DE1190070B - Thermoionischer Wandler zur direkten Umwandlung von Waermeenergie in elektrische Energie - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02n

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-27/01

Nummer: 1190 070

Aktenzeichen: U 6542 VIII c/21 b

Anmeldetag: 30. September 1959

Auslegetag: 1. April 1965

Die Erfindung betrifft einen thermoionischen Wandler zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung einer auf hoher Temperatur gehaltenen Emitterelektrode und einer auf tieferer Temperatur gehaltenen Kollektorelektrode, die in einem Gehäuse, das mit auf geringem Druck gehaltenen Dämpfen aus den ionisierbaren Elementen Caesium, Rubidium, Kalium oder Natrium gefüllt ist, im Abstand voneinander angeordnet und über einen außerhalb des Gehäuses befindlichen Belastungswiderstand miteinander verbunden sind.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung von Einrichtungen zur Umwandlung der bei der Kernspaltung freigesetzten Energie unmittelbar in elektrische Energie durch Verwendung spaltbarer Atomkerne als Teil der emittierenden Elektrode in einer thermoelektrischen Zelle, welche eine Auffangelektrode und ein Plasma mit einem niederen Widerstand aus einem leicht ionisierbaren Gas enthält, wobei die Spaltenergie zur Erhitzung der emittierenden Elektrode auf eine hohe Temperatur benutzt wird. So kann das gesamte spaltbare Material eines Reaktors in solchen emittierenden Elektroden vorhanden sein, wobei eine Batterie solcher Zellen zur Bildung der kritischen Masse zusammengebaut wird und die von solchen Zellen abgegebenen Leistungen können zur Erzeugung einer hohen elektrischen Ausgangsleistung summiert werden.

Erfindungsgemäß besteht die Emitterelektrode teilweise aus Urancarbid. Die heiße Elektrode kann vorzugsweise 80 Molprozent Zirkoncarbid enthalten, das in Form einer festen Lösung mit dem Urancarbid gemischt ist. Die Mischung ist auf eine Unterlage aus hitzebeständigem Metall aufgebracht. Eine solche thermoelektrische Zelle kann als Reaktorbrennstoffelement in Form eines langen Zylinders verwendet werden, wobei die Emitterelektrode als Mittelelektrode ausgebildet ist und die Kollektorelektrode diese konzentrisch umgibt, so daß zwischen den zwei Elektroden ein Ringraum gebildet wird, der mit dem Alkalimetalldampf angefüllt ist. Die Emitterelektrode besteht teilweise aus Urancarbid, das vorzugsweise mit U²³⁵ angereichert ist. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen, um die Wärme aus der Zelle abzuführen.

Es wurde gefunden, daß der Zusatz einer sehr kleinen Menge eines leicht ionisierbaren Gases, beispielsweise von Caesiumdampf, in einem Diodengefäß die Eigenschaften in drastischer Weise verändert. Der Caesiumdampf scheint eine geringe Wirkung auf die elektromotorische Kraft zu haben,

Thermoionischer Wandler zur direkten
Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische
Energie

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

George Maurice Graver, Los Alamos, N. Mex.;
Robert Wallace Pidd, La Jolla, Calif.;
Ernest William Salmi, Los Alamos, N. Mex.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Oktober 1958 (764 731), vom 3. März 1959 (796 991),
vom 18. Juni 1959 (821339)

die zwischen den Elektroden erzeugt wird, jedoch ist der Widerstand der Diode bei der gleichen Geometrie und unter den gleichen Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Außenwiderstand um ein Vielfaches geringer. Die Folge davon ist eine bedeutende Zunahme des Stromflusses (größenordnungsmäßig um den Faktor 10⁶) und eine entsprechende Zunahme der an die äußere Last abgegebenen Leistung.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung, bei welcher der Kurzschlußstrom eines thermoionischen Wandlers über der Temperatur der emittierenden Elektrode bei Verwendung verschiedener Stoffe für die emittierende Elektrode aufgetragen ist und aus der ferner die Sättigungsemissionsströme für diese Stoffe im Vakuum ersichtlich sind,

