CN109166643A - 一种同位素电池的屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电池放射性核素辐射屏蔽设计技术领域，具体涉及一种同位素电池的屏蔽结构，用于对同位素电池中的放射性同位素(1)进行屏蔽，包括包覆在所述放射性同位素(1)外表面的石墨烯类碳基材料层(2)，由轻核材料制作的用于放置所述放射性同位素(1)的格栅(3)，依次设置在所述格栅(3)外围的轻核材料构成的内屏蔽层(5)、重核材料构成的外屏蔽层(6)、合金材料构成的包壳(7)。本发明提供的同位素电池的屏蔽结构使轫致辐射光子强度降为原设计方案轫致辐射光子强度的20％，可使工作人员的照射剂量降低约20％‑80％，在基本不影响其他性能的情况下，可提升同位素电池的发电效率。

Description

一种同位素电池的屏蔽结构

技术领域

本发明属于同位素电池放射性核素辐射屏蔽设计技术领域，具体涉及一种同位素电池的屏蔽结构。

背景技术

同位素电池，也被叫做“放射性同位素温差发电器”，利用放射性同位素衰变放出载能粒子(本专利针对β粒子)并将其能量转换为电能的装置。按能量转换机制，它可分为直接转换式和间接转换式。进一步可细分为直接充电式同位素电池、气体电离式同位素电池、辐射伏特效应能量转换同位素电池、荧光体光电式同位素电池、热致光电式同位素电池、温差式同位素电池、热离子发射式同位素电池、电磁辐射能量转换同位素电池和热机转换同位素电池等。按提供的电压的高低，同位素电池可分为高压型和低压型两类。高电压型同位素电池以含有β射线源(Sr-90或氚)的物质制成发射极，周围用涂有薄碳层的镍制成收集电极，中间是真空或固体介质。低电压型同位素电池又分为温差电堆型、气体电离型和荧光-光电型三种结构。

同位素电池结构最里边是放射性同位素,它不断地发生衰变并放出热量。同位素的外层为换能材料,在这里热能被转换成电能。接着是辐射屏蔽层,防止辐射线泄漏出来。最外边一般由金属制成,起保护电池内部结构和散热的作用。同位素电池所用材料涉及同位素放射源、能量转换材料、防辐射材料、散热材料等。由于其特殊的用途决定了所选用材料的特殊性。

同位素放射源在不同类型的同位素电池中所起的作用也不尽相同。直接充电式同位素电池是利用放射源发射的带电粒子来产生电势差。气体电离式同位素电池和辐射伏特效应能量转换同位素电池是利用其发射的粒子束对介质的电离作用来产生电势。荧光体光电式同位素电池是利用其发射射线诱发荧光物质发光后通过光电转换成电能。而热致光电式同位素电池、温差式同位素电池和热机转换电池则利用放射源产生的热能来实现能量转换。作为同位素电池的能量来源,同位素放射源都必须满足以下条件，半衰期长(以保证电池的长寿命)、功率密度高、放射性危险性小、容易加工、经济性好，重点要易于屏蔽。

现有可用于同位素电池的核素有近十几种，如¹⁴C、⁹⁰Sr-⁹⁰Y、¹⁰⁶Ru-¹⁰⁶Rh、¹³⁷Cs、¹⁴⁷Pm、²³⁸Pu、⁶⁰Co、⁶³Ni、²³⁸Pu和²¹⁰Po等。放射性同位素²³⁸Pu和²¹⁰Po一般被应用于航天和空间领域，其衰变的α粒子易于屏蔽，但存在自发裂变中子以及次级反应产生的射线(对设备辐照损伤效应较大)。放射性同位素⁶⁰Co和¹³⁷Cs(子体^137mBa)在衰变释放β粒子时，会伴随产生高能γ射线，为同位素电池屏蔽设计带来较大的困难。

