DE1172328B

DE1172328B - Thermionic energy converter with nuclear fuel body

Info

Publication number: DE1172328B
Application number: DEB72350A
Authority: DE
Inventors: Dr Eduard Preuss
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-06-20
Filing date: 1963-06-20
Publication date: 1964-06-18
Also published as: CH412032A; GB1011310A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: H Ol ia~ VBoarding school Kl .: H Ol ia ~ V

Deutsche Kl.: 21 b-#7/6* German class: 21 b - # 7/6 *

o Oo O

Nummer: 1172 328 Number: 1172 328

Aktenzeichen: B 72350 VJIl c / 21 bFile number: B 72350 VJIl c / 21 b

Anmeldetag: 20. Juni 1963 Filing date: June 20, 1963

Auslegetag: 18. Juni 1964Opening day: June 18, 1964

Thermoionische Energiekonverter sind Anordnungen, die unter Anwendung der Glühemission von Elektronen die unmittelbare Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bezwecken. Die Heizung der emittierenden Elektrode erfolgt beispielsweise durch die Spaltungsenergie von Kernbrennstoffkörper. Die Temperatur der Kollektor-Elektrode ist durch Kühlung wesentlich niedriger als die der Emitter-Elektrode. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch Ausbildung der Kollektor-Elektrode als umhüllende Gefäßwand, an der ein Kühlmedium vorbeiströmt. Die im Entladungsraum bei der Glühemission sich entwickelnde Raumladung wird in bekannter Weise durch positive Ionen eines Dampfes, vorzugsweise durch Ionen des Cäsiumdampfes, kompensiert. Fremdgase dürfen im Entladungsraum nur im geringen Umfange vorhanden sein, so daß praktisch einHochvakuum erforderlich ist. Durch den Kernspaltungsvorgang werden jedoch gasförmige Spaltprodukte erzeugt, die fortlaufend das Vakuum verschlechtern. Außerdem werden durch die hohe Temperatur der Elektroden und Gefäßwände die in den Werkstoffen enthaltenen Gasreste befreit. Auch ist die Diffusion der umgebenden Atmosphäre durch die hoch erhitzten Wände erheblich intensiv, so daß auch auf diese Weise ständig Fremdgase in den evakuierten Entladungsraum eindringen. Es ist deshalb erforderlich, das Vakuum durch Abpumpen oder durch Getterung stets unter dem zulässigen Höchstdruck zu halten.Thermionic energy converters are devices that use the glow emission of The purpose of electrons is the direct conversion of thermal energy into electrical energy. the The emitting electrode is heated, for example, by the fission energy of the nuclear fuel body. The temperature of the collector electrode is significantly lower than due to cooling that of the emitter electrode. This is expediently done by forming the collector electrode as an enveloping vessel wall, past which a cooling medium flows. The one in the discharge space The space charge evolving from the glow emission is converted in a known manner by positive ions Steam, preferably by ions of the cesium vapor, compensated. Foreign gases are allowed in the unloading space be present only to a small extent, so that a high vacuum is practically required. However, the nuclear fission process produces gaseous fission products that continuously produce the Worsen vacuum. In addition, the high temperature of the electrodes and vessel walls frees the gas residues contained in the materials. Also is the diffusion of the surrounding The atmosphere due to the highly heated walls is considerably intense, so that also in this way constantly Foreign gases penetrate into the evacuated discharge space. It is therefore necessary to use the vacuum always kept below the maximum permissible pressure by pumping or gettering.

Für das Abpumpen werden in bekannter Weise Quecksilberdampfstrahl- oder Diffusionspumpen verwendet. Der Nachteil der Getterstoffe besteht darin, daß sie sich im Laufe des Betriebes sättigen; sie müssen daher wieder entgast oder ersetzt werden. Außerdem muß das abgepumpte, für die Raumladungskompensation notwendige Cäsium laufend ersetzt werden. Die zahlreichen Bedingungen erfordern bei den bekannten Anordnungen einen nicht unerheblichen Aufwand an Apparaturen.Mercury vapor jet pumps or diffusion pumps are used in a known manner for pumping out. The disadvantage of the getter materials is that they become saturated in the course of operation; she must therefore be degassed again or replaced. In addition, the pumped-out must be used for space charge compensation necessary cesium must be continuously replaced. The numerous conditions do not require one with the known arrangements insignificant expenditure on equipment.