F i g. 2 enthält die Sättigungsemissionsstromkurven ohne äußeres elektrisches Feld für Urancarbid und für emittierende Elektroden aus Urancarbid und

509 537/162

3 4

Zirkoncarbid in Abhängigkeit von der Temperatur gungsströme für diese Materialien der Emissionsder Emitterelektrode, elektroden in einem Vakuum von etwa 10~⁶ mm Hg

Fig. 3 eine ähnliche Kurve für eine emittierende bei dem gleichen Abstand von 0,635 cm angegeben. Elektrode aus 80 Atomprozent Zirkoncarbid und Die Werte des Kurzschlußstromes für die letzteren 20 Atomprozent Urancarbid, 5 Kurven wurden experimentell für Ströme bis zu etwa

F i g. 4 eine Schnittansicht eines Spaltreaktor- 1 Ampere bestimmt und dann extrapoliert.
Brennstoffelements, das aus einer Vielzahl von er- Wie sich aus der F i g. 1 ergibt, sind die mit der

findungsgemäßen thermoionischen Wandlern be- emittierenden Carbidelektrode erzielbaren Ströme steht, beträchtlich stärker als die mit einer emittierenden

F i g. 5 eine Schnittansicht eines einzigen thermo- ίο Tantalelektrode. Der stärkste mit der Tantal ionischen Wandlers, der mit einem Dewar-Gefäß zur elektrode erzielte Kurzschlußstrom betrug 40 Am- Prüfung in einem Spaltreaktor zusammengebaut ist pere bei einer Temperatur von 2630⁰K, während und bei der gleichen Temperatur ein Kurzschlußstrom

Fig. 6 die Leerlaufspannung und die Kurzschluß- von 124 Ampere mit einer emittierenden Carbid- ströme für die Ausführungsform nach Fig. 5 in Ab- 15 elektrode erzielt wurde. Die entsprechenden Strom- hängigkeit von der maximalen Leistung des Reaktors, dichten sind 20 und 62 Ampere je Quadratzentiin welchem die Zelle geprüft wurde. meter der emittierenden Fläche. Hierbei ist zu er-

Zur Ausnutzung der in einem Spaltreaktor frei- wähnen, daß der stärkste Strom mit der emittierenden gesetzten Wärme kann die emittierende Elektrode in Tantalelektrode bei dem höchsten angegebenen Form eines massiven Elements aus einem hitze- 20 Caesiumdruck von 2 mm Hg erzielt wurde. Nach beständigen Material hergestellt werden, das den folgende Untersuchungen bei Caesiumdrücken bis zu Spaltbrennstoff enthält, z. B. in Form eines Stabes 6 mm Hg zeigen an, daß noch stärkere Ströme und aus einer festen Lösung von Zirkoncarbid und höhere Ausgangsleistungen unter sonst gleichen Be- U^a5-Carbid mit einer umgebenden Auffanghülse, dingungen erzielt werden können. Wie sich aus der welche einen Spalt für den leicht ionisierbaren 25 Kurvenschar bei Verwendung von Tantalelektroden Dampf bildet, welche Elemente zusammen eine bei verschiedenen Drücken ergibt, steigt das Elek- Brennstoffzelle darstellen. Wenn eine Gruppe solcher tronenemissionsvermögen dieses Metalls systematisch Zellen zu einem Reaktorkern mit kritischer Masse bei zunehmendem Caesiumdruck, wobei sich der zusammengebaut wird, erfolgt eine Selbsterhitzung Strom (und die Ausgangsleistung) annähernd mit der der emittierenden Elektrode durch die Absorption 30 Quadratwurzel des Caesiumdrucks verändert. Eine der kinetischen Energie der Spaltprodukte, wobei ähnliche Druckabhängigkeit ergab sich bei emittie- die elektrische Ausgangsleistung der Wandler durch renden Carbidelektroden mit Elektrodenabständen eine geeignete Schaltung summiert und außerhalb von etwa 0,1 cm. Die gleiche Abhängigkeit kann für des Reaktors verwendet werden kann. Wenn erfor- emittierende Carbidelektroden und etwas größeren derlich, kann die Temperatur der Auffangelektrode 35 Elektrodenabständen bestehen, jedoch läßt die bis- durch eine geeignete Gaskühlung oder andere an her durchgeführte Versuchsarbeit noch keine end- sich bekannte Kühlmittel auf einem niedrigen Wert gültige Feststellung zu.
gehalten werden. Die Emissionskurven der Carbidelektroden in

