книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

водного акустического маяка, установленного в океане на глубине до 6850 м. Маяк можно использовать для навигации надводных

и подводных кораблей, а также для проведения подводных акусти­ ческих экспериментов. Конструкция генератора СНАП-7Е анало­ гична генератору СНАП-7А, за исключением биологической защиты, в которой уран заменен литым железом.

Перед загрузкой топлива помимо обычных испытаний по про­ грамме СНАГ1-7 генератор дополнительно испытывался на давление до 680 атм, соответствующее гидростатическому давлению при эк­

сплуатации. В 1962 г. установка была доставлена на Бермудские острова и опущена в Атлантический океан. Когда была достигнута глубина 3820 м, система прекратила работу и была поднята об­

ратно. Оказалось, что во внешней оболочке образовалась течь. Генератор был--исправлен и через некоторое время вновь опущен в океан, где он эксплуатировался до июня 1966 г.

Интересно отметить, что в США начиная с 1960 г. проводилисьразработки проектов подводных генераторов, в которых в качестве топлива предполагалось использовать не чистый изотоп, как во

с частичной обработкой позволяет резко снизить стоимость этих установок и расширить тем самым области их применения. Если бы удалось связать церий-144, стронций-80 и цезий-137 (общий выход в процессе деления около 20%) в химически устойчивое соединение, можно было бы получить эффективное изотопное топливо и значи­ тельно облегчить проблему использования сбросных отходов атом­ ной промышленности. По оценкам фирмы «Дженерал инструмент» можно получить смесь продуктов деления, содержащую в основ­ ном цезий-137 и стронций-90, с удельной мощностью около 0,1 вт/см3 [4]. Такое топливо может быть использовано, например,

для подводных установок, где обеспечивается надежный теплоотвод в окружающую среду при сравнительно низких температурах. Этой же фирмой разработано несколько конструктивных схем под­ водных генераторов с топливом из смеси продуктов деления. Одна из таких конструкций представлена на рис. 7.15.

Поскольку топливо из смеси продуктов деления с низкой удель­ ной мощностью может обеспечить температуру порядка 250— 300° С, для передачи тепла от источника к термоэлектрическому преобразователю целесообразно использовать циркулирующий теп­ лоноситель. В этом проекте теплоноситель не был выбран, но при­ годным для этой цели могут оказаться жидкие металлы или неко­ торые органические жидкости. Такая система теплопередачи упро­ щает регулирование мощности, позволяет разместить термоэлемен­ ты вдали от источника излучений, гибкая конструкция трубопро­ водов может быть использована для смягчения ударных и вибрацион­ ных нагрузок. Как видно из рис. 7.15, теплоноситель нагревается в спиральном нагревателе, расположенном в тепловом блоке, и пе­ реносит тепло к горячим спаям термоэлементов. Отработанное тепло

177

(Тх & 7 Ч- 10° С) от холодных спаев передается через статиче­

скую теплопроводящую жидкость внешней оболочке и затем окру­ жающей морской воде.

В качестве термоэлектрического материала в указанном диапа­ зоне температур может быть использован теллурид висмута. Топ­

дующих установок будет от 20 до 60 вт.

В соответствии с программой СНАП-23 разрабатывается другая серия изотопных генераторов мощностью от 20 до 200 вт для ис­

пользования как в наземных, так и в надводных установках. Гене­ раторы будут иметь высоту и диаметр 63,5 см, срок службы без ре­

монта не менее пяти лет. Предполагаемая стоимость — 33 тыс. долл. Стоимость топлива составит примерно половину этой суммы [3].

