CN112635093A - 一种基于90Sr同位素的温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，该温差发电装置包括外部密封模块、电源管理模块、散热体、热电转换模块、屏蔽体、⁹⁰Sr同位素热源、抽真空管道、压力容器和隔热体，其中隔热体采用对纤维气凝胶材料的多方向一体化编织技术，直接将隔热体一体化成型为所需结构。本发明具有生产成本低、漏热少、隔热性能良好、加工和装配过程简单、稳定性好、抗缓冲能力强及可量产化等优点。本发明显著降低了发电装置的内部温度，从而降低了对保护性气体和热电转换模块外壳气密性的要求，使得热电转换模块的加工和装配过程变得更为简单，减缓了发电装置内部结构的材料蠕变、老化、界面反应等不良效应和性能衰减。

Description

一种基于90Sr同位素的温差发电装置

技术领域

本发明属于特种核电源技术领域，尤其是同位素电源技术领域，具体涉及一种基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置。

背景技术

为了能够提供长寿命、稳定高效的电功率输出，在⁹⁰Sr同位素电源中，隔热技术和热电转换技术是两项最为重要的关键技术。根据公开的文献报道，国际上现有的⁹⁰Sr同位素电源多采用真空隔热技术和基于碲化铅(PbTe)系列材料的热电转换技术。真空隔热技术对电源内部的真空度、电源外壳的密封性以及对隔热面的抛光度要求极高，使得相应结构部件的加工和装配过程变得尤为复杂；而且，现有的工艺水平存在极限，一般很难做到理想的隔热效果，这会给系统可靠性带来严峻的风险挑战；此外，采用真空隔热技术需要在电源内部结构与电源外壳之间提供承重支撑部件，以便对电源内部结构起到固定支撑作用，该部件将不可避免地在热源和压力容器(电源外壳)之间构成直接传热路径，降低系统传热效率。基于碲化铅(PbTe)系列材料的热电转换技术，由于其热端工作温度较高(约450～600℃)，必须将所有的热电元件都放置于保护性气体的气氛中，以至于热电转换模块的外壳必须具有较高的气密性；而且，电源内部核心位置的⁹⁰Sr同位素热源及其周围多个部件长期处于高温环境，材料蠕变、老化、界面反应等效应显著增大，不利于电源的长效稳定工作，并且高温也会带来更多的安全风险。

发明内容

有鉴于此，针对²³⁸Pu燃料短缺现状，结合现有⁹⁰Sr同位素电源在隔热技术和热电转换技术方面的不足之处，本发明旨在提供一种基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置。

具体采用如下技术方案：

一种基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特点是，所述的温差发电装置包括外部密封模块、电源管理模块、散热体、热电转换模块、屏蔽体、⁹⁰Sr同位素热源、抽真空管道、压力容器和隔热体；所述的⁹⁰Sr同位素热源位于整个装置的最内层；所述的屏蔽体由下部的屏蔽体主体和上部的屏蔽体顶盖两部分组成，⁹⁰Sr同位素热源位于屏蔽体内部的空腔位置；所述的热电转换模块布置于屏蔽体和散热体之间，热电转换模块的下底面称为热端面、上顶面称为冷端面，热端面与下方的屏蔽体紧密接触、冷端面与上方的散热体紧密接触，热电转换模块将从热端面到冷端面流经的热能转换为电能输出。

所述的隔热体由上、下种不同结构一体化编织而成，隔热体的外侧面及下底面与压力容器紧密接触、上顶面与散热体紧密接触，⁹⁰Sr同位素热源、屏蔽体和热电转换模块被包裹在隔热体上部的空心圆柱体内散热体的下底面与热电转换模块及隔热体紧密接触、上顶面不与任何组件接触、边缘紧固于压力容器的法兰凹槽。

