<Desc/Clms Page number 1>
Energieumwandler
Die Erfindung bezieht sich auf Energieumwandler für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, welche bei hohen Temperaturen und niederen Drücken arbeiten und insbesondere solche Energieumwandler, die sich zur Energieumwandlung eines einen niedrigen Druck besitzenden Plasmas bedienen.
Energieumwandler, welche mit hohen Temperaturen und einem einen niederen Druck besitzenden Plasma arbeiten, sind auch solche Energieumwandler, welche Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umwandelt, welche auch als Plasmazellen, Plasmathermoelemente u. dgl. bezeichnet werden.
Mit thermischer Elektronenemission arbeitende Energieumwandler sind gegenwärtig für die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie im Zusammenhang mit der Ausnützung der Sonnenenergie und im Zusammenhang mit für Kraftwerke bestimmten Atomreaktoren u. dgl. von besonderem Interesse. Durch die Verwendung solcher mit thermischer Elektronenemission arbeitender Energieumwandler, im folgenden kurz Elektronenemissions-Energieumwandler, ist es möglich die grossen, in einem Atomreaktor durch Kernspaltung erzeugten Wärmemengen direkt in elektrische Energie uberzutuhren ohne herkömmliche Dampferzeuger und-verwerter, beispielsweise Dampfkessel und Dampfturbinen od. dgl. verwenden zu müssen.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, mit Atomreaktoren betriebene Kraftwerke gedrängter und einfacher auszuführen und mit geringen Kosten errichten zu können.
Elektronenemissions-Energieumwandlerbesitzen im allgemeinen die Form dicht abgeschlossener Zellen, in welchen der Dampf eines leicht ionisierbaren Materials, beispielsweise Caesiums, eingeschlossen ist. In solchen Zellen befindet sich darüber hinaus eine heisse Elektrode, auch Kathode oder Elektronenquelle, welche bei einer Arbeitstemperatur von etwa 10000 C bis etwa 20000 C arbeitet und eine kalte Elektrode, auch Anode oder Kollektor, welche im Abstand von der Kathode angeordnet ist und bei einer Arbeitstemperatur von etwa 00 C bis etwa 10000 C, d. h. bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur der Kathode entspricht, betrieben wird.
Die in Frage kommenden Arbeitstemperaturen können jedoch auch ausserhalb der angegebenen Bereiche liegen. Damit im Raum zwischen der Kathode und der Anode ein relativ niedriger Druck aufrecht erhalten werden kann. sind Kathode und Anode mit einem gasdichten Überzug umgeben. Bei Arbeitstemperatur ist in einem solchen Elektronenemissions-Energieumwandler des Caesium oder eine andere leicht ionisierbare Substanz im Raum zwischen Kathode und Anode mit einem Dampfdruck von nur etwa 10-6 mm Hg bis etwa 1 mm Hg eingeschlossen. Beim Betrieb eines solchen Elektronenemissions-Energieumwandlers wird die heisse Elektrode, auch Kathode, auf eine Temperatur aufgeheizt, bei welcher Elektronen von
EMI1.1
Raum zur kalten Elektrode, auch Anode, gelangen.
Jede der Elektroden ist an Stromzuführungen angeschlossen, welche die Elektroden mit einem äusseren Belastungskreis verbinden. In solchen Elektronenemissions-Energieumwandlern wird somit die in die heisse Elektrode eingebrachte Wärmemenge teilweise in einen elektrischen Strom verwandelt.
Der Caesiumdampf bewirkt eine Erhöhung der Geschwindigkeit, mit welcher die Elektronen von der Oberfläche der heissen Elektrode abdampfen und vermindert auch die durch die kalte Elektrode bewirkten Wärmeverluste. Darüber hinaus bildet der Caesiumdampf ein ionisiertes Gas, auch Plasma, das den Einfluss der Raumladungswolke im Bereich zwischen heisser Elektrode und kalter Elektrode neutralisiert, weshalb die Elektronen leichter von der heissen Elektrode zur kalten Elektrode gelangen.
<Desc/Clms Page number 2>
Eine wesentliche Schwierigkeit, welche bei. der Verwendung solcher Elektronenemissions-Energieum- wandler auftritt ist im wesentlichen auf eine Zerstörung der heissen Elektrode durch Verdampfungsvorgänge zurückzuführen. Der Dampfdruck des Caesiums ist so gering, dass die Verdampfung des Materials der heissen Elektrode praktisch als eine Verdampfung in ein vollkommenes Vakuum zu bezeichnen ist. Durch diese Verdampfung des Materials der heissen Elektrode werden die Abmessungen der heissen Elektrode verringert. Bei einer typischen, für die Verwendung in Atomreaktoren bestimmten Anordnung, enthält die heisse Elektrode Reaktorbrennstoff. Die Verringerung der Abmessungen der heissen Elektrode in jeder der vielen in einem Reaktor befindlichen Zellen ist besonders nachteilig, da dadurch schliesslich der Reaktorbetrieb beeinträchtigt wird.
