2.3 Радиоизотопные термоэлектрические гене­раторы

(РИТЭГ)

В качестве источника теплоты в них используется энергия распада ядер радионук­лидов (радиоизотопов), происходящего по экспо­ненциальному закону независимо от любых внеш­них условий. РИТЭГ отличаются простотой конст­рукции и эксплуатации, высокой надежностью и длительным сроком службы.

С начала 60-х годов только в СССР было разра­ботано около тысячи низкотемпературных, каскад­ных и высокотемпературных РИТЭГ суммарной электрической мощностью более 10 кВт. Общая на­работка их составила более 30 млн. ч с максималь­ной наработкой одного изделия более 100 тыс. ч. В Англии, Франции, Германии также созданы низко- и высокотемпера­турные РИТЭГ различного применения на элементах ⁹⁰Sr,²³⁸Рu,²⁴²Сm мощностью от 4 до 125 Вт.

Реакторные термогенераторы (РТЭГ). Тре­буемые уровни электрической мощности ТЭГ — от единиц до нескольких сотен и тысяч киловатт — могут быть обеспечены только в сочетании с ядер­ными реакторами (ЯР) в качестве источника тепло­ты.

По способу теплопередачи от ЯР к горячим спа­ям РТЭГ можно разделить на три типа:

• вынесенные, в которых ТЭГ размещен вне ЯР, а теплопередача осуществляется циркулирующими теплоносителями (вода, жидкий металл);

• встроенные, в которых ЯР и ТЭГ совмещены в едином блоке, ТЭБ размещены на оболочках твэлов или на отражателе, а теплопередача осуществ­ляется теплопроводностью;

• промежуточные, в которых отвод теплоты от ЯР к ТЭГ осуществляется тепловыми трубами (ТТ).

Отвод теплоты холодных спаев ТЭГ всех типов осуществляется хладагентом (вода, жидкий ме­талл) или излучением.

Начиная с 60-х годов по настоящее время созданы и опробованы в эксплуатации ряд уникаль­ных ядерных термоэлектрических энергоустановок для космических и наземных объектов.

3. Термоэмиссионные преобразователи (тэп)

ТЭП — устройство для преобразования тепловой энергия в электрическую, состоящее из двух металлических электродов (эмиттера и коллектора), разделенных межэлектродным зазором (МЭЗ) и соединенных внешней электрической цепью, содержащей на­грузку. Эмиттер ТЭП нагревается источником теп­лоты, коллектор присоединяется к охлаждающему устройству, что создает разность температур элек­тродов ТЭП. Термодинамическим рабочим телом ТЭП являются электроны.

Основные процессы в ТЭП: термоэлектронная эмиссия с уровня Ферми эмиттера в МЭЗ, перенос электронов через МЭЗ, конденсация электронов на уровень Ферми коллектора с выделением теплоты конденсации, перенос электронов через внешнюю цепь. В этих процессах происходит трансформация кинетической энергии электронов эмиттера в потен­циальную во внутреннем электрическом поле пре­образователя. Потенциальная энергия электронов во внешней цепи преобразуется в полезную работу. Не преобразованная в полезную работу теплота конденсации отводится в охлаждающее устройство при нижней температуре термодинамического цикла.

Классификация ТЭП отражает варианты реа­лизации МЭЗ и электродов, а также механизмы пе­реноса носителей тока через МЭЗ.

Вакуумный ТЭП. В МЭЗ высокий вакуум. Пере­нос электронов сопровождается образованием в МЭЗ пространственного заряда, ограничивающе­го плотность тока преобразователя.

Цезиевый плазменный ТЭП с адсорбционными электродами на основе тугоплавких металлов, яв­ляется основным применяемым типом ТЭП (рис 2.4). МЭЗ заполнен паром цезия, поступающим из цезиевого термостата, и в нем образуется цезиевая плазма, что приводит к минимизации пространственного заряда, кроме узких (порядка 5÷10 мкм — радиус Дебая плазмы) приэлектродных слоев. Адсорбция цезия на поверхности электродов приводит к сни­жению работы выхода электронов до оптимальных значений (эмиттера 2,6÷2,8 эВ, коллектора эле­ментов 1,4÷1,7 эВ). Адсорбция и ионизация цезия позволяют реализовать в ТЭП рациональные значе­ния плотности мощности.