所述的压力容器由下部的压力容器主体和上部的压力容器顶盖两部分通过螺栓在中间的法兰处紧固密封连接组成，压力容器顶盖的内部焊接有一圆柱体结构的真空隔板，整个压力容器的内部形成上、下两个空间，上部较小的空间称为顶盖空腔、下部较大的空间称为主体空腔，顶盖空腔内容纳有电源管理模块和抽真空管道，主体空腔内容纳有⁹⁰Sr同位素热源、屏蔽体、热电转换模块、隔热体和散热体。

所述的电源管理模块位于压力容器的顶盖空腔内，电源内部的供电引线从热电转换模块的正负极引出、穿过散热体的引线通道、经过压力容器顶盖内真空隔板上的密封转接头接入电源管理模块、再经过密封转接头输出至整个装置的外部为负载供电，所述电源管理模块根据负载阻抗变化调节并稳定输出电压。

所述的抽真空管道位于压力容器的顶盖空腔内，并且与压力容器顶盖内的真空隔板焊接为一体，装配完成后通过抽真空管道将残留空气从压力容器的主体空腔内抽走，形成高真空环境。

所述的外部密封模块作为所述温差发电装置与外界环境的第一道密封阻隔，位于整个装置的最顶端，外部密封模块与压力容器紧固密封连接。

优选的，所述的隔热体采用纤维气凝胶材料，通过对纤维气凝胶材料的多方向一体化编织而成，具体地，将纤维气凝胶材料沿着径向一圈一圈地由内向外编织形成上部的径向隔热体、以使径向成为主隔热方向，将纤维气凝胶材料沿着轴向一层一层地由上向下进行编织形成下部的轴向隔热体、以使轴向成为主隔热方向。

优选的，所述的隔热体上部呈空心圆柱状、下部呈半椭球状。

优选的，所述的⁹⁰Sr同位素热源分为三层结构，具体包括位于最里层的燃料芯块、包裹在燃料芯块外周的衬垫层和外部密封层，所述衬垫层用以防止燃料芯块与密封层之间发生反应。

优选的，所述的燃料芯块采用钛酸锶(⁹⁰SrTiO₃)颗粒材料，经过陶瓷化工艺将颗粒压制成边缘倒角的圆柱形结构；所述的衬垫层采用不锈钢材料制备而成，所述的密封层采用镍基合金材料制备而成。

优选的，所述的热电转换模块采用多个热电偶臂以热学并联和电学串联的方式进行排布连接，即：一个N型热电偶臂和一个P型热电偶臂通过热端连接电极组成一个热电单元，再通过冷端连接电极实现多个热电单元之间的串并联逻辑；热端连接电极和冷端连接电极分别附着在热端封装版和冷端封装板上；所述的热端封装板和冷端封装板将热功率从热源引向热电转换模块并从热电转换模块引向散热体，且同时不泄漏N型热电偶臂和P型热电偶臂产生的电功率；所述热电转换模块的侧面采用侧面封装板进行密封，将整个热电转换模块封装成外形规整的几何结构；所述的热电转换模块的内部剩余空间填充隔热材料。

优选的，所述的N型热电偶臂和P型热电偶臂均采用碲化铋合金热电材料，热端工作温度控制在200～250℃，热端连接电极和冷端连接电极采用铜作为导电材料；所述的热端封装板和冷端封装板采用兼具优良导热性和绝电性的氮化铝陶瓷材料；所述的隔热材料采用纳米气凝胶颗粒。

优选的，所述的屏蔽体采用铀钼合金材料制备而成，屏蔽体四周喷涂有氧化铝涂层。

优选的，所述的散热体采用纯铜材料。

优选的，所述的压力容器采用铜基合金材料。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的发电装置采用⁹⁰Sr同位素作为热量来源，针对现有的²³⁸Pu燃料短缺问题，⁹⁰Sr燃料提取工艺相对简单，可降低研发投入和生产成本，使得发电装置具备量产可行性。