178 '

Указанные установки будут иметь усовершенствованные термо­ элементы. При эксплуатации генераторов типа СНАП-7 обнаружены следующие недостатки: падение мощности и снижение напряжения в процессе работы из-за окисления контактов на горячих спаях термоэлементов из теллурида свинца, увеличение контактного со­ противления и сублимация сплава. В связи с этим в генераторах второго поколения СНАП-21 и СНАП-23, разрабатываемых фирмами

Интересно отметить, что наряду с изотопными термоэлектрически­ ми источниками тока начались разработки изотопных генераторов, работающих на основе паротурбинного цикла. Например, фирма «Азроджей Дженерал Нуклеонике» по контракту с КАЭ разрабо­ тала проект глубоководной установки мощностью 3 кет [16]. В ка­ честве топлива использован кобальт-60 (1,56 Мкюри), рабочим те­

лом служит даутерм-А. В первом контуре циркулирует даутерм, во втором — вода. Установка рассчитана на давление 156 кГ/см2

179

в атомном центре Харуэлл разработан и изготовлен прототип изо­ топного термогенератора электрической мощностью 0,075 вт на

стронции-90. Вскоре было создано еще несколько генераторов этого типа, предназначенных главным образом для питания мор­ ских навигационных установок. Характеристики этих генераторов приведены в табл. 7.16.

аналогичны по конструкции и отличаются только материалом за­ щиты. Генератор RIPPLE-I имеет свинцовую защиту и предназна­ чен для использования в тех случаях, когда вес и габаритные раз­ меры не играют существенной роли. В генераторе RIPPLE-II ис­ пользована более легкая защита из вольфрамового сплава. Загруз­ ка стронция-90 активностью 700 кюри позволяет получать тепловую мощность 4,4 вт. Коэффициент полезного действия генератора до­

вольно низкий (1,7%). Это объясняется относительно низкой (180° С) температурой поверхности теплового блока и горячих спаев термоэлементов.

* RIPPLE — Radio Isotope Powered Pulsed Light Equipment.

180

В качестве термоэлектрического материала использован теллурид висмута. Преобразователь состоит из двух параллельных цепей, содержащих по 18 термоэлементов, соединенных последо­

ром Евратома в Испре (Италия) начата разработка термогенератора мощностью 5 вт на основе тулия-170. Разрабатываются также

генераторы мощностью от нескольких микроватт до милливатт для медицины, автоматизации и других целей.

§ 7.5

Изотопные термогенераторы для космоса

В в е д е н и е . Работы по подготовке к космическим полетам, начатые в Советском Союзе в тридцатых годах, были блестяще за­ вершены выводом на орбиту 4 октября 1957 г. первого искусствен­ ного спутника Земли, ознаменовавшим начало космической эры

181

человечества. Первый спутник просуществовал как космическое тело в течение 92 суток, 4 января 1958 г. спутник вошел в плотные слои атмосферы и прекратил свое существование. С помощью пер­ вого искусственного спутника Земли была получена информация о плотности атмосферы, электронной концентрации в ионосфере, метеоритной опасности и другие сведения [18].

Через месяц, 3 ноября 1957 г., был выведен на орбиту второй, а в мае 1958 года третий искусственные спутники Земли, которые продолжили программу исследований, начатую с запуском первого спутника.

12 апреля 1961 г. в Советском Союзе был совершен первый полет человека в космическое пространство. На орбиту вокруг Земли был выведен корабль-спутник «Восток», пилотируемый летчикомкосмонавтом Ю. А. Гагариным.

За период, прошедший со дня запуска первого искусственного спутника Земли, космические аппараты проникли глубоко в космос, достигли Луны и Венеры, пролетели вблизи Марса. На орбиты вокруг Земли были выведены сотни спутников для исследования околоземного космического пространства, изучения дальней радио- и телевизионной связи, получения метеорологических данных, улучшения навигации и других целей.

На первых искусственных спутниках Земли, программа иссле­ дований которых была рассчитана на несколько дней или недель, в качестве источников электропитания бортовой аппаратуры ис­ пользовались химические батареи. Однако химические источники энергии, имеющие сравнительно короткий срок службы (недели,) не могли удовлетворить потребности длительных космических по­ летов. Поэтому была начата разработка новых источников энергии, обладающих малым весом, высокой надежностью и большим ресур­ сом работы в условиях космического пространства. Эти исследо­ вания развивались главным образом в направлении создания сол­ нечных элементов и радиоизотопных термоэлектрических генера­ торов. Разработка солнечных источников энергии проводилась в го­ раздо более широких масштабах и первые образцы солнечных бата­ рей были испытаны на третьем искусственном спутнике Земли [18].