Gleichgültig ob nun in der Kathode Reaktorbrennstoff enthalten ist oder nicht, entstehen stets bei Verwendung üblicher Elektronenemissions-Energieumwandler Schwierigkeiten. Das von der heissen Elektrode abgedampfte Material besitzt nämlich die Neigung sich an der Oberfläche der kalten Elektrode je nach der Natur desselben, abzuscheiden, wodurch die optische Reflexion der kalten Elektrode verringert wird.
In der Folge wird durch die verringerte optische Reflexion der kalten Elektrode von der kalten Elektrode die von der heissen Elektrode abgestrahlte Wärmemenge in grösserem Ausmass absorbiert, so dass diese Wärmemenge schliesslich verlorengeht.
Je höher die optische Reflexion der Oberfläche der kalten Elektrode ist, umso höher ist jener Anteil der auf die kalte Elektrode auftreffenden Wärmestrahlung, welcher wieder zur heissen Elektrode zurückgeworfen und damit zur Stromerzeugung zurückgewonnen wird.
Ein weiterer, während des Betriebes üblicher Elektronenemissions-Energieumwandler auftretender schädlicher Nachteil, welcher als Folge der Abscheidung des Materials der Kathode an der Oberfläche der kalten Elektrode auftritt, ist die zunehmende Temperaturbelastung der Oberfläche der kalten Elektrode.
Die Arbeitstemperatur der heissen Elektrode kann zwar, um die Verwendungsdauer eines Elektronenemissions-Energieumwandlers durch Verminderung der Verdampfungsgeschwindigkeit des Materials der Kathode zu erhöhen, gesenkt werden, jedoch wird gleichzeitig mit der Absenkung der Arbeitstemperatur der heissen Elektrode der Wirkungsgrad und die erzielbare Ausgangsleistung des Elektronenemissions-Energieumwandlers erniedrigt. Umgekehrt kann der Wirkungsgrad und die erzielbare Ausgangsleistung dieser Art von Stromerzeugern durch Erhöhung der Temperatur der heissen Elektrode, allerdings unter Verringerung der Lebensdauer des Energieumwandlers, stark erhöht werden.
Es wäre daher von besonderem Nutzen, wenn ein Elektronenemissions-Energieumwandler geschaffen werden könnte, der gegen die dauernde Verdampfung des Materials der Elektronenquelle (der heissen Elektrode) widerstandsfähig ist. Ein solcher Elektronenemissions-Energieumwandler könnte bei höheren Temperaturen betrieben werden und mit solchen Elektronenemissions-Energieumwandlern könnte bei gleichzeitig vergrösserter Lebensdauer ein grösserer Wirkungsgrad und eine grössere Leistung erzielt werden.
Darüber hinaus könnten auch Materialien, welche gegenwärtig wegen ihres hohen Dampfdruckes licht für heisse Elektroden verwendet werden können auf Grund anderer Eigenschaften jedoch für die Ver- wendung in heissen Elektroden besonders geeignet sind, in einem solchen Elektronenemissions-Energieum- wandler, welcher widerstandsfähig ist gegen die dauernde Verdampfung der Emissionsschicht der heissen Elektrode, verwendet werden. Es wäre auch von Vorteil, wenn es gelänge einen ElektronenemissionsEnergieumwandler zu schaffen, in welchem eine hohe optische Reflexion und damit eine geringe Temperaturbelastung der Oberfläche der kalten Elektrode aufrechterhalten werden kann.
Dementsprechend ist es Hauptgegenstand der Erfindung verbesserte Vorrichtungen für mit hohen Temperaturen und niederen Drücken arbeitende Energieumwandlungssysteme zu schaffen. Es ist dementspre- : hend weiters Gegenstand der Erfindung einen verbesserten Elektronenemissions-Energieumwandler mit erhöhter Lebensdauer zu schaffen, in dem die dauernde Verminderung der Menge des Materials der heiSen Elektrode verhindert ist und der dementsprechend bei sehr hohen Temperaturen und über ausgedehnte Zeiträume mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist es auch einen verbesserten Elektronenemissions-Energieumwandler für Sie Verwendung in Atomreaktoren zu schaffen. Es ist weiters Gegenstand der Erfindung Massnahmen beeitzustellen, durch welche die dauernde Verringerung der Menge des Materials der heissen Elektrode eines : lektronenemissions-Energieumwandlers verhindert wird und durch welche weiters auch eine Verringerung ier optischen Reflexion und eine Zunahme der Temperaturbelastung der Oberfläche der kalten Elektrode rerhindert wird.
Es ist weiters Gegenstand der Erfindung, einen verbesserten Elektronenemissions-Energie-
<Desc/Clms Page number 3>
umwandler zu schaffen, in dem eine heisse Elektrode mit eingebautem Reaktorbrennstoff vorgesehen ist, dessen Abmessungen im Betrieb geringeren Veränderungen unterworfen sind, als dies bisher der Fall war.
