СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ (ЭНЕРГИИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА И/ИЛИ ДЕЛЕНИЯ) В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G21H1/12 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для трансформации ядерной энергии (энергии частиц при радиоактивном распаде изотопов и изомеров и энергии осколков деления) в световой поток узкого спектра с последующим его использованием для производства низковольтного электричества за счет внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах с получением выхода энергии луча с высоким КПД преобразования.

Известно, что при прохождении продуктов ядерной реакции через вещество, происходит передача энергии от этих продуктов частицам вещества, при этом энергия, так называемого, ионизирующего излучения (ядерной частицы), расходуется в процессе столкновений на ионизацию вещества и на излучение при разных видах рассеяния и переходах электронов возбужденных уровней. Для разных частиц и их энергий процесс замедления в веществе происходит по разным законам. Подавляющая доля энергии при ядерных реакциях приходится на заряженные частицы: электроны и позитроны при бета-распаде, ядра гелия-4 при альфа-распаде и осколки деления - при делении ядра нейтронами. Нейтральные частицы, за исключением гамма-квантов, большого влияния на процесс ионизации не оказывают и взаимодействуют, в основном, с ядрами атомов путем рассеяния при столкновении.

В процессе движения частиц в веществе одной из важнейших характеристик является длина свободного пробега частиц или экстраполированная длина пробега, которая зависит от вида частиц, их начальной энергии и свойств вещества. По своей сути, это расстояние, которое проходит частица в таком веществе до полной потери начальной энергии. В таблице 1 представлены экстраполированные значения пробегов электронов (в см) в некоторых веществах в зависимости от их энергии.

По мере продвижения в веществе частица расходует свою энергию на возбуждение атомных уровней этого вещества, которые в свою очередь, при обратном переходе электронов излучают электромагнитные волны. По мере замедления начинают превалировать процессы ионизации окружающего вещества с рождением вторичных частиц-электронов, которые, в свою очередь, теряют энергию на торможение по тому же принципу и, в конечном итоге, рекомбинируют с ранее ионизованными атомами также с выходом излучения. В большинстве случаев при прохождении ядерных частиц в глубине вещества процесс их торможения приводит к его нагреву, таким образом, почти все излучение (в том числе, энергия ядерной частицы) преобразуется в тепло.

Описанное физическое явление лежит в основе современной (так называемой, большой) ядерной энергетики: преобразование ядерной энергии в тепло, затем передача этого тепла рабочему телу (жидкометаллический, водяной парогенератор или газонагреватель) и, далее, преобразование тепловой энергии рабочего тела в механическую энергию ротора турбины.

Помимо этого, в случае использования в качестве топлива вместо делящегося материала радиоактивных элементов с большим периодом полураспада, аналогичный метод преобразования заложен в современных преобразователях типа радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). Отличие в данном случае состоит в том, что преобразование тепловой энергии в электрическую происходит за счет термоэмиссии электронов. РИТЭГ по уровню выдаваемой электрической мощности можно отнести условно к средней и малой ядерной энергетике.

Совокупными основными недостатками описанных методов преобразования ядерной энергии в электричество являются низкий КПД преобразования тепловой энергии в механическую (ограничен циклом Карно и реально находится в пределах 30% - 45%) и еще более низкий КПД термоэмиссионных процессов (от долей % до 3%), большой физический объем оборудования и его стоимость, масса РИТЭГ на единицу мощности, высокая стоимость и большие капиталовложения, высокие риски радиационного заражения от первого контура теплоносителя, проблема отведения и утилизации паразитного тепла.

Из общего уровня техники известен класс веществ, обладающих способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (ядерной частицы) - гамма-квантов, электронов, альфа-частиц, осколков деления и т.д. - так называемые сцинтилляторы. Традиционно сцинтилляторы используют исключительно в качестве детекторов частиц (сцинтилляционные детекторы ядерных излучений). В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприемнике (как правило, это фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), значительно реже используются фотодиоды и другие фотоприемники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой. Количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии (обычно 1 МэВ) называют световыходом. Большим световыходом считается величина 50-70 тыс.фотонов на МэВ.