如¹⁴C、⁶³Ni、⁹⁰Sr-⁹⁰Y、¹⁰⁶Ru-¹⁰⁶Rh这些β衰变的放射性同位素在衰变过程中不会产生如高能γ射线等难于屏蔽的辐射，且经济易得，它们本身就是裂变堆的主要放射性废物之一，可以从核电站的放射性废物中提取，仅全世界核电站每年产生的核废料中就有数吨，用它发电既是对核电站废料中的放射性同位素的再利用，也是能源短缺时代的一个考虑。但这些放射性核素辐射出的β粒子与屏蔽体作用产生的次级粒子(主要是轫致辐射光子-X射线)需要关注。这些核素衰变的数据见表1。

表1 ¹⁴C、⁶³Ni、⁹⁰Sr、⁹⁰Y、¹⁰⁶Ru和¹⁰⁶Rh等同位素的衰变数据

β射线被放射源物质本身以及源周围的其他物质(屏蔽体)阻止时，β射线会与屏蔽体作用生成轫致辐射光子(X射线)。为便于定量分析，做如下假设：

源项的β活度为A，β粒子穿过R₁的空气层后，被厚度为d₁的第一屏蔽层屏蔽，所形成的轫致辐射被厚度为d₂的屏蔽层屏蔽。对于点源距离为R的P点，考虑到由于空气吸收引起β射线强度减弱，则P点处的轫致辐射光子注量率φ为：

F为β射线与第一屏蔽层作用产生的轫致辐射光子份额，μ为β射线在空气中的衰减系数(单位为cm^-1)。对于原子序数为Z的屏蔽材料的轫致辐射光子份额可表示为：

F＝CE_βmaxZ………………………………(2)

C为转换过程中的系数值。从公式(2)中可以看出轫致辐射光子份额与屏蔽材料的原子序数为Z成正比例关系。图1为β粒子与屏蔽体作用生成轫致辐射光子(X射线)的示意图。

目前，同位素一般为多层不同材料设计，典型能量转换和屏蔽材料的原子序数较大(如一般屏蔽材料中Fe原子序数为26，能量转换材料氧化铅中Pb原子序数为82)，会导致轫致辐射光子明显增加。

随着认知的不断进步，从辐射屏蔽优化设计角度考虑，就要求同位素电池不仅能高效应用辐射能，还应能够同时尽可能多地屏蔽多种放射性射线，控制对人员或设备的辐射，进一步优化和降低对人员或设备的照射剂量和辐照损伤。

发明内容

本发明的目的在于(衰变类型)β衰变的同位素电池的材料和结构设计，提出一种能够有效降低工作人员和设备照射剂量的屏蔽设计方案，解决目前放射性同位素电池屏蔽效果不足而导致人员和设备过量受照和负责损伤的问题，保证人员和设备受照剂量可合理达到尽量低水平，并首次将该方案应用β衰变的放射性同位素电池设计。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种同位素电池的屏蔽结构，用于对同位素电池中的放射性同位素进行屏蔽，其中，包括包覆在所述放射性同位素外表面的石墨烯类碳基材料层，由轻核材料制作的用于放置所述放射性同位素的格栅，依次设置在所述格栅外围的轻核材料构成的内屏蔽层、重核材料构成的外屏蔽层、合金材料构成的包壳。

进一步，所述石墨烯类碳基材料层的厚度为不小于5mm。

进一步，构成所述格栅的轻核材料包括碳基材料或铝合金；所述格栅的最薄处的厚度为不小于2mm。

进一步，构成所述格栅的碳基材料包括B₄C。

更进一步，所述格栅的横截面呈蜂窝状，由所述放射性同位素构成的电池芯在所述格栅中呈蜂窝式分布排列

进一步，构成所述内屏蔽层的轻核材料为原子序数小于13的材料，包括C、B、N、O的单质与化合物材料，Mg和Al的单质与化合物材料,所述内屏蔽层能够屏蔽β粒子，所述内屏蔽层的厚度为不小于2mm-3mm。

进一步，构成所述外屏蔽层的重核材料为原子序数大于26的材料，包括铁、铅、钨，用于屏蔽轫致辐射光子-X射线，所述外屏蔽层的厚度为经屏蔽后的辐射不影响设备寿期内正常运行且使用者受照剂量不超过规定限值的最小厚度。