Ein erfindungsgemässer Energieumwandler für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, welcher die oben beschriebenen Nachteile bekannter Energieumwandler zu vermeiden gestattet, ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine für hohe Arbeitstemperatur, beispielsweise 1000 - 20000 C, bestimmte Kathode, und eine für eine gegenüber der Arbeitstemperatur der Kathode niedrigere Arbeitstemperatur, beispielsweise 0 - 10000 C, bestimmte Anode, in einer gasdichten Hülle aufweist und dass sich in dem zwischen Anode und Kathode gelegenen Bereich ein Halogene, insbesondere Jod, und/oder Wasserstoff enthaltendes Trägergas mit niederen Druck befindet, das mit dem auf der Anode abgeschiedenen Kathodenmaterial unter Bildung von Verbindungen reagiert, welche an der heissen Kathode durch thermische Zersetzung in Trägergas und sich an.
der Kathode niederschlagendes Kathodenmaterial gespalten werden.
Der in einem erfindungsgemässen Energieumwandler auftretende Effekt, dass an der Anode niedergeschlagenes, von der Kathode abgedampftes Kathodenmaterial vom Trägergas in gasförmige Verbindungen des Kathodenmaterialsübergeführtwird, die sodann an der Kathode thermisch zersetzt werden, wobei sich das Kathodenmaterial wieder an der Kathode abscheidet, ist zum wesentlichen Teil auf die verschiedenen Arbeitstemperaturen der Anode und der Kathode, von welchen Temperaturen die Temperatur der Kathode die höhere ist, zurückzuführen. Dadurch wird sichergestellt, dass erfindungsgemässe Energieumwandler, deren Lebensdauer ebenso wie die Lebensdauer bekannter Energieumwandler im wesentlichen von der Lebensdauer der Kathode bestimmt wird, eine wesentlich grössere Lebensdauer besitzen als bisher bekannte Energieumwandler.
Da in erfindungsgemässen Energieumwandlern die Reflexionsfähigkeit der Oberfläche der Anode durch abgeschiedenes Kathodenmaterial praktisch nicht beeinträchtigt wird, können in erfindungsgemässen Energieumwandlern, bezogen auf in den Abmessungen etwa gleich ausgebildete bekannte Energieumwandler und bezogen auf gleiche Kathodenbelastung, höhere Kathodentemperaturen dauernd aufrecht erhalten werden, so dass mit erfindungsgemässen Energieumwandlern höhere Wirkungsgrade erzielbar sind.
Wenn gemäss der Erfindung des Trägergas zu einem Teil ein bei niederem Druck ein Plasma bildendes, Caesium enthaltendes, leicht ionisierbares Material enthält, kann die Stromergiebigkeit des erfindungsgemässen Energie-
EMI3.1
de umgebende gasdichte Hülle in zumindest einem Bereich für Infrarotstrahlung durchlässig ist, und dass die Kathode dem für Infrarotstrahlung durchlässigen Teil der Hülle benachbart angeordnet ist und es genügt bei einer solchen Ausbildung des Energieumwandlers die gebündelte Sonnenstrahlung durch den für Infrarotstrahlung durchlässigen Bereich der Hülle des Energieumwandlers zu lenken.
Selbstverständlich ist ein so ausgebildeter Energieumwandler auch für die Umwandlung von aus andern Quellen als der Sonne stammender Infrarotstrahlung in elektrische Energie geeignet. Bei einer solchen Ausbildung des Energieumwandlers besteht gemäss der Erfindung die Kathode zweckmässig aus Wolfram und die Anode zweckmässig aus Nickel.
Sollen erfindungsgemässe Energieumwandler in Atomreaktoren zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie verwendet werden, so kann dies dadurch-geschehen, dass der Energieumwandler mit einer Kernreaktorbrennstoff enthaltenden Kathode ausgestattet ist. In einem solchen Falie enthält gemäss der Erfindung die Kathode zweckmässig Urankarbid und die Anode zweckmässig Nickel.
Weitere Einzelheiten der Erfindung und weitere durch die Erfindung erzielbare Vorteile werden im folgenden an Hand der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung noch näher erläutert.
Fig. l zeigtschematisch in perspektivischer Ansicht einen Teil eines für die Verwertung von Sonnenenergie ausgebildeten erfindungsgemässen Elektronenemissions-Energieumwandlers, wobei, um den inneren Aufbau eines solchen Elektronenemissions-Energieumwandlers zu zeigen, Teile weggebrochen sind und Fig. 2 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht einen Teil eines erfindungsgemässen Elektronen- emissions-Energieumwandlers, der in ein für einen Atomreaktor bestimmtes Brennstoffelement eingesetzt ist, wobei um den Aufbau im Inneren des Elektronenemissions-Energieumwandlers sichtbar zu machen, Teile weggebrochen sind.
Die Erfindung betrifft eine neue Art eines bei hohen Temperaturen und niederen Drücken arbeitenden Energieumwandlungssystems, in welchem ein ein Trägergas enthaltendes Medium (Gasfüllung) verwendet ist, das ein leicht ionisierbares Material, das zur Bildung eines Plasmas während des Betriebes geeignet ist,
<Desc/Clms Page number 4>
enthalten kann. Dieses Medium bewirkt, dass bei Verwendung des erfindungsgemässen Elektronenemissions-
Energieumwandlers eine dauernde Verringerung des Materials der heissen Elektrode des Energieumwand- lers verhindert und dementsprechend die Lebensdauer, der Wirkungsgrad u.dgl. des Energieumwandlers verbessert wird.