При прохождении ядерных частиц в сцинтилляторе в результате их торможения часть энергии преобразуется в излучение, которое может покинуть вещество даже при значительной глубине трека частицы. Доля этого излучения зависит от многих факторов. Для повышения световыхода и создания узкого спектра излучения движущейся частицы используют так называемые активированные сцинтилляторы. В этом случае в матрицу основного вещества вводят легирующие атомы (ионы). По треку движущейся частицы, особенно тяжелого многозарядного иона образуется плазма (плазмоны), через которые от матрицы основного вещества энергия передается атомам активатора, и они в свою очередь высвечивают фотоны определенной длины волны с некоторым уширением спектра.

Частицы разной природы, но с одинаковой энергией при поглощении в сцинтилляторе, дают различный световыход. Частицы с высокой плотностью ионизации (протоны, альфа-частицы, тяжелые ионы, осколки деления) дают в большинстве сцинтилляторов меньшее количество фотонов, чем гамма-кванты, бета-частицы, мюоны или рентген, при этом отношение световыхода данного типа частиц к световыходу гамма-квантов с равной энергией называется квенчинг-фактором (от англ. quenching- «тушение»).

Электроны высоких энергий (до энергий порядка рождения пар) почти всю свою энергию расходуют на образование излучения в сцинтилляторе и квенчинг-фактор у них порядка единицы. Осколки деления - это тяжелые (порядка 80-140 а.е.м.) многозарядные (Z порядка 40-50) ионы с удельной первичной энергией около 1 МэВ/нуклон. Такие ионы оставляют яркий толстый след в сцинтилляторе, окруженный «метлой» - ливнем вторичных ионизационных электронов, оставляющих свои треки. Несмотря на то, что квенчинг осколков деления в неорганических сцинтилляторах не более 25%, а в органических всего около 5%, по закону сохранения энергии остальная ее доля при торможении приходится именно на ионизацию и излучение при торможении вторичных частиц - электронов. Таким образом, без учета тепловых потерь при низких и сверхнизких энергиях в конце торможения и на поглощение в матрице, а также при незначительном излучении самой матрицы по сравнению с активаторами, большая доля энергии осколка деления преобразуется в конечном итоге в излучение узкого спектра. То есть имеет смысл говорить об интегральном квенчинг-факторе, который оценочно и с учетом выноса энергии вторичными нейтронами деления составит около 80%. Следует отметить, что сцинтилляторы могут выдавать и мультичастотный спектр при легировании атомами нескольких химических элементов.

Таким образом, по мнению авторов, применение активированного сцинтиллятора в совокупности с замешенным в него или нанесенным на него слоем ядерного материала, излучающего самостоятельно и/или при облучении из внешнего источника ядерные частицы, позволит получить преобразованный с высоким КПД поток световой энергии узкого спектра, используемый, в дальнейшем, путем соответствующих преобразований для получения электрической энергии. В качестве аналогов подобного метода преобразования могут быть упомянуты технические решения по патентам РФ №№2247451 и 2295184. Первым принципиальным отличием заявленного решения от представленного в указанных патентах является более общий подход к преобразованию первичной ядерной энергии и ее использование для производства электрической энергии в широком спектре мощностей и дизайне устройств. Вторым принципиальным отличием является использование в качестве первичного источника энергии более широкого спектра ядерных реакций, включая деление ядер, что позволяет управлять процессами энерговыделения и получать гораздо большие мощности устройств, а также избегать паразитного разогрева устройств во время их остановки вне зависимости от их дизайна и конструктивных особенностей.

Задачей, решаемой при создании заявленного решения, является возможность использования самораспадающихся (радиоактивных) материалов, делящегося ядерного топлива и т.п.для получения электрической энергии, в частности, в возможности использования для этих целей сравнительно дешевых источников радиоактивной энергии, в том числе, отходов ядерного производства и пр. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию, при одновременной возможности существенного уменьшения размеров подобных преобразователей, увеличения срока их службы и снижения себестоимости.