Die Erfindung löst das vorliegende Problem auf äußerst vorteilhafte und einfache Weise. Sie bezieht sich auf einen thermoionischen Energiekonverter mit Kernbrennstoffkörpern für die Beheizung der Emitter-Elektrode und gekühlter, als Gefäßwand ausgebildeter Kollektor-Elektrode mit Cäsiumdampffüllung des Entladungsraumes und mit Dampfstrahl- oder Diffusionshochvakuumpumpe und besteht darin, daß die Hochvakuumpumpe innerhalb des Kollektor-Gefäßes untergebracht, in dem sich beide Elektroden befinden, und Cäsiumdampf als Treibmittel für die Pumpe vorgesehen ist.The invention solves the present problem in an extremely advantageous and simple manner. She relates on a thermionic energy converter with nuclear fuel bodies for heating the emitter electrode and cooled collector electrode designed as a vessel wall with cesium vapor filling of the discharge space and with steam jet or diffusion high vacuum pump and consists in that the high vacuum pump is housed inside the collector vessel in which both electrodes are located and cesium vapor is used as a propellant for the pump.

Thermoionischer Energiekonverter mit
KernbrennstoffkörperThermionic energy converter with
Nuclear fuel body

Anmelder:Applicant:

Brown, Boverie & Cie. Aktiengesellschaft,Brown, Boverie & Cie. Corporation,

Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Eduard Preuß, Mannheim-AlmenhofDr. Eduard Preuss, Mannheim-Almenhof

In der Zeichnung ist in schematischer Form der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen thermoionischen Energiekonverters durch ein Ausführungsbeispiel dargestellt.In the drawing, the basic structure of the thermionic according to the invention is in schematic form Energy converter represented by an exemplary embodiment.

Der Entladungsraum 1 wird durch die Emitter-Elektrode! und die Kollektor-Elektrode 3 gebildet. Die Kollektor-Elektrode 3 ist als Gefäß ausgebildet, das von einem Kühlmedium 4 umspült wird. Die Kathode 2 wird durch einen Kernbrennstoff körper 5 geheizt. Innerhalb des Kollektor-Gefäßes 3 ist eine Dampfstrahlpumpe 6 untergebracht. Der wesentliche Teil dieser Pumpe ist die Strahldüse 7 und der Kondensationsteil 8. Das kondensierte Cäsium wird in das Verdampfungsgefäß 9 rückgeführt. Beide Teile sind über ein Zwischenglied 10 mit schlechter Wärmeleitung verbunden. Im oberen Teil der Dampfstrahlpumpe zweigt ein Strömungskanal. Il ab, der einen Teil des Cäsiumdampfes über den Entladungsraum 1 zur Pumpendüse 7 zurückführt. Die Emitter-Elektrode 2 mit den Kernbrennstoffkörpern 5 ist von den Wänden des Kollektor-Gefäßes elektrisch isoliert. Hierfür ist das Keramikrohr 12 vorgesehen, das den Zweigkanal 11 mit der Diffusionspumpe 6 verbindet. Die Emitter-Elektrode ist an, die teilweise durchbohrte Ableitungselektrode 13 angeschlossen, die mittels des Durchführungsisolators 14 von der Gehäusewand elektrisch isoliert ist. Für die Abtrennung der abgesaugten Gase vom kondensierten Cäsium sind die Rohrleitungen 15 vorgesehen, die in einen Vorvakuumraum 16 einmünden. Der Vorvakuumraum ist über ein Ventil 17 mit einer VorschaltpumpeThe discharge space 1 is created by the emitter electrode! and the collector electrode 3 is formed. The collector electrode 3 is designed as a vessel around which a cooling medium 4 flows. The cathode 2 is heated by a nuclear fuel body 5. A steam jet pump 6 is housed within the collector vessel 3. The essential part of this pump is the jet nozzle 7 and the condensation part 8. The condensed cesium is returned to the evaporation vessel 9. Both parts are connected via an intermediate member 10 with poor heat conduction. A flow channel branches off in the upper part of the steam jet pump. II from, which returns part of the cesium vapor via the discharge space 1 to the pump nozzle 7. The emitter electrode 2 with the nuclear fuel bodies 5 is electrically insulated from the walls of the collector vessel. The ceramic tube 12, which connects the branch channel 11 to the diffusion pump 6, is provided for this purpose. The emitter electrode is connected to the partially drilled discharge electrode 13, which is electrically isolated from the housing wall by means of the bushing insulator 14. For the separation of the extracted gases from the condensed cesium, the pipes 15 are provided, which open into a fore-vacuum space 16. The fore-vacuum space is via a valve 17 with a back-up pump