Erfindungsgemässe Energieumwandler, können somit bei höheren Temperaturen betrieben werden und liefern eine grössere Leistung als bisher bekannte Energieumwandler und in erfindungsgemässen
Energieumwandlern können Materialien verwendet werden, welche, da sie bisher zu hohen Verlusten an
Elektrodenmaterial führten, nicht verwendet werden konnten.
Das erfindungsgemässe, bei hohen Temperaturen mit einem einen niedrigen Druck besitzenden Trä- gergas arbeitende Energieumwandlungssystem weist ein erstes für hohe Arbeitstemperaturen bestimmtes
Element auf, das von einem für niedere Arbeitstemperaturen bestimmten Element im Abstand angeord- net ist, wobei in einer bis zu einem niedrigen Druck evakuierten Zone zwischen den beiden Elementen im wesentlichen nur das verbesserte erfindungsgemässe Medium (Gasfüllung) enthalten ist. Diese evaku- ierte Zone kann einfach dadurch hergestellt werden, dass das erste und das zweite Element in eine luft- dicht verschlossene Hülle eingebaut werden.
Anderseits kann auch das erste oder das zweite Element einen Teil der Umhüllung bilden, wobei das verbleibende Element innerhalb der Umhüllung angeordnet wird. Es sei betont, dass neben den in den Fig. l und 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen auch die beiden angeführten Ausführungsformen in
Betracht zu ziehen sind.
In der Fig. l ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elektronenemissions-Energieumwand- lers schematisch dargestellt, der für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bestimmt ist. Im Zusammenhang mit einem in der Fig. l dargestellten Energieumwandler (im folgenden kurz Son- nenbatterie) wird eine ausserhalb der Sonnenbatterie angeordnete und mit Sonnenenergie gespeiste Wär- mequelle vorgesehen. Die Sonnenbatterie 7 weist eine heisse Elektrode bzw. Kathode 9 von vorzugsweiser grosser Oberfläche, beispielsweise in Form einer grossen Tafel 11, und eine kalte Elektrode bzw. eine mit niederen Temperaturen zu betreibende Anode 13, von vorzugsweise ähnlicher Grösse und Form wie die Kathode, beispielsweise in Form einer Platte 15, auf.
Anode und Kathode sind durch einen, beispielsweise eine Breite von etwa 6,6 mm (von Kathode zu
Anode) besitzenden, Raum 17 voneinander getrennt, durch welchen beim Betrieb der Sonnenbatterie ein Elektronenstrom fliesst. Der Abstand von Kathode zu Anode kann hiebei irgendeine andere geeignete Grö- sse besitzen. Im Raum 17 zwischen Kathode und Anode ist weiters das erfindungsgemässe verbesserte Medium vorgesehen, das während des Betriebes der Sonnenbatterie einen ionisierten Dampf bzw. ein Plasma, bildet ; der Dampf besitzt geringen Druck. Innerhalb der Umhüllung kann als ein solches Medium beispielsweise Caesiummetall und ein Trägergas eingeschlossen sein.
Wenn das System auf Arbeitstemperatur erhitzt wird, ist der Druck im Raum zwischen den Elektroden der Sonnenbatterie jener vom verdampften und ionisierten Caesium und dem Trägergas gebildet. Kathode und Anode sind innerhalb einer gasdichten Umhüllung 19, in welcher der oben angegebene relativ niedrige Druck herrscht, eingeschlossen. Selbstverständlich kann entweder die Kathode oder die Anode mindestens einen Teil der Umhüllung bilden. Kathode und Anode sind mit Stromzuführungen 21 und 23 versehen, welche durch in die Hülle eingesetzte Dichtungen bzw. Isolatoren 25, 27 aus der Umhüllung herausgeführt sind und um den äusseren Stromkreis zu schliessen an eine äussere Last angeschlossen werden.
Es ist weiters eine Vorrichtung 29, beispielsweise in Form eines Reflektors 31, vorgesehen, welche die Sonnenstrahlung bündelt und zwecks Erhitzung der Kathode bzw. der heissen Elektrode auf die für eine Elektronenemission erforderliche Temperatur. gegen die heisse Elektrode richtet. Während des Erhitzens der Kathode wird das beschriebene, leicht ionisierbare Material des Mediums unter Bildung eines Plasmas ionisiert. Die Kathode selbst braucht lediglich eine Elektronenquelle darzustellen, die von der Wärmequelle beheizt wird.
--Bei Arbeitstemperatur der Sonnenbatterie wird vom Medium ein Plasma niedrigen Dampfdruckes von beispielsweise etwa 10-6 mm Hg bis etwa 2 mm Hg im Raum zwischen Kathode und Anode gebildet. Das Medium enthält irgendein leicht ionisierbares Material, wie beispielsweise ein Alkalimetall oder mehrere Alkalimetalle, wie beispielsweise Caesium, Kalium, Rubidium oder Natrium in Form eines ionisierten Dampfes mit einem Zusatz eines Trägergases, im vorliegenden Falle ein Halogen oder mehrere Halogene.
