CN87103077A - 直接将放射性衰变能量转换为电能的装置 - Google Patents

Abstract

一种核电池，其中在放射性物质天然蜕变期间给予放射性衰变产物的能量，被用于维持和加强一个高Q值L-C谐振电路中的振荡。该电路的电感包括一个绕在由放射性核素组成的芯体上并与电力变压器一次绕组串联连接的线圈。该芯体由三种主要是放射α粒子而衰变的放射性物质混合构成。它比使用等量的单一放射性核素能提供更大的放射性衰变产物的通量。

Description

本发明一般地涉及一种直接将放射性衰变产物的能量转换为电能的装置，尤其涉及利用阿尔法粒子源维持和加强L-C振荡器电路中的振荡。

今天，对于小型、精巧、可靠、轻便、并具装成一体而结实耐用的电源的需要在不断增长，以便为电动汽车、家庭、工业、农业、娱乐事业、远程监控系统和卫星这样一些应用领域提供电力。今天大多数的卫星用太阳能电池和传统的化学电池组供给电力，并且只要求少量电力以支持运行。雷达、先进的通信卫星，特别是各种高技术武器的装卸台，将要求比今天的空间电力系统能提供的大得多的电力源。对于这种极大功率的应用场合，核反应堆似乎是适用的。但是，对于中等功率范围，10至100千瓦，核反应堆带来了一系列难以解决的技术问题。以今天的效率，要提供100千瓦，会要求许多英亩面积的太阳能吸收板。同样，在一段有效时间内足以提供100千瓦所需的化学燃料，也将是太沉重、太苯拙，以致不能付诸实用。

以前，曾有过几种周知的、将天然放射性元素在衰变期内释放的放射性能量转换为电能的方法。早在本世纪五十年代初就已研制了一种像葡萄柚大小的放射性同位素热电发生器，它是利用了钚-238衰变时放射的阿尔法粒子所产生的热量。但是，它的输出功率仅限于几百瓦。直接将放射性衰变能量转换为电能的其他一些方法已在美国专利第3，290，522、第3，409，820以及第3，939，366号中公开。

1966年12月6日颁发给罗伯特、吉耐尔（Robert    Ginell）的题为“核辐射发电器”的美国专利第3，290，522号公布了一种通过调制被限制于磁场封闭空间内的带电粒子云密度而提供电力的装置。放射性物质被置于一个空心球的中央，球的内表面镀覆着一层银。该球体居中位于一块永久磁铁的两极之间。带电粒子云密度的变化引起该粒子云建立的磁场的变化。磁场的这种变化切割导电机构，在其中建立电位和电流。把周期变化的静电场和电磁场用于受限制的带电粒子云，可以改变带电粒子云的密度。电能是在放射性物质衰变期间，在出现天然蜕变现象时从给予带电粒子（衰变产物）的动能得到的。但是，用这种方式发电转换效率很低，而且提供的电力量级太小以致不能应用于大多数场合。

1968年11月5日颁发给詹姆斯·O·伯克（James    O.Burke）的题为“电力装置”的美国专利第3，409，820号公开了一种通过放射性物质传导电流从而放大电流的装置。尽管该装置提供了某种电流放大作用，但同时要求有一个外部电源，例如常规的电池组，因而不能为大多数应用场合提供充足的电力。

1976年2月17日颁发给Yasuro    Ato等人的题为“将放射性能量转换为电能的方法以及用于完成此项转换的装置”的美国专利第3，939，366号公开了一种装置，其中放射性能量被转换为电能是通过用放射性衰变产物辐照半导体材料，从而使该材料产生一定数量的电子一空穴对来实现的。使一个磁场，沿垂直于电子一空穴对扩散和垂直于所加磁场的方向穿越该半导体材料，以便在该半导体材料有关端面上设置的电极处收集电子和空穴，从而在该半导体材料上产生电位。虽然由Ato等人公开的这种装置的转换效率比之伯克或是吉耐尔所公开的装置要高得多，然而该装置的输出功率仍不足以满足诸如电动汽车或是卫星这类应用的要求。

