РАДИОИЗОТОПНЫЙ ФОТО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2016 года по МПК G21H1/12 

Изобретение относится к области преобразования энергии распада радионуклидов в электрическую энергию, а точнее к радиоизотопной энергетике, и может быть использовано в энергетических установках, предназначенных для длительной автономной работы в труднодоступных и малонаселенных районах Земли, а также в условиях космического пространства.

Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор (РИФТЭГ) включает в себя фото- и термоэлектрический преобразователи. В фотопреобразователе энергия световых квантов, испускаемых рабочим газом при его альфа- или бета-облучении, частично превращается в электрическую энергию. В термоэлектрическом преобразователе тепловая энергия, выделяющаяся на всех этапах генерации фотоэлектричества (при распаде радионуклидов, при генерации УФ-излучения рабочим газом, при генераций электронов в полупроводниковой структуре фотоприемника) также частично превращается в электрическую энергию.

Известен радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), описанный в патенте РФ №2458420, содержащий герметичный корпус, радиоизотопный источник тепла, термоэлектрическую батарею, теплоизоляцию, выполненную в виде двух колец, и теплозащиту, установленную снаружи по периметру корпуса.

Недостатком такого генератора является его сравнительно низкий КПД, не превышающий, обычно, 8%.

Известен также радиоизотопный генератор, выбранный в качестве прототипа (см. статью В.Ю. Баранов, А.Ф. Паль, А.А. Пустовалов, А.Н. Старостин, Н.В. Суетин, А.В. Филиппов, В.Е. Фортов «Радиоизотопные генераторы электрического тока» в книге «Изотопы: свойства, получение, применение», в 2-х томах, под. ред. Баранова В.Ю., М.: Физматлит, 2005, т. 2, с. 271-276, рис. 17.1.13-17.1.15), содержащий герметичную камеру, в полости которой находятся радиоизотопный альфа- или бета-излучатель в виде тонкостенной пластины, рабочий газ ксенон и фотоэлектрический преобразователь, размещенный в виде пластины напротив радиоизотопного излучателя.

Недостатком такого радиоизотопного генератора является то, что значительная часть энергии, выделяющейся при радиоизотопном распаде, не используется, а удаляется из генератора в виде тепла.

Задачей изобретения является перевод использования выделяющейся в радиоизотопном генераторе тепловой мощности для генерации в электрическую мощность.

Техническим результатом изобретения является увеличение общего КПД радиоизотопного генератора.

Поставленная задача решается следующим образом. В конструкцию радиоизотопного генератора, содержащего герметичную полость с теплоизолированными стенками, радиоизотопный альфа- или бета-излучатель, рабочий газ ксенон для преобразования радиоактивного излучения в световое излучение, и фотопреобразователь, размещенный напротив радиоизотопного излучателя, введены замкнутый газодинамический контур, теплоотводящие пластины, термоэлектрический преобразователь и радиатор. В замкнутом газодинамическом контуре предусмотрена циркуляция рабочего газа ксенона. Термоэлектрический преобразователь соединен одними своими тепловыми контактами, например, «положительными», с теплоотводящими пластинами, а другими, соответственно, «отрицательными», с радиатором. Кроме того, один из участков газодинамического контура выполнен в виде трубы, нижний и верхний концы которой расположены на разной высоте по вертикали, причем в полости трубы, вблизи ее нижнего конца, установлены радиоизотопный излучатель и фотоэлектрический преобразователь, а вблизи ее верхнего конца - теплоотводящие пластины.

При этом:

- теплоотводящие пластины могут быть выполнены из меди или алюминия;

- в качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье;

- радиоактивным веществом могут быть стронций 90, плутоний 238 или америций 241;

- альфа- или бета-излучатель может быть выполнен в виде тонкостенных пластин;

- в полости газодинамического контура, перед нижним концом трубы, может быть размещена крыльчатка и электрогенератор, имеющие общий вал вращения.

На приведенной фигуре показана принципиальная схема такого радиоизотопного фото-термоэлектрического генератора.

Генератор содержит заполненный ксеноном газодинамический контур 1, трубу 2, радиоизотопный излучатель 3, фотоэлектрический преобразователь 4, теплоотводящие пластины 5, термоэлектрический преобразователь 6, радиатор 7, крыльчатку 8, электрический генератор 9 и внешнюю теплоизоляцию 10.

