СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ (ЭНЕРГИИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА И/ИЛИ ДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР И/ИЛИ ЭНЕРГИИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ) В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 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 электрической энергии с высоким КПД преобразования.

Наиболее близкими аналогами совокупности заявленной группы изобретений являются технические решения, раскрытые в заявке США №2011/0100439 от 05.05.2011 (1), а также в патенте РФ №2663971 от 14.08.2018 г. (2).

В основе указанных известных решений лежит физический принцип генерации излучения активированных сцинтилляторов за счет прохождения сквозь него ядерных частиц. Так, в патенте (2) предусмотрена транспортировка полученного излучения по градиентному волноводу до устройства преобразования в электрическую энергию, вид ядерного топлива расширен за счет включения делящихся материалов, а также предусмотрен иной способ размещения ядерного топлива – в виде нановолокон или нанослоев. Указанное позволило добиться ряда существенных преимуществ по отношению к решению (1), как то:

физических - возможность применения радиоизотопов (включая ядерные изомеры) или ядер делящихся материалов (U-235, 233 и Pu – 239, 241) в качестве первичного источника энергии, получение высоких нейтронных потоков (вплоть до реакторных показателей) в случае реализации делящихся материалов в качестве источников первичной энергии);

конструкционных - послойное размещение ядерного излучающего материала с чередованием значительно более толстых слоев чистого сцинтиллятора либо размещение ядерного материала в виде нановолокон, имеющих длину много больше диаметра и с малым коэффициентом диффузии сквозь материал сцинтиллятора; возможность использования градиентных волноводов в качестве средств доставки полезного излучения до фото-электро-преобразователя, что, в свою очередь, позволяет концентрировать плотность мощности входящего в волновод сцинтилляционного излучения из тонкого и большого по площади излучающего слоя сцинтиллятора в выходное излучение к преобразователю через свое узкое сечение, увеличивая яркость на несколько порядков;

результативных - возможность получения устройств большей удельной мощности, получение более высокого КПД преобразования ядерной энергии в электрическую, сокращение выделения паразитного тепла, возможность выноса фотопреобразователя за пределы контакта с устройством первичного преобразования энергии (сцинтиллятора), сокращение износа наиболее уязвимых элементов конструкции устройств (полупроводниковых фотопреобразователей) и, как следствие, значительное продление срока службы приборов, возможность управления мощностью в устройстве-преобразователе (в случае использования делящихся материалов и/или термоядерных реакций) за счет регулирования потока нейтронов, возможность передачи товарной энергии потребителю не в виде электричества в сети, а в виде потока фотонов, что исключает необходимость трансформации (электроподстанций) и более безопасно в отсутствие высоких электрических потенциалов на линии.

Вместе с тем, принципиальными факторами, которые оказывают существенное влияние на конечный результат использования технологий-аналогов: повышение удельной энергии преобразования и, как следствие, КПД устройства в целом, являются свойства активированного сцинтиллятора и топливной компоненты в смеси как таковых.

Общеизвестно, что как органические, так и неорганические сцинтилляторы имеют ограниченную прозрачность в виду наличия эффекта самогашения, то есть поглощения своего собственного индуцированного излучения. Этот фактор, в свою очередь, накладывает жесткие ограничения на толщину сцинтиллятора - увеличение толщины слоя с целью разместить как можно больше топлива в одном элементе устройства для всех сцинтилляторов становится нецелесообразным по достижении некоторого предела. Кроме того, реальная толщина слоя сцинтиллятора должна складываться из толщины слоя, содержащего топливо и слоев чистого сцинтиллятора из условия не менее длины пробега ядерных частиц, которые создаются перед приемником полезного излучения для его защиты от негативного влияния высокоэнергетических ядерных частиц, в первую очередь, осколков деления и ядер гелия (альфа-частиц), а также электронов с энергиями выше нескольких десятков кэВ. Для большинства сцинтилляторов толщина такого защитного слоя в виду вышеозначенного условия находится в пределах от 0,05÷0,1 мм до 0,3÷0,5 мм.

В свою очередь, фактор повышения удельной энергии устройств за счет наращивания плотности ядерного топлива определенного типа в сцинтилляторе ограничен массовой долей такого топлива приблизительно в пределах от долей до 1÷2 % - большинство веществ, являющихся для рассматриваемого типа устройств ядерным топливом, не прозрачны для индуцируемого в сцинтилляторе спектра, что, в свою очередь означает, что значительное их присутствие в среде сцинтиллятора (даже в виде нанообразований) начнет снижать его прозрачность и, следовательно, опять-таки снижать КПД преобразования и увеличивать паразитный нагрев.