Радиоизотопные генераторы создавались в качестве запасного варианта в основном для решения таких задач по исследованию и использованию космического пространства, для которых солнечные батареи малоэффективны, например, для систем, длительное время работающих на поверхности или в тени планет и Луны, искусствен­ ных спутников на орбите, проходящей через мощные радиационные пояса, и др.

Программой разработки первых изотопных генераторов преду­ сматривалось создание демонстрационной энергетической установки с радиоизотопным источником тепла и термоэлектрическим способом преобразования этого тепла в электрическую энергию. В резуль­ тате оценки свойств радиоактивных изотопов и последующего их

182

отбора было установлено, что для генераторов космического назна­ чения наиболее подходящим топливом являются а-излучатели.

ших количествах работали термоэлектрические генераторы типа ТГК-3 на жидком топливе, массовый выпуск которых был начат в 1953 г. (см. гл. 6). Успешно разрабатывались новые, более эффек­ тивные полупроводниковые термоэлектрические материалы, такие, как кремний-германиевый сплав, сплавы на основе висмута, тел­ лура, олова и др. Все эти обстоятельства позволили начать раз­ работку изотопных термогенераторов космического назначения.

первых космических изотопных генераторов в СССР было изготов­ лено несколько установок электрической мощностью до 10 вт,

отличающихся конструкцией корпуса и способом прижатия термо­ элементов к поверхности теплового блока. Один из этих генераторов был загружен полонием-210 активностью 7700 кюри и испытан на ресурс в течение 2000 ч. Другие установки прошли испытания с

электронагревом, в которых были определены тепловые и электри­ ческие характеристики, надежность работы термоэлектрического преобразователя и генератора в целом.

Врезультате рассмотрения различных вариантов была выбрана конструкция генератора, в которой тепловой блок в форме плоского параллелепипеда зажат с двух сторон термоэлектрическими элемен­ тами (рис. 7.18). Холодные спаи термоэлементов соединялись с кор­ пусом генератора. Тепло, генерируемое изотопным источником, проходило через термоэлектрический преобразователь, затем пере­ давалось корпусу генератора за счет теплопроводности и отводилось

вокружающее пространство излучением [13].

Втабл. 7.17 приведены основные результаты, полученные при испытании трех установок с электронагревом. В качестве подогре­ вателя использовалась молибденовая спираль, помещенная в гра­ фитовый блок тех же размеров, что и тепловой блок. Испытания про­ водились в течение более 1000 ч при различных тепловых режимах.

Тепловой блок был выбран в форме плоского параллелепипеда ши­

риной и длиной по 60 мм и высотой 13 мм. Блок такой формы прост

в изготовлении и обеспечивает высокий коэффициент использования тепла (см. табл. 7.17). Тепловой блок изготавливался из нержаве­ ющей стали и имел пять глухих каналов для размещения ампул с радиоактивным изотопом. Заключенный в никелевую ампулу полоний-210 помещали в две оболочки из нержавеющей стали. Обо­ лочки герметизировались сваркой. Такие меры предосторожности обусловлены тем обстоятельством, что по расчетным данным дав­ ление гелия на стенки ампулы к концу срока испытаний достигнет 200 атм при рабочей температуре 650—700° С. Заключенную в обо­

лочки ампулу помещали в глухой канал теплового блока, который можно закрыть пробкой на резьбе. Герметизация обеспечивалась

183

обваркой головки пробки. Тепловую мощность изотопного источника в сборе определяли калориметрическим путем. На рис. 7.19 показан тепловой блок и основные его элементы.

Рис. 7.18. Изотопный генератор на полонии-210 (разрез):

1— токопровод; 2 — ампула с топливом; 3 — термоэлементы; 4 — стр}5цина; 5 — пробка; 6 — корпус-излучатель.

184