Es wurde festgestellt, daß das Material der emit- F i g. 1 für ein Caesiumplasma weichen von denen tierenden Elektrode von beträchtlicher Bedeutung 40 für ein Vakuum nach rechts ab. Dies zeigt an, daß für die Erhöhung des Stromflusses und damit der an solche Ströme plasmabegrenzt sind, eine Bedingung, die Last unter sonst gleichen Bedingungen abgegebe- die derjenigen eines raumladungsbegrenzten Stromes nen Leistung ist. Die Carbide von Uran und Zirkon, ähnlich ist. Bei emittierenden Elektroden aus Metall UC und ZrC und feste Lösungen derselben haben wird der Vorteil des Plasmas wegen der Elektroden- Eigenschaften, welche sie gegenüber emittierenden 45 emissionsgrenze des Metalls nicht voll ausgenutzt, Elektroden aus anderem Material weit überlegen während bei den emittierenden Carbidelektroden die machen, besonders wenn solche Carbide in der ge- stärkere Elektronenemission eine bessere Ausnutzung schmolzenen Form, entweder als Überzüge auf der Vorteile des Plasmas ermöglichen. In der Tat einem Grundmetall oder als bauliche Elemente gibt es einige experimentell ermittelte Punkte, bei selbst verwendet werden. Eine emittierende Elek- 50 welchen eine maximale Ausnutzung erzielt wird und trode aus Tantal, welche mit einem geschmolzenen bei weiterer Stromverstärkung mit einer Verringe- Polycarbid in einer Dicke von 0,7 mm überzogen rung des Plasmawiderstandes gerechnet werden war, das aus 80 Atomprozent Zirkoncarbid (ZrC) muß, beispielsweise die vorerwähnten plasma- und 20 Atomprozent Urancarbid bestand, und die begrenzten Bereiche der Strom-Temperatur-Kennanderen in Fig. 1 angegebenen Elektroden wurden 55 linien der Carbidelektroden in Fig. 1.
ohne Außenwiderstand mit Ausnahme der der ver- Es wurden emittierende Elektroden mit einem

bindenden Leitungen bei einem Caesiumdruck von Überzug aus Urancarbid, Zirkoncarbid und einer 0,5 mm Hg und einem Spalt von 0,635 cm zwischen festen Lösung aus 80 Atomprozent ZrC und 20 Atom- den Elektroden geprüft. Die Temperatur der emit- prozent UC hergestellt. Emittierende Elektroden aus tierenden Elektrode wurde so verändert, daß sich 60 solchen Stoffen wurden zur Auswertung durch die m F i g. 1 angegebene Kurzschlußstrom-Tempe- Schmelzen der Carbide im Lichtbogen unter einer ratur-Kennlinie zusammen mit ähnlichen Kennlinien Argonatmosphäre dadurch hergestellt, daß sie auf ergaben, die aus gleichartigen Versuchen mit einer Tantalscheiben mit einem Durchmesser von 15,88 mm emittierenden Elektrode aus Tantal und einer An- und einer Dicke von 3,18 mm mit einer Überzugzahl von Caesiumdrücken sowie mit einer emittieren- 65 dicke von 0,79 mm aufgeschmolzen wurden. Bei die- den Elektrode aus Tantal, die nur mit Zirkoncarbid sem Verfahren war ferner die vorbereitende Bildung überzogen war, erhalten wurden. In F i g. 1 sind fer- eines Überzugs aus Tantalcarbid auf der Tantalbasis ner durch gestrichelte Linien Kurven für die Sätti- durch Entgasen der Tantaloberfläche bei 2200⁰C