С учетом вышеописанных недостатков наиболее близких аналогов, авторам настоящей заявки представляется, что с точки зрения увеличения максимальной энергоемкости и эффективности первичного преобразования (ядерной энергии в узкий спектр электромагнитного излучения) наиболее перспективным является размещение атомов-источников первичной ядерной энергии (будь то распад радиоизотопов или изомеров или деление ядер нейтронами, в том числе термоядерными) в виде составной части материала матрицы или активатора сцинтиллятора, что исключает влияние на оптические свойства сцинтиллятора и его эффективность при любой концентрации ядерного топлива в слое.

Так, например, для органических сцинтилляторов углерод и водород являются основными элементами матрицы. Для сохранения оптических свойств и повышения эффективности целесообразно не вводить в него примесные структуры, а заместить некоторое количество атомов природного углерода на изотоп С¹⁴ (Т_1/2 = 5760 лет, β^- → N¹⁴ + Q, сплошной спектр е^-, энергия электронов до 156 кэВ, получение N¹⁴ + n → C¹⁴ + H¹ – облучением в реакторе σ_т ~ 1,365 барн). Расчет показывает, что при 10% замещении атомов природного С на изотоп С¹⁴ в сцинтилляторах типа нафталов, пластмасс, ароматических УВ и т.д. можно рассчитывать на увеличение удельной мощности до порядка 0,3 мВт/см³. При этом, большой Т_1/2 говорит о довольно плавном снижении этой мощности в процессе эксплуатации (т.е. о, фактически, возможности получения стабильного элемента питания). Если же вместо углерода заместить водород (обычный протий) на тритий (Т_1/2 = 12 лет, β^- → He³ + 18 кэВ, сплошной спектр е^-, средняя энергия 5,7 кэВ, получение Li⁶ + n → He⁴ + H³ – облучением в реакторе) также на 10%, то начальная удельная мощность в сцинтилляторе может быть повышена до 54 мВт/см³ (подобная технология замещение атомов хорошо опробована при синтезе органических замедлителей нейтронов для атомных установок с замещением протия на дейтерий). Таким образом, возникает возможность получения нового класса мощных органических самоизлучающих сцинтилляторов – радиоизотопных источников электромагнитной энергии, без включения в тело сцинтилляторов сторонних примесей и элементов, ухудшающих оптические свойства и снижающих эффективность и удельную мощность.

В свою очередь, для неорганических сцинтилляторов открывается еще более просторное поле для внедрения ядерной компоненты (топлива) на атомарно-ионном уровне. Так, для кристаллов сцинтиллятора на базе матрицы, активированной таллием (CsJ:Tl) целесообразно провести частичное замещение стабильных атомов цезия на изотоп Цезий-137. Изотопный состав в данном случае не оказывает влияния на сцинтилляционную функцию, но позволяет запасти и выделять большую мощность. Кроме того, цезий-137 является легко доступным высококалорийным видом радиоизотопного топлива, нарабатываемого в ядерных реакторах и имеющего большой период полураспада (более 30 лет). Аналогично, в сцинтилляторах LiJ:Sb или :Eu, где атом сурьмы можно заместить изотопом Сурьма-125 (Т_1/2 = 2,76 года) или доступными изотопами Eu (150, 152, 154), либо в нанопорошковых керамических неорганических сцинтилляторах, например, на базе гадолиния Gd₂O₂S: Eu, :Tb, :Ce, :Pr, с добавлением LiF, где возможно введение ядерной компоненты и в виде легирующих активаторов и в виде замещения самого гадолиния альфа-радиоактивным изотопом Gd-148 с энергией распада в 3,6 МэВ и периодом в (75 – 93 года по разным данным) и т.д.

Таким образом, задачей, решаемой при создании заявленного решения, является возможность использования самораспадающихся (радиоизотопов и ядерных изомеров) материалов, делящегося ядерного топлива и/или материалов делящихся сверхбыстрыми термоядерными нейтронами для получения электрической энергии, в частности, в возможности использования для этих целей сравнительно дешевых источников радиоактивной энергии, в том числе, отходов ядерного производства и прочих, непосредственно включая эти элементы в состав матрицы сцинтиллятора или его активатора вплоть до 100% замещения соответствующего элемента таблицы Менделеева нужным для выделения первичной ядерной энергии изотопом.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию, увеличения удельной мощности устройств и управления этой мощностью, при одновременной возможности существенного уменьшения размеров подобных преобразователей, увеличения срока их службы и снижения себестоимости.