409 600/M409 600 / M

verbunden. Sowohl der Vorvakuumraum 16 als auch das Ventil 17 sind mit vorwiegend elektrisch betriebenen Heizeinrichtungen versehen.tied together. Both the fore-vacuum chamber 16 and the valve 17 are predominantly electrically operated Provide heating devices.

Die Arbeitsweise der in den Konverter eingebauten Dampfstrahl- bzw. Diffusionshochvakuumpumpe ist grundsätzlich die gleiche wie die der bekannten Quecksilberdiffusionspumpen. Von dem elektrisch oder durch Kernenergie geheizten Verdampfungsgefäß 9 wird der Cäsiumdampf zunächst in einem hochtemperierten Rohr nach oben geleitet und zu der vorwiegend ringförmigen Düse 7 umgeleitet. Dort belädt sich der Cäsiumdampf durch die Saugwirkung des Dampfstrahles oder durch den Diffusionsvorgang mit den Restgasen des Anodengefäßes. Diese Restgase setzen sich teils aus Cäsiumdampf, teils aus den bei der Kernspaltung entstehenden gasförmigen Spaltprodukten, meist Edelgasen, und teils aus den durch die Gefäßwände diffundierenden Fremdgasen zusammen. Das Gasgemisch gelangt in den gekühlten unteren Teil 8 der Pumpe, wo der Cäsiumdampf kondensiert. Die in das Kondensat gehenden Verunreinigungen setzen sich am unteren Teil des Kondensationsteiles 8 ab, während die gasförmigen Anteile über die Rohrleitungen 15 in den Vorvakuumraum 16 abgeführt werden. Um zu verhindern, daß sich Cäsiumdampf im Vorvakuumraum niederschlägt, wird auch dieser Teil des Gehäuses geheizt. Der Vorvakuumraum ist über das ebenfalls geheizte Ventil 17 an eine Vorschaltpumpe üblicher Bauart, etwa einer Quecksilberdampfstrahlpumpe oder einer mechanisch arbeitenden Vakuumpumpe, angeschlossen.The working principle of the steam jet or diffusion high vacuum pump built into the converter is basically the same as the well-known mercury diffusion pumps. From that electric or the evaporation vessel 9 heated by nuclear energy, the cesium vapor is initially in a The high-temperature pipe is directed upwards and diverted to the predominantly ring-shaped nozzle 7. there the cesium vapor is loaded by the suction effect of the steam jet or by the diffusion process with the residual gases from the anode vessel. These residual gases consist partly of cesium vapor, partly of the gaseous fission products, mostly noble gases, and partly from the foreign gases diffusing through the vessel walls. The gas mixture enters the cooled one lower part 8 of the pump where the cesium vapor condenses. The impurities going into the condensate settle on the lower part of the condensation part 8, while the gaseous components be discharged via the pipes 15 into the fore-vacuum space 16. To prevent that If cesium vapor is deposited in the fore-vacuum space, this part of the housing is also heated. The fore-vacuum space is via the valve 17, which is also heated, to a standard type of back-up pump, such as one Mercury vapor jet pump or a mechanical vacuum pump.