Труба 2 является частью контура 1, при этом ее нижний и верхний концы расположены на разной высоте по вертикали (на приведенном чертеже труба расположена вертикально). Радиоизотопный излучатель 3 и фотоэлектрический преобразователь 4 установлены в нижней части полости трубы 2, а теплоотводящие пластины 5 - вблизи ее верхнего конца (вне ее полости). Теплоотводящие пластины 5 механически соединены с тепловыми одноименными контактами (например, положительными) термоэлектрического преобразователя 6, при этом другие одноименные тепловые контакты преобразователя 6 (соответственно, отрицательные) механически соединены с тепловыми контактами радиатора 7. Кроме того, вал крыльчатки 8 механически связан с валом электрического генератора 9.

Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор работает следующим образом.

В результате облучения ксенона потоком альфа- или бета-частиц, испускаемых радиоизотопным излучателем 3, ксенон возбуждается и генерирует УФ излучение, которое, воздействуя на фотоэлектрический преобразователь 4, генерирует, в свою очередь, электрическую мощность. При этом в радиоизотопном излучателе 3, в рабочем газе ксеноне и в фотоэлектрическом преобразователе выделяется тепло, которое при наличии теплоизоляции трубы 2 практически полностью идет на нагрев ксенона, находящегося в трубе 2 в непосредственной близости от излучателя и фотоэлектрического преобразователя. Поднимающийся по трубе за счет естественной конвекции нагретый ксенон отдает приобретенную им тепловую энергию теплоотводящим пластинам 5. За счет теплопроводности пластин 5 и материала термоэлектрического преобразователя 6 это тепло отводится на радиатор 7 и рассеивается в окружающем пространстве. В процессе отвода тепла на контактах преобразователя 6 возникает градиент температуры и, соответственно, разность электрических потенциалов, вызывающая генерацию электрической энергии.

Приведенная выше схема распределения тепловых потоков в узлах генератора является «идеальной» с точки зрения достижения максимального преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. В действительности, через корпус радиоизотопного генератора всегда, в той или иной мере, происходят «утечки» тепла в окружающее пространство, в результате чего эффективность преобразования тепла в электричество снижается. Для уменьшения тепловых «утечек» необходимо наружные стенки контура 1 делать теплоизолированными.

Кроме того, максимальная эффективность работы термоэлектрического генератора возможна лишь в том случае, если стенки трубы 2 выполнены из теплоизоляционного материала, а сама труба занимает в газодинамическом контуре вертикальное положение.

При установившемся движении ксенона по замкнутому контуру 1, более холодный, и, соответственно, более «тяжелый» ксенон, находящийся в контуре, но вне трубы 2, будет непрерывно вытеснять более нагретый и, соответственно, более «легкий» ксенон, находящийся в трубе 2. На приведенной схеме генератора движение газа по контуру происходит «против» часовой стрелки. Средняя скорость движения ксенона по трубе 2 (и, соответственно, средняя температура ксенона в трубе 2) определяется суммарными гидравлическими потерями вдоль всего контура 1. Величина теплового потока и рабочий перепад температуры на термоэлектрическом преобразователе 6 зависят от мощности радиоизотопного излучателя, площадей поперечного сечения пластин 5 и преобразователя 6, особенностей отвода тепла от ребер радиатора 7, а также от некоторых других параметров, При оптимальном подборе этих параметров можно добиться максимального преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и, таким образом, получить максимальный КПД радиоизотопного генератора в целом.

В качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье.

В качестве источников альфа- или бета-частиц могут быть использованы такие радиоактивные вещества, как стронций 90, плутоний 238 и америций 241, у которых период полураспада превышает 10-15 лет (характерное время автономной работы РИТЭГов), а удельная излучающая мощность сравнительно большая, равна, соответственно, 925, 556 и 115 мВт/г, что позволит рассчитывать на создание относительно компактных и легких радиоизотопных генераторов.

При таком комбинированном способе преобразования световой и тепловой энергии в электрическую энергию суммарный КПД фото-термоэлектрического генератора η_Σ определяется формулой:

где η₁=W₁/W₀ и η₁=W₁/W_Q - КПД, соответственно, фотопреобразователя и термоэлектрического преобразователя, W₁ - мощность, генерируемая фотопреобразователем, W₂ - мощность, генерируемая термоэлектрическим преобразователем, W₀ - мощность радиоизотопного источника, W_Q - суммарная тепловая мощность, отводимая из полости батареи через теплопроводящие пластины, W_т.п. - тепловые потери мощности за счет утечек через стенки атомной батареи.