Для достижения заявленного результата предлагается в способе получения электрической энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора, с последующим получением электромагнитного излучения узкого спектра или нескольких узких спектров в диапазоне от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) и преобразованием полученного излучения в электрическую энергию за счет внутреннего фотоэффекта посредством передачи излучения до полупроводникового элемента, расположенного на расстоянии от активированного сцинтиллятора, использовать активированный сцинтиллятор, в котором атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами, служащими ядерным топливом.

Для достижения заявленного результата предлагается также преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер и/или быстрых нейтронов ядерного синтеза) 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 фото-электрическим преобразователем, в котором в активированном сцинтилляторе атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами, служащими ядерным топливом.

По результатам вышеуказанной замены изотопы продолжают исполнять функцию преобразования ядерной энергии в качестве составной части сцинтиллятора на атомарном уровне, но при этом на уровне ядерной структуры сами же служат источником первичной энергии – источником ядерных частиц, то есть, являются ядерным топливом. Таким образом, предлагаемый, по существу, метод размещение ядерного топлива в молекулах сцинтиллятора, наряду с исключением прямого контакта преобразователя (полупроводникового фотоэлемента) с частицами ядерных материалов, позволяет создавать устройства преобразования ядерной энергии всех типов (энергии радиоактивного распада изотопов и изомеров, энергии деления ядер, энергии термоядерного синтеза с излучением нейтронов высоких энергий) и преобразования всех видов энергии ядерных излучений в электроэнергию посредством предварительного преобразования ядерной энергии в узкий спектр излучения активированного сцинтиллятора и транспортировки этого излучения градиентным волноводом до преобразователя-фотоприемника с соответствующей оптимальной частотной полосой поглощения.

Размещение ядерного материала (ядерного топлива) – источника первичной ядерной энергии – в сцинтилляторе может осуществляться на этапе его изготовления без изменения его оптических и химических свойств путем частичного или полного замещения атомов компонент матрицы и/или активатора этого сцинтиллятора изотопами того же элемента таблицы Менделеева, но с измененным нуклонным составом (радиоизотопами, ядерными изомерами или атомами ядерного делящегося материала), или изотопами химически сродных элементов или молекулами таких элементов со схожими свойствами, служащими одновременно ядерным топливом для устройства (на ядерном уровне) и преобразующими первичную энергию (на атомарном или молекулярном уровне) в узкий спектр электромагнитного излучения.

На фиг.1-3 представлены простейшие схемы реализации заявленного преобразователя ядерной энергии с первичным ее преобразованием в узкий спектр излучения с двусторонней схемой облучения и последующим направлением этого первичного излучения на приемное устройство через градиентный волновод. В частности, на фиг.1 изображен базовый элемент устройства в плоской (пластинчатой) геометрии, на фиг.2 – в аксиальной (цилиндрической), на фиг.3 – один из вариантов реализации.

Со ссылкой на указанные фигуры такой преобразователь может состоять из следующих элементов:

1 – слой активированного сцинтиллятора, где пунктиром ограничены «область 1», состоящая из сцинтиллятора с частичным или полным замещением атомов матрицы и/или активатора их изотопами – атомами ядерного топлива, и «область 2», состоящая из «чистого» сцинтиллятора, не содержащая изотопов ядерного топлива;

2 – приемная поверхность – градиентный волновод с ростом показателя преломления перпендикулярно от поверхности контакта с излучающим сцинтиллятором для транспортировки и концентрации энергии узкого спектра первичного излучения до преобразователя (п/п фотоэлемента) или другого потребителя.

Мультипликативный эффект по схеме согласно фиг.1 достигается как линейным увеличением размеров пластин любой формы, так и сложением таких пластин в пакет. Аналогично, по схеме согласно фиг. 2 возможно увеличение длины цилиндра, а также и увеличение числа слоев или витков спиральной скрутки (в данном варианте представляется целесообразным следить за радиусом изгиба волноводов, чтобы он не превысил критического значения, что приведет к «выпадению» полезного излучения из волновода). Таким образом, например, возможно изготовление устройства цилиндрической формы с выводом излучения как через боковую поверхность, так и с выводом излучения через торцы цилиндра.