Для достижения поставленного результата предлагается способ получения электрической энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора с получением излучения в диапазоне от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) и последующим преобразованием полученного излучения в электрическую энергию посредством передачи излучения через градиентный волновод до полупроводникового элемента, расположенного на некотором расстоянии от активированного сцинтиллятора.

Для достижения поставленного результата предлагается также преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер) в электрическую энергию, содержащий, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора с, по меньшей мере, одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым преобразующим излучение в электроэнергию элементом, при этом в слой активированного сцинтиллятора диспергировано ядерное топливо в виде волокон, и/или такой слой расположен в контакте с, по меньшей мере, одним слоем ядерного топлива.

Изобретение поясняется схемой одного из базовых вариантов реализации способа (фиг. 1).

Возможность увеличения КПД преобразования ядерной энергии через промежуточную энергию излучения узкого спектра активированного сцинтиллятора посредством заявленной группы изобретений обусловлена, в том числе, тем, что в заявленном решении внутренний фотоэффект в полупроводниковом (п/п) элементе в каждом акте осуществляется не за счет одной быстрой частицы, подобно бетавольтаическим элементам, а за счет лавины комплементарных, оптимальной частоте поглощения фотонов, что также способствует снижению износа п/п элемента и увеличению срока службы преобразователя в целом.

В свою очередь, возможность использования в заявленной группе изобретений градиентных волноводов (например, световодов или оптоволоконных кабелей с изменяемым по сечению показателем преломления п светопроводящего материала) позволяет транспортировать полученное излучение сцинтиллятора на требуемые расстояния до конечного потребителя. Градиентный волновод позволяет надежно и полностью изолировать полупроводниковый фотопреобразователь от негативного воздействия радиации и контакта с атомами топлива и осколками деления при их диффузии в «чистый» сцинтиллятор, а также на порядки увеличить яркость облучения фотопреобразователя по сравнению с яркостью свечения сцинтиллятора.

Во избежание негативного воздействия ядерного излучения на градиентный волновод, толщину слоя сцинтиллятора в случае использования его совместно со слоем ядерного топлива подбирают из условия превышения такой толщины над длинной пробега первичных частиц - носителей ядерной энергии. Для этих же целей, в случае использования слоя сцинтиллятора с диспергированными в него частицами ядерного топлива, толщину такого слоя подбирают из условия оптимизации между энергетическим выходом в виде узкого спектра и пропускной способностью слоя (прозрачностью и потерями) для рабочих частот и при наличии «чистого» защитного слоя сцинтиллятора между градиентным волноводом и слоем с диспергированным топливом. При этом толщина защитного слоя не менее длины пробега частиц - носителей ядерной энергии в нем.