1 — эмиттер; 2 — коллектор; 3 — нагрузка; 4 — под­водящие провода; 5 — термовводы; 6 — герметичный корпус; 7 — цезиевый термостат; 8 — поток энергии от теплового источника; 9 — не преобразованная те­плота; 10 — поток электронов и переносимая им энергия; 11 — поток энергии излучения; 12 — полез­ная работа во внешнюю цепь (электрический ток); 13 — утечки теплоты

Рисунок 2.4 - Схема цезиевого ТЭП

В цезиевом ТЭП в зависимости от условий реа­лизуются различные режимы работы: диффузионный, разрядный, квазивакуумный.

Цезий-бариевые плазменные ТЭП. МЭЗ запол­няется смесью паров цезия и бария. Энергия связи при адсорбции бария на тугоплавких металлах больше, чем при адсорбции цезия. Вследствие это­го барий удерживается на поверхности эмиттера и снижает его работу выхода электронов при более высокой температуре. Ионизация цезия обеспечи­вает компенсацию пространственного заряда. Эти ТЭП характеризуются более высокой плотностью мощности и КПД в диффузионном режиме при вы­сокой температуре эмиттера (более 2300 К).

Электроды ТЭП изготавливаютвя из тугоплав­ких металлов, применяемых в настоящее время, как правило, в виде монокристаллов. Для улучшения прочностных свойств применяются слаболегиро­ванные монокристаллы (вольфрам + 1÷1,5 % рения, молибден + 3 % ниобия и др.). Для изготовления кол­лекторов применяется чаще всего ниобий, а также молибден. Для улучшения свойств электродов, изго­товленных из ниобия и молибдена, на их поверх­ность могут наноситься покрытия из вольфрама.

КПД термоэмиссионного преобразователя как правило, значительно меньше КПД соответствующего идеального цикла Карно. Для оценки КПД может быть использована формула

где q_е = е  * +2kТ_е — теплота, переносимая элек­тронами;

q_r — теплота, переносимая потоком энергии излучения;

q_ — теплота, переносимая те­плопроводностью (через цезий) и через соедини­тельные провода.

Две последние составляющие вычисляют по обычным соотношениям теплообмена потока энер­гии излучения и теплопроводности.

Расчеты реальных термоэмиссионных преобра­зователей и их систем выполняются с использовани­ем достаточно сложных компьютерных программ.

Технические проблемы ТЭП. Основное на­правление использования ТЭП — источники энер­гии для космической техники. Однако не ис­ключаются и другие специальные применения ТЭП. При этом ТЭП могут быть встроены в ядер­ные реакторы (реакторы «Топаз» и «Топаз-2»), где источником теплоты служит реакция деления ядер урана, или использоваться в сочетании с высоко­точными концентраторами солнечной энергии.

При разработке реальных ТЭП важнейшими проблемами являются:

• создание электродов с определенной работой выхода, минимальной испаряемостью и малым со­противлением;

• регулирование и поддержание необходимого вакуума и давления паров наполнителя. В настоя­щее время созданы удовлетворительно работаю­щие источники пара цезия, пригодные для работы в условиях космоса на основе капиллярных струк­тур, заполненных жидким цезием, и на основе со­единений цезия с графитом;

• разработка коррозионно-стойкой оболочки корпуса ТЭП и надежного соединения различных частей преобразователя. Здесь основная роль при­ надлежит различным приемам соединения мате­риалов с различающимися температурными коэф­фициентами (ниобий, электроизоляционная керамика (А1₂О₃, Y₂О₃), нержавеющая сталь);

• подвод к эмиттеру теплового потока 10÷40 Вт/см и отвод его с коллектора ТЭП. В ядерном реакторе основной проблемой является совмести­мость эмиттера с ядерным топливом, в сол­нечных установках — создание ловушек-приемни­ков энергии излучения Солнца, характеризуемых малыми потерями на обратное излучение. При отво­де теплоты с коллектора — главная проблема ТЭП с ядерным нагревом — радиационная и термоцик­лическая стойкость многослойной металлокерамической конструкции, отделяющей объем преобразо­вателя от охладителя, в качестве которого обычно используют расплавленные щелочные металлы.