При сборке устройства в пакет в плоской или по слоям в аксиальной геометрии волноводы каждого элемента плотно соприкасаются поверхностями с максимальным показателем преломления. Для сокращения потерь крайняя поверхность, не граничащая с другим волноводом, может покрываться отражающим слоем (зеркалом) для отражения фотонов, проходящих волновод под малыми углами к перпендикуляру к его поверхности. В целях концентрации выходящего излучения на определенном направлении также возможна зеркальная отсечка в поперечном сечении градиентных волноводов.

Со ссылкой на фиг. 3, в случае, когда источником первичной ядерной энергии служит радиоизотоп, излучающий электроны с невысокой начальной энергией (до нескольких десятков кэВ) нет необходимости в защитном слое активированного сцинтиллятора без топлива и если нет необходимости в толстом слое активированного сцинтиллятора с замещенными на топливные изотопы атомами, то есть не нужна высокая удельная мощность, в целях миниатюризации устройства, для сбора излучения достаточно использования градиентного волновода на одной излучающей поверхности. При этом вторая поверхность покрывается отражателем (зеркалом) 3.

Примеры наиболее перспективных (по мнению авторов) радиоизотопов для замещения в сцинтилляторах атомов матрицы и/или активатора собственными изотопами представлены в нижеследующей таблице 1.

Возможность реализации заявленной совокупности изобретений посредством использования сцинтилляторов, в которых атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами химически сродных элементов или молекулами таких элементов, служащими ядерным топливом, может быть рассмотрен на примере сцинтилляторов, работающих на основе реакции деления урана, плутония или иного делящегося изотопа, например лития-6 термоядерными нейтронами в бланкете ТЯР. На данный момент не известны разработки сцинтилляторов, куда уран, например, входил бы как элемент матрицы или активатора. Это связано с тем, что в основном сцинтилляторы служат для детектирования частиц и естественная радиоактивность актиноидов для этих целей является помехой. Однако широко известно об использовании уранилов и других соединений урана в создании флуоресцирующих стекол, керамик и эмалей. В настоящее время прозрачные керамические материалы на базе нанопорошковой технологии получают, например, для изготовления линз, сцинтилляторов и матриц фотонных (квантовых) генераторов и др. на базе оксидов Al₂O₃ (Лукалокс), Y₂O₃ (Иттралокс) и производных оксидов Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃, а также MgO, BeO, а также на базе оксидов Lu₂O₃ и Y₂O₃. Уран имеет степени окисления от +3 до +6, близок к бериллию в ряду активности, взаимодействует со всеми неметаллами и образует интерметаллические соединения с Al, Be, Bi, Со, Сu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Наиболее активно и быстро протекают реакции урана с разбавленной и концентрированной HNO₃ с образованием нитрата уранила UO₂(NO₃)₂. В присутствии НСl уран быстро растворяется в органических кислотах, образуя органические соли урана. В зависимости от степени окисления уран образует несколько типов солей (наиболее важные среди них с U⁴⁺, одна из них UCl₄ - легко окисляемая соль зеленого цвета); соли уранила (радикала UO₂²⁺) типа UO₂(NO₃)₂ имеют желтую окраску и флуоресцируют зеленым цветом. Соли уранила образуются при растворении амфотерного оксида UO₃ (желтая окраска) в кислой среде. В щелочной среде UO₃ образует уранаты типа Na₂UO₄ или Na₂U₂O₇. Последнее соединение («желтый уранил») применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол. Известно, что флуоресценция урановых стекол достигает максимума при концентрации по массовой доле 0,3 – 1,8 % в присутствии UO₂ и 4 – 6 % в присутствии UO₃ (по Na₂UO₄). Пример: фосфатное стекло 3C7 – 2,8% UO₃. Введение подобного количества посторонней примеси в сцинтиллятор со своим активатором даже в виде химически нейтральных наночастиц способно серьезно изменить его оптические свойства: снизить прозрачность, изменить спектр и даже блокировать полезное излучение. Массовая доля активаторов в сцинтилляторах обычно составляет от 0,01% до 2%. В этом смысле керамика на базе BeO:UO₂ или :UO₃, принимая во внимание сродство атомов урана к бериллию, может сама выполнять и функцию ядерного топлива с замедлителем нейтронов и преобразователя выделяемой ядерной энергии в излучение в зеленом узком спектре. В данном контексте целесообразно рассматривать не только керамические сцинтилляторы, но и кристаллические. Например, NaF: UF₃ или :UF₄, :UCl₄. Здесь также может быть применено легирование кристаллов фторида натрия галогенидами урана, где уран будет выступать излучающим активатором. Это вариант с замещением в сцинтилляторе атомов элементов матрицы и/или активатора химически сродными изотопами элементов, служащими ядерным топливом.