(2)本发明提供的发电装置采用纤维气凝胶材料隔热技术，通过对纤维气凝胶材料的多方向一体化编织技术，直接将隔热体一体化成型为所需结构，起到了减少漏热、提升隔热性能的作用。相较于现有的真空隔热技术，本发明的纤维气凝胶材料隔热技术降低了对发电装置内部真空度、密封性以及隔热面抛光度的要求，使得发电装置结构部件的加工和装配过程变得简单；并且，一体化成型的隔热体可以将⁹⁰Sr同位素热源、屏蔽体和热电转换模块直接以紧密接触的方式包裹在内，无需再额外提供承重支撑部件便可对发电装置内部结构起到很好的固定支撑作用，同时还能对外部环境压力导致的压力容器形变影响起到一定的缓冲作用。

(3)本发明提供的发电装置采用基于碲化铋(Bi₂Te₃)系列材料的热电转换技术，相较于现有的基于碲化铅(PbTe)系列材料的热电转换技术，本发明显著降低了发电装置的内部温度，从而降低了对保护性气体和热电转换模块外壳气密性的要求，使得热电转换模块的加工和装配过程变得更为简单，并且温度更低也会减缓发电装置内部结构的材料蠕变、老化、界面反应等不良效应和性能衰减，有利于提高发电装置的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置结构示意图；

图2为⁹⁰Sr同位素热源内部结构示意图；

图3为图2中A-A截面示意图；

图4为热电转换模块内部结构示意图；

图中，1.外部密封模块 2.电源管理模块 3.散热体 4.热电转换模块 5.屏蔽体6.⁹⁰8r同位素热源 7.抽真空管道 8.压力容器 9.隔热体 10.燃料芯块 11.衬垫层 12.密封层 13.N型热电偶臂 14.热端连接电极 15.P型热电偶臂 16.冷端连接电极 17.隔热材料 18.冷端封装板 19.侧面封装板 20.热端封装板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细阐述。

本发明的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置(图1)，其特点是：所述的发电装置包括外部密封模块1、电源管理模块2、散热体3、热电转换模块4、屏蔽体5、⁹⁰Sr同位素热源6、抽真空管道7、压力容器8和隔热体9；所述的⁹⁰Sr同位素热源6为实心圆柱体结构，位于整个装置的最内层，通过⁹⁰Sr同位素衰变产生的热能为整个装置提供能量来源；所述的屏蔽体5为空心圆柱体结构，由下部的屏蔽体主体和上部的屏蔽体顶盖两部分通过耐高温螺栓紧固组成，将⁹⁰Sr同位素热源6放置于屏蔽体5内部的空腔位置，用以屏蔽⁹⁰Sr同位素热源6衰变产生的轫致辐射，并将辐射剂量水平控制在安全范围以内；所述的热电转换模块4封装为圆柱体结构，通过物理接触夹在屏蔽体5和散热体3之间，热电转换模块4的下底面称为热端面、上顶面称为冷端面，热端面与下方的屏蔽体5紧密接触、冷端面与上方的散热体3紧密接触，热电转换模块4将从热端面到冷端面流经的热能转换为电能输出。

所述的隔热体9由上、下两种不同结构一体化编织而成，上部呈空心圆柱状、下部呈半椭球状，隔热体9的外侧面及下底面与压力容器8紧密接触、上顶面与散热体3紧密接触，⁹⁰Sr同位素热源6、屏蔽体5和热电转换模块4被包裹在隔热体9上部的空心圆柱体内，以减少⁹⁰Sr同位素热源6产生的热量从屏蔽体5的下底面和外侧面、以及热电转换模块4的外侧面漏出，让更多热量有效地进入热电转换模块4的热端面，维持热电转换模块4的热端温度；散热体3的下底面与热电转换模块4及隔热体9紧密接触、上顶面不与任何组件接触、边缘用螺栓紧固于压力容器8的法兰凹槽，散热体3的作用是将热电转换模块4冷端面排出的热量传导到压力容器8、进而耗散至外部环境，以降低热电转换模块4的冷端温度、维持热电转换模块4的工作温差。