Das Cäsium durchläuft einen in sich geschlossenen Kreislauf. Durch Wegfall von Verbindungsleitungen und durch den kompakten Aufbau auf Grund der erfindungsgemäßen Unterbringung der Pumpe innerhalb des Konvertergefäßes sind Dichtungsschwierigkeiten weitgehend vermieden. Um den Wärmefiuß von den hoch zu den niedrig temperierten Teilen der Dampfstrahlpumpe zu unterbinden, sind diese Teile über langgestreckte Verbindungsglieder, z. B. dem S-förmigen Kondensationsteil 8, verbunden. Zwischen dem vom Verdampfungsraum aufsteigenden Rohr und dem Kühlmittel des Kondensationsteiles ist ein thermischer Isolationsspalt vorgesehen.The cesium goes through a closed cycle. By eliminating connecting lines and due to the compact design due to the inventive accommodation of the pump inside of the converter vessel, sealing difficulties are largely avoided. About the heat flow These parts are to be prevented from moving from the high to the low temperature parts of the steam jet pump via elongated connecting links, e.g. B. the S-shaped condensation part 8 connected. Between the pipe rising from the evaporation chamber and the coolant of the condensation section a thermal insulation gap is provided.

Am Kopf der Diffusionspumpe zweigt ein Kanal ab, der durch den Brennstoffkörper führt und im oberen Teil des Konvertergefäßes in den Entladungsraum mündet. Durch diesen Kanal kann ein Teil des Cäsiumdampfes in den Entladungsraum gelangen, wo er die Kompensation der Elektronenraumladung besorgt. Durch diesen Strömungsvorgang erfolgt gleichzeitig eine Spülung des Entladungsraumes und eine Beseitigung der eingesickerten gasförmigen Verunreinigungen. Das Gas-Dampf-Gemisch gelangt, wie bereits beschrieben, schließlich zur Pumpendüse. Von dort wird es durch den Treibstrahl der Pumpe in den Kondensationsraum befördert.A channel branches off at the head of the diffusion pump, which leads through the fuel body and in the upper part of the converter vessel opens into the discharge space. Part of the Cesium vapor get into the discharge space, where it takes care of the compensation of the electron space charge. As a result of this flow process, the discharge space is flushed and the discharge space is flushed at the same time Elimination of the infiltrated gaseous impurities. The gas-steam mixture arrives as already described, finally to the pump nozzle. From there it is fed into the by the propulsion jet of the pump Condensation room promoted.

Die Verwendung von Cäsium als Treibmittel gemäß der Erfindung ist äußerst vorteilhaft, da zwei Ziele mit der gleichen Anordnung erreicht werden. Das eine besteht in der ständigen Beseitigung der unvermeidlichen Verunreinigungen des Vakuums und das andere in der gleichzeitigen Bereitstellung des für den Entladungsvorgang notwendigen Cäsiumdampfes. Zusammen mit der Unterbringung der Vakuumpumpe innerhalb des Konvertergefäßes ergibt sich ein äußerst einfacher und zweckmäßiger Aufbau des Gesamtkonverters.The use of cesium as a propellant according to the invention is extremely advantageous as two Goals can be achieved with the same arrangement. One is the constant elimination of the inevitable impurities in the vacuum and the other in the simultaneous provision of the cesium vapor necessary for the discharge process. Along with the accommodation of the The vacuum pump inside the converter vessel is extremely simple and expedient Structure of the overall converter.

Wegen der elektrischen Aufladung der Emitter-Elektrode muß diese zusammen mit dem Brennstoffkörper von den umgebenden, als Kollektor-Elektrode wirkenden Gefäßwänden elektrisch isoliert sein. Dies geschieht dadurch, daß der durch den Brennstoffkörper führende Abzweigkanal über ein Keramikrohr 12 an das eigentliche Pumpengehäuse 6 angeschlossen ist. Im oberen Teil mündet dieser Kanal in einem teilweise ausgebohrten Anschluß der Emitter-Elektrode. Durch seitliche Bohrungen wird die Verbindung mit dem Entladungsraum hergestellt. Der Emitteranschluß ist mittels eines vakuumdichten Durchführungsisolators von dem Konvertergehäuse getrennt. Durch diese Halterung des Emitterteiles läßt sich der erforderliche enge Abstand zwischen Kollektor-Elektrode und Emitter-Elektrode erschütterungssicher herstellen.Because of the electrical charge on the emitter electrode, it must be together with the fuel body be electrically isolated from the surrounding vessel walls acting as a collector electrode. this happens in that the branch channel leading through the fuel body via a ceramic tube 12 is connected to the actual pump housing 6. In the upper part this channel opens into one partially drilled out connection of the emitter electrode. The connection is made through holes in the side made with the discharge space. The emitter connection is vacuum-tight by means of a Bushing insulator separated from the converter housing. Through this holder of the emitter part the required close distance between the collector electrode and emitter electrode can be secured against vibrations produce.