进一步，所述包壳采用的所述合金材料包括不锈钢，包壳的厚度为满足密封性能、机械性能和强度要求的最小厚度。

进一步，所述格栅和所述内屏蔽层之间设置能量转换材料。

进一步，所述放射性同位素为β衰变的同位素，包括：¹⁴C、⁹⁰Sr、⁹⁰Y、⁶³Ni、¹⁰⁶Ru、¹⁰⁶Rh。

本发明的有益效果：

目前同位素电池虽然可以完全屏蔽掉α粒子与β粒子，但不能较好地控制轫致辐射光子份额。本设计方案可以使同位素电池可屏蔽放射性同位素衰变发射的β粒子及次级反应产生的轫致辐射X射线等多种放射性射线，进一步降低人员和设备的照射剂量与辐照损伤。

从背景技术部分的公式(2)可知轫致辐射光子份额与屏蔽材料的原子序数为Z成正比例关系。本发明提供的同位素电池的屏蔽结构使轫致辐射光子强度降为原设计方案轫致辐射光子强度的20％，可使工作人员的照射剂量降低约20％-80％，在基本不影响其他性能(发电功能、机械性能与密封性)的情况下，可提升同位素电池的发电效率，并能够屏蔽多种放射性射线，大幅提升其辐射屏蔽能力，具体表现如下：

1.石墨烯类碳基材料层所采用的石墨烯等碳基材料的机械力学性能优异，断裂强度达到130GPa，为同样厚度钢铁的100倍；导热性能优异，导热率可达5300W/(m·K)；电学性能优异，室温下电子迁移率2.5×10⁵cm²/(V·s)，导电率达到6000s/cm；可以有效屏蔽β粒子，并明显降低轫致辐射光子辐照(即轫致辐射光子-X射线)，使轫致辐射光子强度被降低20％-80％，同时提升发电效率(导电导热性能)。

2.格栅选用轻核材料(如碳基材料或铝合金等)，导电导热性能优良(提升发电效率)，机械性能优异，并能够进一步降低轫致辐射光子份额。

3.内层屏蔽采用原子序数较小的轻核屏蔽材料，可在屏蔽掉β粒子的同时再次降低轫致辐射光子辐照，提升屏蔽效果。

4.外层屏蔽采用原子序数较大的重核屏蔽材料，可屏蔽掉轫致辐射光子，降低人员和设备的辐射剂量和辐照损伤。

5.包壳为机械性能优良的合金，其密封性好，散热能力强，有效保障设备正常运行的温度控制。

6.针对同位素电池的辐射屏蔽特点，提出了针对性的屏蔽设计方案，可屏蔽放射性同位素辐射出的多种放射性射线，有效提升同位素电池辐射屏蔽能力。

7.充分利用屏蔽材料辐射屏蔽特性，优化了电池结构和采用的材料。降低了电池和设备照射剂量和辐照损伤，延长了电池和设备寿命(寿命延长1.25倍-5倍),并使电池在寿期内发电效率得到优化提升；同时，大幅减少了同位素电池的重量。

8.通过优化同位素电池辐射屏蔽设计方案控制人员和设备的照射剂量，从而降低同位素电池设备运行的安全风险。

9.本方案中由放射性同位素1构成的电池芯采用蜂窝式分布排列，提升了电池发电效率和功率(电池导电和传热效率与表面积成正比，本方案放射性同位素材料表面积增加2.5倍)。

附图说明

图1是本发明背景技术中β粒子与屏蔽体(电池包壳)作用生成轫致辐射光子(X射线)的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的同位素电池的屏蔽结构的示意图；

图中：1-放射性同位素，2-石墨烯类碳基材料层，3-格栅，4-能量转换材料，5-内屏蔽层，6-外屏蔽层，7-包壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明提供的一种同位素电池的屏蔽结构，用于对同位素电池中的放射性同位素1进行屏蔽，由石墨烯类碳基材料层2、格栅3、内屏蔽层5、外屏蔽层6、包壳7等构成。