所述的压力容器8由下部的压力容器主体和上部的压力容器顶盖两部分通过螺栓在中间的法兰处紧固密封连接组成，压力容器主体和压力容器顶盖都是由圆筒形和半椭球壳的两种结构焊接而成，压力容器主体的圆筒形结构在上、半椭球壳结构在下，而压力容器顶盖的圆筒形结构在下、半椭球壳结构在上，压力容器顶盖的内部焊接有一圆柱体结构的真空隔板，这样就在整个压力容器8的内部形成了上、下两个空间，上部较小的空间称为顶盖空腔、下部较大的空间称为主体空腔，顶盖空腔内容纳有电源管理模块2和抽真空管道7，主体空腔内容纳有⁹⁰Sr同位素热源6、屏蔽体5、热电转换模块4、隔热体9和散热体3。

所述的电源管理模块2位于压力容器8的顶盖空腔内，电源内部的供电引线从热电转换模块4的正负极引出、穿过散热体3的引线通道、经过压力容器顶盖内真空隔板上的密封转接头接入电源管理模块2、再经过密封转接头输出至整个装置的外部为负载供电，所述电源管理模块2根据负载阻抗变化调节并稳定输出电压。

所述的抽真空管道7位于压力容器8的顶盖空腔内，并且与压力容器顶盖内的真空隔板焊接为一体，装配完成后通过抽真空管道7将残留空气从压力容器8的主体空腔内抽走，形成的高真空环境有利于降低空气对流换热、提升隔热性能，同时也能减少高温条件下组件材料的氧化反应、以及组件材料之间的界面反应等。

所述的外部密封模块1为圆柱体结构，位于整个装置的最顶端，待所有内部组件及输出供电引线装配完成后，通过螺栓和法兰将外部密封模块1与压力容器8紧固密封连接，外部密封模块1是发电装置与外界环境的第一道密封阻隔，应具有极高的密封性能，以防止水分或空气渗透至电源内部。

所述的隔热体9采用纤维气凝胶材料，具有低密度、低热导、超高疏水性、可挤压形变、任意成型等优点，通过对纤维气凝胶材料的多方向一体化编织而成，具体地，将纤维气凝胶材料沿着径向一圈一圈地由内向外编织形成上部的径向隔热体、以使径向成为主隔热方向，将纤维气凝胶材料沿着轴向一层一层地由上向下进行编织形成下部的轴向隔热体、以使轴向成为主隔热方向，整个编织过程不间断以确保径向隔热体和轴向隔热体一体化成型，由于在径向隔热体和轴向隔热体之间没有缝隙漏热，可进一步提升隔热体9的隔热性能，进而可显著提升发电装置的传热效率和比功率(输出电功率与发电装置总质量之比)。所述的⁹⁰Sr同位素热源6分为三层结构(如图2-3)，具体包括位于最里层的燃料芯块10、位于中间层的衬垫层11和外部密封层12。

所述的燃料芯块10采用钛酸锶(⁹⁰SrTiO₃)颗粒材料，经过陶瓷化工艺将颗粒压制成边缘倒角的圆柱形结构；所述的衬垫层11采用不锈钢材料，直接包裹在燃料芯块10的外面，用以防止燃料芯块10与密封层12之间发生反应；所述的密封层12采用镍基合金材料，用以对燃料芯块10提供结构强度和防腐蚀保护，确保在工作环境和事故环境下同位素燃料的可靠密封。

所述的热电转换模块4采用多个热电偶臂以热学并联和电学串联的方式进行排布连接(图4)，即：一个N型热电偶臂13和一个P型热电偶臂15通过热端连接电极14组成一个热电单元，再通过冷端连接电极16实现多个热电单元之间的串并联逻辑；所述的热端连接电极14和冷端连接电极16分别附着在热端封装版20和冷端封装板18上；所述的热端封装板20和冷端封装板18将热功率从热源引向热电转换模块4并从热电转换模块4引向散热体3，但同时又不会泄漏N型热电偶臂13和P型热电偶臂15产生的电功率；所述热电转换模块4的侧面采用侧面封装板19进行密封，对气密性没有严苛的要求，主要是将整个热电转换模块4封装成外形规整的几何结构；所述的热电转换模块4的内部剩余空间填充隔热材料17，以尽可能降低热电偶臂之间、热电偶臂与封装板之间以及封装板之间的辐射传热效应，从而提升传热效率。

