 8, с. 1662.

Использование: в энергоустановках с относительно низкими рабочими температурами эмиттера, расположенных вне активной зоны ядерного реактора, а также в солнечных энергоустановках с концентратором солнечного излучения. Кнудсеновский термоэмиссионный преобразователь содержит электроды в виде нагреваемого эмиттера и охлаждаемого коллектора, систему дистанционирования эмиттера от коллектора и межэлектродный зазор L, заполненный паром цезия и выбранный из соотношения L = (0,8-0,95)•(6•10^-3)ехp{ 6,78-[3740(0,71 Ф_o-1,15)/T_e} . где T_e - рабочая температура эмиттера, К; Ф_o - вакуумная работа выхода материала эмиттера, эВ. Технический результат заключается в повышении мощности и КПД при приемлемой для практики температуре эмиттера. 1 ил.

Кнудсеновский термоэмиссионный преобразователь, содержащий электроды в виде нагреваемого эмиттера и охлаждаемого коллектора, систему дистанцинирования эмиттера от коллектора и межэлектродный зазор, заполненный паром цезия, отличающийся тем, что межэлектродный зазор выбран из соотношения
L = (0,8 - 0,95) • (6 • 10^-3) exp {6,78 - [3740 • (0,71 Φ_o - 1,15) / T_e] },
где L - величина межэлектродного зазора, см;
T_e - рабочая температура эмиттера, К;
Φ_o - вакуумная работа выхода материала эмиттера, эВ.