An Stelle des Cäsiums können gegebenenfalls auch andere Alkalimetalle Verwendung finden, falls diese im Zusammenhang mit dem Entladungsvorgang zweckmäßig sind. An Stelle der Heizung der Emitter-Elektrode durch Kernenergie kann natürlich auch eine andere Heizungsart, z. B. eine elektrische, Verwendung finden.Instead of the cesium, other alkali metals can also be used, if necessary these are appropriate in connection with the discharge process. Instead of heating the emitter electrode by means of nuclear energy, of course, another type of heating, e.g. B. an electrical, use Find.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine völlig unabhängige Einstellung der Temperatur an den verschiedenen Bereichen der Konverteranordnung. Da der Dampfdruck mit der Temperatur eng zusammenhängt, kann auf diese Weise der Dampfdruck des Cäsiums genau festgelegt werden. Sehr wesentlich ist der Dampfdruck im Entladungsraum, der durch die Temperatur des an der Gefäßwand vorbeiströmenden Kühlmittels bestimmt wird. Die Temperatur des Kondensationsraumes ist so gewählt, daß dort der Cäsiumdampf mit Sicherheit niedergeschlagen und von den beigemengten Gasen abgetrennt wird. Der Vorvakuumraum und das Verdampfungsgefäß befinden sich auf solchen Temperaturen, die für die jeweiligen Bedingungen günstig sind. Diese unterschiedliche Einstellung der Temperatur an den verschiedenen Teilen des Konverters ist leicht durchführbar und stellt eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Konstruktion dar.The arrangement according to the invention enables the temperature to be set completely independently the different areas of the converter arrangement. Because the vapor pressure is closely related to the temperature is related, the vapor pressure of the cesium can be precisely determined in this way. very What is essential is the vapor pressure in the discharge space, which is determined by the temperature of the on the vessel wall passing coolant is determined. The temperature of the condensation space is chosen so that there the cesium vapor is deposited with certainty and separated from the admixed gases will. The fore-vacuum space and the evaporation vessel are at such temperatures which are favorable for the respective conditions. This different setting of temperature at the different parts of the converter is easy to carry out and represents a further advantageous Property of the construction according to the invention.

Claims

Patent claims:

1. Thermionic energy converter with nuclear fuel body as the source of thermal energy for heating the emitter electrode and the cooled one designed as a vessel wall Collector electrode, with cesium vapor filling of the discharge space and with vapor jet or Diffusion high vacuum pump, characterized in that the high vacuum pump is housed within the collector electrode vessel and cesium vapor is provided as a propellant for the pump.

2. Thermionic energy converter according to claim 1, characterized in that the Structure is made so that the wall temperatures of the collector electrode vessel and the Pump housing can be adjusted independently of one another.

3. Thermionic energy converter according to claim 2, characterized in that the Cesium vapor jet or diffusion pump in addition to flushing the discharge space Cesium vapor is used.

5 65 6

4. Thermionic energy converter according to 5. Thermionic energy converter according to Claim 3, characterized in that a claim 3, characterized in that the Part of the pump steam jet before entering the emitter electrode with the nuclear fuel cap Pump nozzle branched off and with the help of a pern from the surrounding collector-electrode tube the space between the emitter and

5 vessels electrically insulated and connected to an insulated one lektor electrode is fed. Power supply is connected.

1 sheet of drawings