所述的N型热电偶臂13和P型热电偶臂15采用碲化铋(Bi₂Te₃)合金热电材料，热端工作温度控制在200～250℃的较低温度；所述的热端连接电极14和冷端连接电极16采用铜作为导电材料；所述的热端封装板20和冷端封装板18采用兼具优良导热性和绝电性的氮化铝(AlN)陶瓷材料；所述的隔热材料17采用纳米气凝胶颗粒。

所述的屏蔽体5采用铀钼合金材料制备而成，屏蔽体5四周喷涂有氧化铝涂层，以与内部相邻的⁹⁰Sr同位素热源6及外部相邻的隔热体9进行物理隔离，以防止铀钼合金在工作温度下发生共晶反应。

所述的散热体3采用纯铜材料，铜的导热性良好、结构强度良好且具有一定的延展性，可以应对由外部环境压力对压力容器8所造成的形变影响。

所述的压力容器8采用铜基合金材料，具有高屈服强度、优良导热性、高度耐腐蚀和抗结垢能力，可以抵抗包括深海环境在内的深水压力、海洋生物和盐碱侵蚀等不利因素的影响，确保发电装置长寿命供电输出。

本发明基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置的工作原理和工作过程是：⁹⁰Sr同位素热源6内部的⁹⁰Sr发生放射性衰变释放β射线，β射线在燃料芯块10的内部减速并沉积能量，大部分能量被⁹⁰Sr同位素热源6吸收而产生热能，其余少部分能量转换为轫致辐射损失。热能经过屏蔽体5传导到热电转换模块4的热端面，热电转换模块4将流经的热能转换为电能，电能通过热电转换模块4的正负极供电引线传输至电源管理模块2，并经电源管理模块2稳压调节后输出至发电装置外部给负载供电；为了屏蔽⁹⁰Sr同位素热源6产生的轫致辐射，并将辐射剂量水平控制在安全范围以内，需通过屏蔽体5将⁹⁰Sr同位素热源6包裹起来；为了提高热电转换模块4的热端温度，需通过隔热体9将⁹⁰Sr同位素热源6、屏蔽体5、以及热电转换模块4的侧面全部包裹起来；同时，为了降低热电转换模块4的冷端温度，需通过散热体3将从热电转换模块4的冷端面排出的热量传导到压力容器8、进而耗散至外部环境。

综上可见，本发明基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置具有生产成本低、漏热少、隔热性能良好、加工和装配过程简单、稳定性好、抗缓冲能力强及可量产化等优点。本发明显著降低了发电装置的内部温度，从而降低了对保护性气体和热电转换模块外壳气密性的要求，使得热电转换模块的加工和装配过程变得更为简单，减缓了发电装置内部结构的材料蠕变、老化、界面反应等不良效应和性能衰减。

本发明所述具体实施方案只是各种可能中的一种较为容易的方式。所有相关实施案例均为示例性的而非穷尽性的，该发明绝不仅仅限于所述实施案例。在不偏离本发明的实施案例范围和精神的情况下，许多修改和变更都是可能的和显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的温差发电装置包括外部密封模块、电源管理模块、散热体、热电转换模块、屏蔽体、⁹⁰Sr同位素热源、抽真空管道、压力容器和隔热体；所述的⁹⁰Sr同位素热源位于整个装置的最内层；所述的屏蔽体由下部的屏蔽体主体和上部的屏蔽体顶盖两部分组成，⁹⁰Sr同位素热源位于屏蔽体内部的空腔位置；所述的热电转换模块布置于屏蔽体和散热体之间，热电转换模块的下底面称为热端面、上顶面称为冷端面，热端面与下方的屏蔽体紧密接触、冷端面与上方的散热体紧密接触，热电转换模块将从热端面到冷端面流经的热能转换为电能输出；