Отдельно стоит указать возможности использования органических сцинтилляторов для устройств на реакции деления. Размещение в их матрице наноразмерных топливных элементов из того же урана или его соединений чревато описанными выше недостатками: диффузией к волноводу самих элементов, продуктов распада, невозможностью блокировки и преобразования гамма-излучения, потерей прозрачности при высоких концентрациях топлива и экранированием первичной энергии соседними элементами. В этом смысле интерес представляют органические соединения урана. В уран-органических соединениях уран имеет степень окисления +3 или +4. Электронная плотность связи U-C смещена в сторону органической группы: U^δ+→R^δ-, а в образовании связи с заметной ковалентной составляющей участвуют также f-электроны атома урана. Химическая связь U-R принадлежит к π- или σ-типу. Наиболее изученными являются π-комплексы урана, в которых лигандом выступает циклопентадиен и его производные: U(C₅H₅)₃, U(C₅H₅)₄, U(C₅H₅)₃X, U(C₅H₅)₂X₂, U(C₅H₅)X₃, где X — это σ-связанные органические группы или ацидные лиганды, а также π-комплексы урана с циклооктатетраеновыми лигандами U(C₈H₈)₂ (ураноцен), U(C₈H₈)X₂Sol₂, где X — ацидный лиганд, а Sol — молекула растворителя с n-донорными атомами. Существуют также уранорганические соединения Li₂UR₆, Li₃UR₈, содержащие σ-связанные группы, и тетрааллильные комплексы. В целом свойства уранорганических соединений схожи со свойствами аналогичных соединений лантаноидов. Это сходство позволяет полагать применимость этих соединений в качестве активатора органического сцинтиллятора. Это вариант замещения в органических сцинтилляторах элементов матрицы и/или активатора в виде как отдельных химически сродных изотопов ядерного топлива, так и молекулами, содержащими эти изотопы.

Таким образом, устройство на основе преобразования ядерной энергии реакций деления в электрическую имеет аналогичную конструкцию основного элемента преобразования, аналогичный способ размещения топлива в сцинтилляторе, но имеет отличие в том, что работает в условиях нейтронного потока, формируемого внешними и/или внутренними ядерными источниками – ядерным топливом в виде делящегося материала.

Подытоживая, в рамках рассматриваемой заявки, во всех типах устройств, функционирующих на основе заявленного способа преобразования ядерной энергии, основными элементами являются: 1) активированный сцинтиллятор с частично или полностью замещенными изотопами ядерного топлива атомами матрицы и/или активатора – первичный преобразователь энергии ядерных частиц из собственной структуры в первичное излучение узкого спектра в зависимости от вида активатора в диапазоне от ИК до УФ; 2) 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. При этом волновод используется во всех типах приборов многоразового или длительного использования, а также в целях концентрации энергии сцинтилляционного излучения (яркости); а также 3) зеркальные покрытия – при создании мультипликативных устройств как внешняя оболочка в целях сокращения потерь, в особых случаях для замены волновода с одной из излучающих плоскостей с целью разворота светового потока на единственный собирающий волновод, а также для продольного ограничения светового потока в волноводе (направление к устройству-потребителю излучения).

Изобретение относится к средству производства низковольтного электричества. Предусмотрено прохождение ядерных частиц через по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора с получением электромагнитного излучения и преобразования в электрическую энергию за счет внутреннего фотоэффекта посредством передачи излучения до полупроводникового элемента. При этом используют активированный сцинтиллятор, в котором атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами в качестве ядерного топлива. Техническим результатом является возможность увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ получения электрической энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через по меньшей мере один слой активированного сцинтиллятора с последующим получением электромагнитного излучения узкого спектра или нескольких узких спектров в диапазоне от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) и преобразованием полученного излучения в электрическую энергию за счет внутреннего фотоэффекта посредством передачи излучения до полупроводникового элемента, расположенного на расстоянии от активированного сцинтиллятора, отличающийся тем, что используют активированный сцинтиллятор, в котором атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами в качестве ядерного топлива.

2. Преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер и/или быстрых нейтронов ядерного синтеза) 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 фотоэлектрическим преобразователем, отличающийся тем, что в активированном сцинтилляторе атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами в качестве ядерного топлива.