Als Trägergas kann erfindungsgemäss auch Wasserstoff, wie später noch im einzelnen beschrieben wird, vorgesehen sein. Das leicht ionisierbare Material und auch das Halogen bzw. die Halogene, können für sich in Konzentrationen im Medium vorhanden sein, welche Partialdrücken von etwa 10-6 mm Hg bis
<Desc/Clms Page number 5>
etwa 1 mm Hg entsprechen und zusammen den oben angegebenen Gesamtdruck ergeben. Üblicherweise ist das leicht ionisierbare Material in einer Menge vorhanden, die ausreicht zur Erzielung einer Teil- chendichte innerhalb der Hülle, im Dampfzustand, von 1017 bis 1012 Teilchen/cm3. Vorzugsweise ist das Halogen mit einer einem Druck von etwa 1 mm Hg entsprechenden Konzentration vorhanden.
Beim Betrieb der in Fig. l dargestellten Sonnenbatterie verbindet sich das Halogen bis zu einem ge- wissen Masse mit dem leicht ionisierbaren Material unter Bildung eines ionisierten Halids. Es ist jedoch auch im allgemeinen sowohl freies Halogen als auch freies Alkalimetall vorhanden. Wenn beispielsweise
Caesium als leicht ionisierbares Material und Jod als Trägergas verwendet wird, so bildet sich während des Betriebes der Sonnenbatterie ein Plasma aus, in dem ein Teil des Jods mit dem ionisierten Caesium- dampf ein ionisiertes Caesiumjodid bildet. Bei Verwendung von Fluor an Stelle des Jods ist ein Teil des
Fluors im Plasma als ionisiertes Caesiumfluorid enthalten.
In durchaus ähnlicher Weise können im Plasma aus Caesium und Chlor bzw. Brom die entsprechen- den Halide gebildet werden. Auch wenn an Stelle des Caesiums Kalium, Rubidium, Natrium oder ein anderes leicht ionisierbares Metall in Form eines Dampfes das Plasma bildet, entsteht im Plasma bis zu einem gewissen Ausmass das entsprechende Metallhalid. Erfindungsgemäss wird somit ein Elektronen- emissions-Energieumwandler geschaffen, dessen Plasma bei Arbeitstemperatur sowohl ein Halid als auch auch freies Halogen enthält. Dies steht im Gegensatz zu bisher bekannten Energieumwandlern, in wel- chen bei Arbeitstemperatur nur ein Alkalimetalldampf, beispielsweise ionisierter Caesiumdampf, im
Plasma enthalten ist.
Die Kathode der in Fig. l dargestellten Sonnenbatterie weist eine Elektronenquelle grosser Oberfläche, beispielsweise aus Wolfram od. dgl., z. B. wie in Fig. l gezeigt, in Form eines dünnen Bleches auf.
Die Anode kann von ähnlicher Grösse und Form sein wie die Kathode und beispielsweise aus Kupfer, Nikkel oder einem andern Material geeigneter elektrischer Leitfähigkeit bestehen.
Für die Umhüllung kann irgendein geeignetes gasdichtes Material verwendet werden, das den relativ niedrigen Drücken standhält. Diese Umhüllung befindet sich in Übereinstimmung mit der Ausbildung einiger bekannter Sonnenbatterien in einem geeigneten Abstand von der Anode und der Kathode.
Die Umhüllung ist zumindest im an die Kathode angrenzenden Bereich von einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material, wie beispielsweise Glas, Quarz od. dgl., gebildet. Mit Hilfe des Reflektors 31 kann dann, wie in Fig. l dargestellt ist, die Wärmestrahlung der Sonne durch die Umhüllung hindurch gegen die angrenzende Oberfläche der Kathode gerichtet werden. Durch die Wärmestrahlung der Sonne wird somit die Kathode auf eine für die Erzielung einer Elektronenemission ausreichende Temperatur aufgeheizt.
Da die Temperatur der Kathode durch Bestrahlung mit von der Sonne stammender Wärmestrahlung üblicherweise auf etwa 10000 C - etwa 20000 C erhöht wird, bei welcher Temperatur Elektronen in gro- sser Zahl von der Kathodenoberfläche abdampfen, gelangen einige dieser Elektronen in den Raum 17 zwischen Kathode und Anode und weiter zur Anode. Gleichzeitig damit nimmt auch die Verdampfung des Kathodenmaterials, insbesondere deshalb weil sich das Kathodenmaterial innerhalb der Umhüllung in einem Vakuum befindet, zu.
Erfindungsgemäss wird auch die dauernde Verdampfung des Kathodenmaterials durch die Anwesenheit eines Halogens im aus bei den in Frage kommenden Arbeitstemperaturen aus dem leicht ionisierbaren Material des Mediums entstehenden Plasma unterdrückt. Material aus der Emissionsschicht der Kathode, beispielsweise Wolfram, verdampft und geht in Dampfform in das Plasma ein, wobei es auch mit der kalten Elektrode 13 in Berührung kommt und in Anbetracht der niedrigen Temperaturen der Oberfläche der kalten Elektrode von etwa 00 C bis 10000 C, welche wesentlich niedriger, beispielsweise 5000 C bis 10000 C niedriger, sind als die Temperatur der heissen Elektrode, an der Oberfläche der kalten Elektrode niedergeschalgen wird.