Требования к топливным волокнам/слоям в общем виде зависят от типа ядерного топлива (делящийся материал или определенный радиоактивный элемент), вида и энергии его частиц. Например, осколки деления ядра урана в металлическом уране имеют длину пробега порядка 6-8 мкм, а в сцинтилляторе на базе кристаллов сульфида цинка (ZnS) около 20-25 мкм. Электроны при распаде стронция-90 в иттрий-90 с энергией порядка 550 кэВ имеют длину пробега в том же сцинтилляторе 50 мкм и при распаде иттрия в цирконий-90 - энергию около 2,3 МэВ и пробег в 500 мкм. В самом стронции эти электроны имеют пробеги порядка пробега в алюминии, то есть 60 мкм и 450 мкм соответственно. Эти параметры влияют на геометрические требования к дисперсности или толщине слоя топлива и его объемной доле в смеси. Характерный диаметр волокна или толщина слоя топлива должны быть таковы, что потери энергии при выходе из топлива в сцинтиллятор ядерной частицы - носителя первичной энергии - должны быть минимальны, а отношение объема топлива к объему сцинтиллятора не должно быть настолько большим, чтобы ядерные частицы за время своего торможения в среде смеси не теряли много энергии при встрече с другими топливными слоями или волокнами. С другой стороны, повышение объемного содержания ядерного топлива как исходного источника энергии предпочтительно с точки зрения мощности и компактности устройств. Практическое решение задачи лежит в области оптимизации этого параметра. Также размер топливных слоев или диаметр топливных волокон должен быть меньше длины волны генерируемого в сцинтилляторе излучения, а основные пики спектра не должны совпадать со спектрами поглощения атомами топлива. Иначе может возникнуть эффект неупругого рассеяния фотонов на топливной компоненте с потерей ими энергии, а также эффект самогашений сцинтилляций на атомах топлива. Особенно следует подчеркнуть, что дисперсное или послойное расположение топлива относительно слоя сцинтиллятора не оказывает заметного влияния на физико-химические и оптические свойства самого сцинтиллятора, в отличие от гомогенной смеси атомов топлива в сцинтилляторе. Например, растворение солей урана в сцинтилляторе может привести к изменению его оптических свойств и существенной потере энергии полезного излучения. Задача подбора веществ топливных элементов (волокон или слоев), матрицы сцинтиллятора и активатора, фотоэлементов-электропреобразователей, матриц и легирующих добавок волноводов, а также оптимизация дизайна преобразователя энергии и его конструктивных размеров, равно как и подбор вспомогательных частей (при необходимости), ставится и решается в зависимости от типа и назначения преобразователя и требуемых от него характеристик.

Со ссылкой на фиг. 1, простейшая схема заявленного преобразователя ядерной энергии в с первичным ее преобразованием в узкий спектр излучения с односторонней схемой облучения и последующим направлением этого первичного излучения на приемное устройство (транспортный волновод), может состоять из следующих элементов:

1 - слой активированного сцинтиллятора;

2 - диспергированные в него волокна и/или слои ядерного топлива;

3 - зеркало (при необходимости, для искусственного ограничения излучающей поверхности);

4 - защитный слой чистого (без топлива) активированного сцинтиллятора (опционально);

5 - приемная поверхность - градиентный волновод для транспортировки и концентрации энергии узкого спектра первичного излучения.

Таким образом, во всех типах устройств, функционирующих на основе заявленного способа преобразования ядерной энергии, основными элементами являются: 1) топливные волокна или слои напыления, содержащие ядерный материал - источник первичной энергии; 2) сцинтиллятор с атомами - активаторами - преобразователь энергии ядерных частиц из топливных волокон или слоев напыления в первичное излучение узкого спектра в зависимости от вида активатора в диапазоне от ИК до УФ; 3) приемник фотонной энергии - это может быть непосредственно среда ее дальнейшего преобразования или передачи на расстояние: поглощающий материал для разогрева, активная среда лазера с соответствующими уровнями накачки, фотоэлемент для преобразования в электроэнергию или волновод для транспортировки этого излучения.

Изобретение может быть использовано для производства низковольтного электричества за счет внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах. Преобразователь ядерной энергии в электрическую энергию содержит по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора с по меньшей мере одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым элементом, при этом в слой активированного сцинтиллятора диспергировано ядерное топливо в виде волокон, или такой слой расположен в контакте с по меньшей мере одним слоем ядерного топлива. Технический результат – обеспечение возможности увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию, при одновременной возможности существенного уменьшения размеров подобных преобразователей, увеличения срока их службы и снижения себестоимости. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ получения электрической энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора с получением излучения узкого спектра или нескольких узких спектров в диапазоне от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) и последующим преобразованием полученного излучения в электрическую энергию за счет внутреннего фотоэффекта посредством передачи излучения через градиентный волновод до полупроводникового элемента, расположенного на некотором расстоянии от активированного сцинтиллятора.

2. Преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер) в электрическую энергию, содержащий по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора с по меньшей мере одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым элементом, при этом в слой активированного сцинтиллятора диспергировано ядерное топливо в виде волокон, и/или такой слой расположен в контакте с по меньшей мере одним слоем ядерного топлива.