所述的隔热体由上、下两种不同结构一体化编织而成，隔热体的外侧面及下底面与压力容器紧密接触、上顶面与散热体紧密接触，⁹⁰Sr同位素热源、屏蔽体和热电转换模块被包裹在隔热体上部的空心圆柱体内；散热体的下底面与热电转换模块及隔热体紧密接触、上顶面不与任何组件接触、边缘紧固于压力容器的法兰凹槽；

所述的压力容器由下部的压力容器主体和上部的压力容器顶盖两部分通过螺栓在中间的法兰处紧固密封连接组成，压力容器顶盖的内部焊接有一圆柱体结构的真空隔板，整个压力容器的内部形成上、下两个空间，上部空间称为顶盖空腔、下部空间称为主体空腔，顶盖空腔内容纳有电源管理模块和抽真空管道，主体空腔内容纳有⁹⁰Sr同位素热源、屏蔽体、热电转换模块、隔热体和散热体；

所述的电源管理模块位于压力容器的顶盖空腔内，电源内部的供电引线从热电转换模块的正负极引出、穿过散热体的引线通道、经过压力容器顶盖内真空隔板上的密封转接头接入电源管理模块、再经过密封转接头输出至整个装置的外部为负载供电，所述电源管理模块根据负载阻抗变化调节并稳定输出电压；

所述的抽真空管道位于压力容器的顶盖空腔内，并且与压力容器顶盖内的真空隔板焊接为一体，装配完成后通过抽真空管道将残留空气从压力容器的主体空腔内抽走，形成高真空环境；所述的外部密封模块作为所述温差发电装置与外界环境的第一道密封阻隔，位于整个装置的最顶端，外部密封模块与压力容器紧固密封连接。

2.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的隔热体采用纤维气凝胶材料，通过对纤维气凝胶材料的多方向一体化编织而成，具体地，将纤维气凝胶材料沿着径向一圈一圈地由内向外编织形成上部的径向隔热体、以使径向成为主隔热方向，将纤维气凝胶材料沿着轴向一层一层地由上向下进行编织形成下部的轴向隔热体、以使轴向成为主隔热方向。

3.如权利要求1或2所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的隔热体上部呈空心圆柱状、下部呈半椭球状。

4.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的⁹⁰Sr同位素热源分为三层结构，具体包括位于最里层的燃料芯块、包裹在燃料芯块外周的衬垫层和外部密封层，所述衬垫层用以防止燃料芯块与密封层之间发生反应。

5.如权利要求4所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的燃料芯块采用钛酸锶(⁹⁰SrTiO₃)颗粒材料，经过陶瓷化工艺将颗粒压制成边缘倒角的圆柱形结构；所述的衬垫层采用不锈钢材料制备而成，所述的密封层采用镍基合金材料制备而成。

6.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的热电转换模块采用多个热电偶臂以热学并联和电学串联的方式进行排布连接，即：一个N型热电偶臂和一个P型热电偶臂通过热端连接电极组成一个热电单元，再通过冷端连接电极实现多个热电单元之间的串并联逻辑；热端连接电极和冷端连接电极分别附着在热端封装版和冷端封装板上；所述的热端封装板和冷端封装板将热功率从热源引向热电转换模块并从热电转换模块引向散热体，且同时不泄漏N型热电偶臂和P型热电偶臂产生的电功率；所述热电转换模块的侧面采用侧面封装板进行密封，将整个热电转换模块封装成外形规整的几何结构；所述的热电转换模块的内部剩余空间填充隔热材料。

7.如权利要求6所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的N型热电偶臂和P型热电偶臂均采用碲化铋合金热电材料，热端工作温度控制在200～250℃，热端连接电极和冷端连接电极采用铜作为导电材料；所述的热端封装板和冷端封装板采用兼具优良导热性和绝电性的氮化铝陶瓷材料；所述的隔热材料采用纳米气凝胶颗粒。

8.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的屏蔽体采用铀钼合金材料制备而成，屏蔽体四周喷涂有氧化铝涂层。

9.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的散热体采用纯铜材料。

10.如权利要求1所述的基于⁹⁰Sr同位素的温差发电装置，其特征在于，所述的压力容器采用铜基合金材料。

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