Da nun aber das Plasma, welches Caesium oder ein anderes ionisiertes Metall enthält, auch ein Halogen, beispielsweise Jod oder Fluor, enthält, welches mit dem an der Oberfläche der kalten Elektrode abgeschiedenen Material der Emissionsschicht unter Bildung eines Halids reagiert, das in das Plasma und damit wieder in Berührung mit der heissen Oberfläche der heissen Elektrode gelangt, wird durch thermische Zersetzung des so gebildeten Halids des Materials der Emissionsschicht ein Teil des Materials der Emissionsschicht auf der Oberfläche der heissen Elektrode wieder abgeschieden, wobei das Halogen wieder in Freiheit gesetzt wird und wieder im angegebenen Sinne zur Auflösung weiterhin an der Oberfläche der kalten Elektrode abgeschiedenen Materials der Emissionsschicht zur Verfügung steht.
Auch das im Plasma aus ionisiertem Caesiumdampf oder einem andern leicht ionisierbaren Material und einem Halogen gebildete Halid trägt ebenso wie das im Plasma vorhandene freie Caesium mit zum
<Desc/Clms Page number 6>
Elektronenstrom von der Kathode zur Anode in ähnlicher Weise bei, wie dies der Caesiumdampf allein in üblichen Caesium-Plasmazellen tut.
Im Rahmen des beschriebenen Vorganges wird das Halogen nicht verbraucht und wirkt somit stets als Leiter für den Elektronentransport und als Trägergas, durch welches an der kalten Elektrode abgeschiede-
EMI6.1
räume als die Abmessungen herkömmlicher. Geräte unbeeinflusst und die bereits erwähnten, bei Elektro- nenemissions-Energieumwandlern auftretenden Schwierigkeiten, welche auf eine Verringerung der opti- schenReflexion und eine Erhöhung der thermischen Belastung der Oberfläche der kalten Elektrode zurück- zuführen sind, werden vermieden. Dieser Effekt kann, gleichgültig welcher Alkalimetalldampf im Plas- ma vorliegt und gleichgültig welches Halogen zusammen mit einem Alkalimetall verwendet wird, er- zielt werden.
Es soll nochmals erwähnt werden, dass während des Betriebes des Energieumwandlers die heisse Elektrode mit jener Mindesttemperatur arbeiten soll, welche ausreicht zur Zersetzung der Halide des Kathodenmaterials, das an der Anode abgeschieden war und von der Anode durch das Halogen abge- löst wurde. Die Temperatur der Anode soll unterhalb der Verdampfungstemperatur des von der Kathode abgedampften Kathodenmaterials liegen.
Durch die Erfindung wird somit ein Elektronenemissions-Energieumwandler in Form einer Sonnen- batterie und ein verbessertes Medium (eine verbesserte Gasfüllung) für einen Elektronenemissions-Ener- gieumwandler geschaffen.
In der Fig. 2 der Zeichnung ist ein Elektronenemissions-Energieumwandler 33 schematisch darge- stellt, der im wesentlichen ähnlich ist einer in Fig. l dargestellten Sonnenbatterie, welcher jedoch, statt im Zusammenhang mit einer äusseren Wärmequelle, im Zusammenhang mit einer inneren Wärmequelle verwendet wird. Die innere Wärmequelle ist von einem Brennstoffkörper 35 gebildet, welcher durch in einem Atomreaktor ablaufende Kernspaltung auf eine für eine Elektronenemission durch die heisse Elek- trode 37 erforderliche Glühtemperatur erhitzt wird.
Derin der Fig. 2 dargestellte Elektronenemissions-Energieumwandler 33 ist innerhalb eines längli- chen Brennstoffelementes angeordnet und bildet einen Teil desselben. Es ist nur ein Teil des Brennstoffelementes dargestellt, das in den Kern eines nicht dargestellten Atomreaktors eingesetzt wird, um die für die Erzielung einer Elektronenemission des Energieumwandlers erforderliche Temperatur der Kathode zu erzielen.
Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, weist der erfindungsgemässe Elektronenemissions-Energieumwandler 33 eine innerhalb der Ummantelung 61 des Brennstoffelementes 39 angeordnete gasdichte Hülle 41 auf, welche von einer im wesentlichen zylindrischen hohlen Anode, auch kalte Elektrode oder Kollektor, 43, einem an der Oberseite der Anode befestigten Isolierteil 45 und einem Isolierteil 47 an der Unterseite des Anodenzylinders gebildet ist. Der Isolierteil 47 liegt an der Ummantelung 61 des Brennstoffelementes an und zentriert den im Brennstoffelement angeordneten Energieumwandler. Die Anode kann aus irgendeinem Material geeigneter elektrischer Leitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer, hergestellt sein. Die Isolierteile 45 bzw. 47 bestehen beispielsweise aus gegen hohe Temperaturen beständigen keramischen Stoffen.
Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, wird durch den oberen Isolierteil 45 ein mit der Kathode leitend verbundenes Anschlussstück 49 von der Anode elektrisch isoliert. Dieses Anschlussstück kann aus Niob oder einem andern geeigneten Material hergestellt sein und verbindet das obere Ende 51 eines zapfenförmigen Teiles 53 des Brennstoffkörpers 35 fest mit dem unteren Ende 54 eines elektrisch leitenden Stützstabes 57. Das untere Ende des Zapfens 53 bildet mit einem verdickten Teil 58 des Brennstoffkörpers 37 einen einzigen Teil. Der Stützstab 57 haltert den Brennstoffkörper im Abstand von der Umhüllung. Der Stützstab erstreckt sich nach oben zu bis zu einer Stromschiene 59 für die Kathode, die im Abstand von der Ummantelung des Brennstotfelementes angeordnet ist, und ist mit der Stromschiene 59 fest verbunden.
Der Stützstab 57 kann aus irgendeinem Material, wie beispielsweise Silber od. dgl., und die Kathode aus Kupfer od. dgl. gebildet sein. Die Brennstoffummantelung kann aus einem Material, wie beispielsweise Kupfer od. dgl., bestehen.
Die Anode 43 kann an ihrer Aussenseite mit Kühlschlangen 63 versehen sein, die aus rostfreiem Stahl oder einem andern geeigneten Material bestehen. Ein Teil der Aussenfläche der Anode steht mit einer sich nach oben zu erstreckenden Stromschiene 65, welche im Abstand von der Brennstoffelementummantelung 61 und im Abstand von der Stromschiene 59 der Kathode angeordnet ist in leitender Verbindung und diese Stromschiene 65 besteht aus einem geeigneten Material, beispielsweise Kupfer. DerElektronen- emissions-Energieumwandler 33 ist am Boden mit einem Vorrat 67 leicht ionisierbaren Materials verse-
<Desc/Clms Page number 7>
hen, das in einem im Boden verschlossenen Rohr 69, welches sich durch eine Öffnung 71 am Boden des
Isolierteiles 47 erstreckt, lagert.
Da das Rohr 69 an seiner Oberseite offen ist, steht der Innenraum des
Rohres 69 mit dem Inneren der Umhüllung des Energieumwandlers in Verbindung. Das Rohr 69 kann aus
Nickel, Kupfer u. dgl. bestehen.
Der Brennstoffkörper 35 kann von irgendeinem geeigneten Brennstoff für Atomreaktoren, beispiels- weise Uranoxyd, Urankarbid, gebildet sein. Der Kernbrennstoff kann, braucht jedoch nicht die Emissions- schicht der Kathode 32 bilden. Wenn Urandioxyd als Kernbrennstoff verwendet wird, kann um den Kern- brennstoff herum ein Mantel aus einem elektronenemittierenden Material, wie beispielsweise Tantal,
Wolfram u. dgl.. angeordnet sein. Wenn jedoch Urankarbid, oder Mischungen von Urankarbid mit Zirkon- karbid als Brennstoff für die Brennstoffkörper verwendet werden, wirkt das Karbid als Emitter für Elek- tronen und eine Ummantelung des Brennstoffkörpers ist nicht erforderlich.
Zwischen Kathode und Anode ist innerhalb der Umhüllung, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. l beschrieben worden ist, ein Raum 73 vorgesehen und in diesem Raum befindet sich während des Betriebes des Energieumwandlers ein, ein geeignetes Trägergas enthaltendes Plasma. Das Plasma ist in der evaku- ierten Hülle mit dem bereits erwähnten niedrigen Druck eingeschlossen und baut im wesentlichen den gesamten Druck innerhalb der Hülle auf. Dieses Plasma kann von denselben Bestandteilen in denselben
Konzentrationsgrenzen gebildet sein, wie dies bereits im Zusammenhang mit der in Fig. l dargestellten Ausführungsform beschrieben worden ist. Das Plasma kann also Halide und Halogene aber auch freies
Caesium oder ein anderes Alkalimetall in Dampfform, gegebenenfalls auch Wasserstoff, enthalten.
Während des Betriebes des Elektronenemissions-Energieumwandlers befindet sich das Brennstoffele- ment innerhalb eines Reaktorkernes und durch die dort ablaufenden Spaltvorgänge wird die Temperatur des Brennstoffkörpers bis zu jenem Punkt erhöht, wo die Emissionsschicht der Kathode, welche mit dem Brennstoff in Berührung steht oder vom Brennstoff selbst gebildet wird, Elektronen emittiert. In Anbetracht der hohen Temperatur der Kathode, beispielsweise 18000 C, welche Temperatur mindestens erforderlich ist um die in einer noch zu beschreibenden Weise entstehenden Halide zu zersetzen, verdampfen Teile der Emissionsschicht und gelangen über das halogenhaltige Plasma an die Oberfläche der, beispielsweise eine Temperatur von etwa 5000 C, besitzenden kalten Elektrode und werden dort abgeschieden.
Wenn die Emissionsschicht vom Kernbrennstoff, d. i. reinem Karbid, gebildet ist, dann wird das Metall in dem Brennstoff, beispielsweise Uran, an der Oberfläche der Kathode freigelegt und verdampft ebenfalls. Auch ein solcher Kernbrennstoff verdampft also teilweise und gelangt über das Plasma an die kalte Elektrode und scheidet sich an der Oberfläche derselben ab.