石墨烯类碳基材料层2包覆在放射性同位素1外表面，格栅3用于放置放射性同位素1，内屏蔽层5、外屏蔽层6、包壳7由内至外依次设置在格栅3外围。石墨烯或具备与石墨烯导电及传热特性相当的化合物层层叠加即是石墨烯类碳基材料(如多层石墨烯等)。

石墨烯类碳基材料层2采用石墨烯等碳基材料的断裂强度为130GPa，导热率为5300W/m·K，室温下电子迁移率2.5×10⁵cm²/V·s，导电率达到6000s/cm，石墨烯类碳基材料层2的厚度与同位素电池尺寸等相关，不小于5mm。

构成格栅3的轻核材料包括碳基材料或铝合金，其中，构成格栅3的碳基材料所指为B₄C等可制作格栅材料；格栅3最薄处的厚度与放射性同位素1总放射性活度等相关，不小于2mm。格栅3的横截面呈蜂窝状，放射性同位素1构成的电池芯在格栅3中呈蜂窝式分布排列。

构成内屏蔽层5的轻核材料为原子序数小于13的材料，包括C、B、N、O的单质与化合物材料，Mg和Al的单质与化合物材料,内屏蔽层5能够屏蔽β粒子，内屏蔽层5的厚度与放射性同位素1总放射性活度等相关，不小于2mm-3mm。

构成外屏蔽层6的重核材料为原子序数大于26的材料，包括铁、铅、钨，用于屏蔽轫致辐射光子-X射线，外屏蔽层6的厚度为经屏蔽后的辐射不影响设备寿期内正常运行且使用者受照剂量不超过规定限值的最小厚度。

包壳7采用的合金材料包括不锈钢，包壳7的厚度为满足密封性能、机械性能和强度要求的最小厚度。

格栅3和内屏蔽层5之间设置同位素电池的能量转换材料4。

本发明所适用的放射性同位素1为β衰变的同位素，包括：¹⁴C、⁹⁰Sr、⁹⁰Y、⁶³Ni、¹⁰⁶Ru、¹⁰⁶Rh。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种同位素电池的屏蔽结构，用于对同位素电池中的放射性同位素(1)进行屏蔽，其特征是：包括包覆在所述放射性同位素(1)外表面的石墨烯类碳基材料层(2)，由轻核材料制作的用于放置所述放射性同位素(1)的格栅(3)，依次设置在所述格栅(3)外围的轻核材料构成的内屏蔽层(5)、重核材料构成的外屏蔽层(6)、合金材料构成的包壳(7)。

2.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：构成所述格栅(3)的轻核材料包括碳基材料或铝合金。

3.如权利要求2所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：构成所述格栅(3)的碳基材料包括B₄C。

4.如权利要求3所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：所述格栅(3)的横截面呈蜂窝状，由所述放射性同位素(1)构成的电池芯在所述格栅(3)中呈蜂窝式分布排列。

5.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：构成所述内屏蔽层(5)的轻核材料为原子序数小于13的材料，包括C、B、N、O的单质与化合物材料，Mg和Al的单质与化合物材料,所述内屏蔽层(5)能够屏蔽β粒子。

6.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：构成所述外屏蔽层(6)的重核材料为原子序数大于26的材料，包括铁、铅、钨，用于屏蔽轫致辐射光子-X射线，所述外屏蔽层(6)的厚度为经屏蔽后的辐射不影响设备寿期内正常运行且使用者受照剂量不超过规定限值的最小厚度。

7.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：所述包壳(7)采用的所述合金材料包括不锈钢，包壳(7)的厚度为满足密封性能、机械性能和强度要求的最小厚度。

8.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是：所述格栅(3)和所述内屏蔽层(5)之间设置能量转换材料(4)。

9.如权利要求1所述的同位素电池的屏蔽结构，其特征是，所述放射性同位素(1)为β衰变的同位素，包括：¹⁴C、⁹⁰Sr、⁹⁰Y、⁶³Ni、¹⁰⁶Ru、¹⁰⁶Rh。