本发明的首要目的是，提供一种直接将放射性衰变能量转换为电能的装置。

另一个目的是，提供一种小型、精巧、可靠、轻便、装成一体并且结实耐用，从而适用于汽车、家庭、工业、农业以及文娱方面和卫星的电源。

还有一个目的是，提供一种能在一段长时间内供应大量电力，并且少要或不要维护或添加燃料的电源。

按照本发明原理所提供的一种核电池，其中放射性物质在天然蜕变期间所给予放射性衰变产物的能量，被用于维持和增强一个高Q值L-C振荡回路中的振荡。振荡回路中的电感包括电源变压器的一次绕组，并且是围绕在由放射性物质混合组成的芯体周围。放射性物质的混合物比单独使用一种放射性物质产生更大的放射性衰变产物通量，于是为从小容积芯体输出大功率提供了必要的通量。诸如镭这样的长寿命同位素的使用，保证了核电池至少有长达十年的稳定输出。

通过以下结合附图的详细说明，本发明其他的和进一步的目的以及优点就会一目了然。附图中

图1是按照本发明原理画出的L-C等效谐振电路简图;

图2是按照本发明原理构制的核电池的接线图;

图3是图2所示核电池放射性芯体顶部的平面图;

图4是图2所示核电池顶部的平面图;以及

图5是沿着图4所示核电池A-A线所取的侧视剖面图。

现在参照图1，该图展示了按照本发明原理构制的核电池的等效电路。L-C-R电路1包括电容器3、电感器5、变压器T的一次绕组9以及串联连接的电阻11。假设连接各电路元件和形成电感器5以及一次绕组9的电导体是理想导体，亦即是没有直流电阻的。电阻11是等效于实际电路部件和导体的总直流电阻的一个集中电阻。电感器5绕在芯体7上，后者由主要是通过放射阿尔法粒子而衰变放射性元素的混合物组成。

当电流在电路中流通时，能量是以热的形式耗散或损失的。这样，当L-C-R电路中感生振荡时，由于电路中的能量损失，除非不断地给电路补充能量以维持该振荡否则该振荡将逐渐减小。在图1所示的L-C-R电路中，在构成电感器芯体7的放射性物质衰变期间，当衰变产物被形成电感器5的导体吸收时，给予衰变产物的部分能量，例如阿尔法粒子就被引入到电路1之中。一旦在该L-C-R电路1中感生了振荡，只要电感器5从芯体7的物质放射性衰变中吸收的能量等于在电路1的欧姆电阻所耗散的能量，该吸收的能量就将维持该振荡。如果所吸收的能量大于通过欧姆电阻发热所损失的能量总额，该振荡将被加强。多余的能量可以输送给跨接在变压器T的二次绕组13上的负载17。

由放射性物质天然蜕变所释放的能量转换为电能的过程是众多而复杂的。通过放射阿尔法粒子或是贝塔粒子的天然放射性衰变物质，可能伴随伽玛射线的放射过程。作为电感器芯体7的材料，最好选用主要是放射阿尔法粒子而衰变的放射性物质。放射阿尔法粒子的速度很高，约为1.6×10⁷米/秒的数量级，所以，有很高的动能。已经发现，例如镭衰变时放射的阿尔法粒子由两部分组成，具有48.79×10⁵电子伏特动能的部分和有着46.95×10⁵电子伏特能量部分。这些动能必须在阿尔法粒子被形成电感器5的导体吸收时耗散。吸收过程中，每个阿尔法粒子都将同导体中的一个或多个原子相撞，将它们的一些电子撞离轨道，并给予这些电子一定的动能。其结果，增加了导体中传导电子的数目，从而提高了它的导电率。

因为阿尔法粒子是带正电的离子，阿尔法粒子移动时，会有伴随的磁场出现。当阿尔法粒子被导体阻止运动时，磁场将消失，从而在导体中感生一个电流脉冲，使电路1中流过的电流产生一个净增量。而且，由于带正电荷的阿尔法粒子的电离作用，另外还有一些电子将脱离轨道。

现在参照图2，核电池20按圆柱体外形构造。电感器5是用铜线单层绕在放射性芯体7的周围做成的。诸如阿尔法粒子这样的衰变产物（则像箭头2所指示的），从芯体7径向向外放射，由形成电感器5的铜导体吸收。八台变压器15布置成圆环状，形成一个包围电感器5并与之同轴的圆柱体。变压器15具有串联连接的一次绕组9a-9h，它们随后再同电感器5和电容器3串联连接，以形成L-C-R电路。中央芯体7、电感器5和八台变压器15一齐放在一个圆柱形的容器19里面。铜线被单层绕在圆柱体19的外壁和内壁上，以分别形成绕组23和21。变压器15的二次绕组13a-13h以及绕组21和23串联连接至输出端子25和27。电感器5的构形设计得能保证铜导线受到芯体放射线源7的最大辐照。电力变压器的圆柱体外形保证了最大的变压器效率，和最小的漏泄磁通。