Das im Plasma enthaltene Halogen verbindet sich jedoch in der bereits beschriebenen Weise mit dem metallischen Kathodenmaterial (Uran oder das Metall des Emitters) an der kalten Elektrode und bildet mit diesem Metall ein Halid, das in das Plasma verdampft und in Berührung mit der heissen Elektrode kommt, wobei es in Anbetracht der hohen Temperatur der Kathode in seine Bestandteile gespaltet wird und wobeisichdas Metall wieder an der Kathode abscheidet. Durch die thermische Spaltung der Halide an der Kathode wird das Halogen zur Bindung weiterer Mengen an der Oberfläche der kalten Elektrode abgeschiedenen Elektrodenmaterials frei.
Durch das Trägergas wird somit ermöglicht Uran oder anderes Material des Kernbrennstoffes, welches an der kalten Elektrode niedergeschlagen ist, wieder an der heissen Elektrode abzuscheiden. Der gleiche Vorgang läuft auch dann ab wenn Tantal, Wolfram u. ähnl. Metalle für die Emissionsschicht verwendet wurden. Wenn ein Urancarbid und Zirkoncarbid enthaltender Kernbrennstoff für die Herstellung der Kathode verwendet wurden, so scheiden sich an der Oberfläche der kalten Elektrode Uran, Zirkon und Kohlenstoff ab, von welchen das Uran und das Zirkon durch das Halogen leicht entfernt werden.
Wenn Urancarbid oder andere als Brennstoff für Atomreaktoren geeignete Elemente in Form von Carbiden oder eine Mischung von Urancarbid mit solchen weiteren Carbiden, gegebenenfalls unter Verwendung hitzebeständiger Metallcarbide, für die Herstellung der Kathode verwendet wurden und somit auch Kohlenstoff von der heissen Elektrode verdampft und sich an der kalten Elektrode niederschlägt, ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Teil des Trägers im Plasma Wasserstoff ist.
Der Wasserstoff dient dazu, während des Betriebes des Energieumwandlers mit aus der Kathode verdampften und an der Oberfläche der kalten Elektrode (Temperatur etwa 5000 C) abgeschiedenen Kohlenstoff unter Bildung von Methan oder andern Kohlenwasserstoffen zu reagieren. Das gebildete Methan und/oder die andern gebildeten Kohlenwasserstoffe gelangen über das Plasma wieder an die Oberfläche der heissen Elektrode, deren Temperatur etwa 18000 C beträgt, wo die Spaltung der Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff erfolgt, von welchen sich der erstere an der heissen Kathode abscheidet und der
<Desc/Clms Page number 8>
letztere in das Plasma zurückgelangt und im obigen Sinne weitere Arbeit leistet.
Der auf der heissen Elek- trode abgeschiedene Kohlenstoff wird in kristalliner Form in die heisse Elektrode eingebaut und trägt in dieser Form mit zur Aufrechterhaltung einer hohen optischen Reflexion der Oberfläche der heissen Elek- trode bei, womit gleichzeitig die Wärmeverluste der heissen Elektrode durch Wärmeabstrahlung verrin- gert werden.
Es wurden Elektronenemissions-Energieumwandler gemäss der Erfindung beschrieben, welche für den
Betrieb mit äusseren und inneren Wärmequellen geeignet sind. Es wurde weiters auch eine verbesserte Gas- füllung für einen Elektronenemissions-Energieumwandler gemäss der Erfindung angegeben. Die beschrie- benen erfindungsgemässen Elektronenemissions-Energieumwandler sind einfach, robust und besitzen einen hohen Wirkungsgrad. Die erfindungsgemässen Energieumwandler enthalten ein Trägergas, das bei niedri- gem Druck und hoher Temperatur an der kalten Anode abgeschiedenes Material der heissen Kathode wie- der an die heisse Elektrode zurückbefördert, indem die aus dem Trägergas und dem an der Anode abge- schiedenen Material der Kathode gebildete Verbindung an der heissen Kathode thermisch zersetzt wird.
Durch diese Massnahmen wird es ermöglicht Elektronenemissions-Energieumwandler herzustellen, deren Elektroden über ausgedehnte Zeiträume voll arbeitsfähig bleiben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Energieumwandler für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, dadurch ge- kennzeichnet, dass er eine für hohe Arbeitstemperatur, beispielsweise 1000 - 20000 C, bestimmte Ka- thode (9 oder 37), und eine für eine gegenüber der Arbeitstemperatur der Kathode niedrigere Arbeits- temperatur, beispielsweise 0 - 10000 C, bestimmte Anode (13 oder 43) in einer gasdichten Hülle aufweist und dass sich in dem zwischen Anode und Kathode gelegenen Bereich ein Halogene, insbesondere Jod, und/oder Wasserstoff enthaltendes Trägergas mit niederem Druck befindet, das mit dem auf der Ano- de abgeschiedenen Kathodenmaterial unter Bildung von Verbindungen reagiert,
welche an der heissen
Kathode durch thermische Zersetzung in Trägergas und sich an der Kathode niederschlagendes Kathoden- material gespalten werden.