Если W_т.п./W₀<<1, а значения η₁ и η₂ не очень большие, например, в пределах 10%, то

Дополнительную электрическую мощность в фото-термоэлектрическом генераторе можно получить, если в газодинамическом контуре 1 установить крыльчатку, например, осевую или центробежную, соединенную с электрогенератором, как показано на приведенной фигуре. В этом случае преобразование кинетической энергии движущегося ксенона в электричество будет происходить подобно тому, как это происходит в ветряных электрогенераторах. Предпочтительным местом для размещения крыльчатки является вход в трубу 2 со стороны ее нижнего конца. За счет сравнительно большого КПД крыльчатки (70% и выше), а также большого КПД электрического генератора (90% и выше) такая конструкция в некоторых случаях, например, при достаточно большом отношении длины фото-термоэлектрического генератора к его поперечному размеру, может оказаться энергетически выгодной.

При генерации электрической мощности сразу от всех трех типов одновременно работающих преобразователей (фотовольтаического, термоэлектрического и механического) и оптимизации их совместной работы путем программного управления каждым из них можно в целом получить более высокий КПД преобразования мощности радиоизотопного источника в электрическую мощность.

Следует также отметить, что в ряде случаев такие радиоизотопные генераторы целесообразно изготовлять в виде протяженных цилиндров с возможностью их последовательной установки в одну вертикальную колонну и гальванического объединения в один более мощный генератор. Такая колонна может быть размещена, например, в буровой скважине, что делает такой генератор труднодоступным при попытке несанкционированного проникновения к его элементам.

Устройство относится к радиоизотопной энергетике и может быть использовано в энергетических установках, предназначенных для длительной автономной работы в труднодоступных и малонаселенных районах Земли, а также в условиях космического пространства. Устройство содержит замкнутый газодинамический контур с рабочим газом - ксеноном, радиоизотопный излучатель, фото- и термоэлектрический преобразователи, теплоотводящие пластины и радиатор. В фотопреобразователе энергия световых квантов, испускаемых рабочим газом при его альфа- или бета-облучении, частично превращается в электрическую энергию. Благодаря наличию замкнутого газодинамического контура и термоэлектрического преобразователя тепловая энергия, выделяющаяся в различных конструктивных узлах генератора, также частично преобразуется в электрическую энергию. В газодинамическом контуре может быть размещена крыльчатка, соединенная с электрическим генератором. Технический результат - увеличение общего КПД атомной батареи. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор, содержащий герметичную полость с теплоизолированными стенками, радиоизотопный альфа- или бета-излучатель, рабочий газ ксенон для преобразования радиоактивного излучения в световое излучение, и фотопреобразователь, размещенный напротив радиоизотопного излучателя, отличающийся тем, что в конструкцию генератора введены замкнутый газодинамический контур с возможностью циркуляции по нему ксенона, теплоотводящие пластины, термоэлектрический преобразователь и радиатор, при этом теплоотводящие пластины механически соединены с тепловыми контактами термоэлектрического преобразователя, другие тепловые контакты которого, в свою очередь, механически соединены с тепловыми контактами радиатора, и кроме того, один из участков газодинамического контура выполнен в виде трубы, нижний и верхний концы которой расположены на разной высоте по вертикали, причем в полости трубы, вблизи ее нижнего конца, установлены радиоизотопный излучатель и фотопреобразователь, а вблизи верхнего конца - теплоотводящие пластины.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что материалом теплоотводящих пластин является медь или алюминий;

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что термоэлектрический преобразователь состоит из элементов Пельтье;

4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что радиоизотопным веществом является стронций 90.

5. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что радиоизотопным веществом является плутоний 238.

6. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что радиоизотопным веществом является америций 241.

7. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что альфа- или бета-излучатель выполнен в виде тонкостенных пластин.

8. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в полости газодинамического контура, перед нижним концом трубы, размещена крыльчатка и электрогенератор, имеющие общий вал вращения.

9. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что является составной частью точно таких же генераторов, последовательно механически соединенных между собой вдоль одной вертикальной оси и образующих в результате гальванического соединения в целом более мощный генератор.

10. Генератор по п. 8, отличающийся тем, что является составной частью точно таких же генераторов, последовательно механически соединенных между собой вдоль одной вертикальной оси и образующих в результате гальванического соединения в целом более мощный генератор.