现在参见图3，放射性芯体7包括一枚被动力用钍31圆柱体包围的镭针39，许多根铀棒33放在钍31里面。动力用钍31容钠在同轴的圆柱体壁35和37之间。把这些放射性材料的混合物用于芯体7，产生一种协合效应，这是由于出现额外感生的裂变现象，而使其产生的阿尔法粒子的通量比单独使用以上任何物质所产生的要大。

现在参照图4和5，图中所示为按照本发明的原理制造的核电池的顶视和侧视图。电感器芯体7由轴向放置于动力用钍31的圆柱形中心的镭针39组成，动力用钍31容纳在同轴的圆柱体壁35和37之间（诸如轻型卡片纸板一类材料可用于此项目的）。电感器5由两层美国线规（AWG）的8号铜线形成，其中一层41围绕镭针39、绕在面向壁37的内侧，另一层43绕在壁35的外侧，从而包围着动力用钍31和铀棒33。电感器芯体7的直径是1 1/4 英寸，长6英寸，电感器5的轮廓直径为1 5/8 英寸。八台变压器15各有一个用硅钢片叠成的3/4英寸见方、6英寸长的铁芯45。一次绕组9a-9h各由四层AWG18号铜线组成，二次绕组13a-13h各由两层AWG12号铜线组成。变压器15的轮廓外径为1 1/4 英寸。外圆筒19是硅钢片叠成的，其内层绕组21和外层绕组23都是用AWG12号铜线绕成。端板47和49是由内径2 3/4 英寸，外直径4 3/4 英寸的钢片叠成1/2英寸厚的环状物组成，用于提供一条低磁阻的通道，以构成如虚线51所示的磁路。

核电池在装配后，被浸入到一个充满油并装有散热器（未画出）的金属罐（未画出）内，以便为电力变压器提供必要的冷却。用于L-C-R电路的电容器3是一种油浸型的、高Q值能量释放谐振电容器。

在图2和3所示的结构里使用一枚1毫居里的镭针39，200克铀33和100克动力用钍31，达到了在86千赫芝下，向电阻负载连续输出400伏、23安培。如图4所示的、利用多枚附加镭针53的结构，可用于达到更大的输出功率值。

虽然我已经展示和说明了我的发明的这个最佳实施例，但显然本发明不局限于此处所描述的特定结构，对于本技术领域内的人员来说，在不违背本发明的精神或不超过本发明权利要求书范围的情况下，可能就此做出许多更改和变形方案。

Claims (6)

1、用于将放射性能量转换为电能的装置，其特征在于，所述装置包括：

绕在一个芯体上、用以形成一个具有第一电感量的电感器的一段电导体，所述芯体是放射性物质的；

一个有预定容量C的电容器；

一台具有一次绕组、二次绕组和变压器铁芯的变压器，所述一次绕组和所述二次绕组绕在所述变压器铁芯上，所述一次绕组具有第二电感量，所述二次绕组用于把电能耦合到工作负荷上去；以及

用于以串联形式连接所述电感器、所述电容器和所述一次绕组的电导体装置，以形成串联的L-C-R电路，其中L是所述第一电感量和所述第二电感量之和，R是所述L-C-R电路总的直流分布电阻值。

2、按照权利要求1的装置，其特征在于，所述芯体由若干种不同的放射性物质的混合物组成。

3、按照权利要求2的装置，其特征在于，所述放射性物质主要是通过放射阿尔法粒子而衰变的物质。

4、按照权利要求3的装置，其特征在于，所述变压器包括若干台变压器，所述若干台变压器配置在一个通常是圆形的结构里，以形成一个圆柱体，所述芯体被置于所述圆柱体里面，所述芯体的纵轴同所述圆柱体的纵轴相重合，所述若干台变压器中的每一台都有一个一次绕组和一个二次绕组，所述若干个一次绕组中的每一个都和剩下的绕组、以及所述电感器和所述电容器以串联方式连接，以形成所述的串联L-C-R电路，所述若干二次绕组中的每一个都和剩下的二次绕组以串联方式连接。

5、按照权利要求4的装置，其特征在于，所述芯体包括三种放射性物质。

6、按照权利要求5的装置，其特征在于，所述三种放射性物质包括镭、铀和钍。

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