unter Vakuum und Erhitzen der Oberfläche in Kontakt mit entgastem Graphitpulver in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre bei 2000 bis 2200° C während eines Zeitraumes von etwa 15 Minuten erforderlich, wie in der USA.-Patentschrift 3020 632 beschrieben. Tantal wurde als Grundmaterial ausgewählt, da es bei hohen Temperaturen ziemlich stabil ist, jedoch können statt dessen auch andere leitende Materialien, die bei hohen Temperaturen stabil sind, wie Wolfram, verwendet werden. Es ist auch möglich, daß UC-ZrC-Polycarbid ohne Grundmaterial, beispielsweise in Form von Stäben, zu verwenden. Jedes Carbid wurde für sich selbst vorher durch Erhitzung der gereinigten Elemente miteinander in einem Lichtbogen in einer vorher »vergetterten« Argonatmosphäre hergestellt.

Die Polycarbidfeststofflösungen wurden sowohl durch Warmpressen der beiden Carbide in Pulverform (Teilchengröße 105 Mikron) mit 5 Gewichtsprozent Kobalt (Teilchengröße 44 Mikron) in Graphitgesenken bei 2,11 kg/mm² und 1900° C, wobei das Kobalt bei 2000⁰C unter Vakuum später ausdestilliert wurde, hergestellt als auch durch induktive Erhitzung der gemischten Carbidpulver ohne Kobalt

des ZrC hat. Nur das UC hat die Neigung, bei wiederholter thermischer Beanspruchung Risse zu bilden, während das verwendete ZrC oder die Polycarbide kein solches Verhalten zeigten, auch nicht bei raschem und wiederholtem Temperaturwechsel von der Raumtemperatur auf 2400° C und wieder auf Raumtemperatur.

Die in den F i g. 2 und 3 gegebenen Werte können in die Richardson-Emissionskurve eingesetzt werden

Z₀ = AT² exp

q_e0\ IcT '

T = die absolute Temperatur der emittierenden Fläche in Grad Kelvin,

q_e = Elektronenladung in Coulomb, k = Boltzmann-Konstante in Erg/Grad Kelvin,

φ = Austrittsarbeit der emittierenden Fläche bei der Temperatur T, Volt,

A = eine halbempirische Konstante, — Obwohl die Austrittsarbeit Φ nicht direkt über den

, pgg ,

zu den folgenden einander entsprechenden Werten aus den F i g. 1, 2 und 3:

bei 2000° C während der Dauer von 4 Stunden in *5 erwähnten Temperaturbereich gemessen wurde, führt einem Graphitschmelztiegel. Bei dem letzteren Ver- _{die Annahme daß sie nicht} temperaturabhängig ist, fahren wurde em gesinterter Stab erhalten, der ohne
Bruch gehandhabt werden konnte. Die Carbide hatten eine silberglänzende, dichte metallische Oberfläche und zeigten keine Hohlstellen, hatten jedoch 3o
makroskopische kristalline Struktur.

Die Elektronenemissionseigenschaften der verschiedenen Carbide wurden dann in Dioden geprüft, wobei die mit einem Überzug versehenen in der vor-

Emittierende Elektrode

ZrC.

Ampere cm²-⁰K²

134

730,000 66,000

Φ Volt

3,8

4,57

4,3

angehend beschriebenen Weise hergestellten Platten 35 jjc
als Kathoden verwendet wurden. In jeder Diode (ZrC) 0 8 — (UC) 0 2
diente die Kathode gleichzeitig als Verschluß, wobei
die Metallseite nach außen gerichtet war und durch

Elektrodenbeschuß von einem Elektronenstrahler- Zum Vergleich der Werte von i₀ in Fig. 2 und 3

zeuger erhitzt wurde. Gegenüber der nach innen ge- 40 mit denjenigen eines reinen Metalls ist beispielsweise richteten Carbidfläche befand sich in einem Abstand zu erwähnen, daß die Polycarbidstromdichte von 0,635 cm eine Auffangelektrode vom gleichen 0,16Amp./cm² bei 1800⁰K ist. Die entsprechende Durchmesser wie die Kathode und eine diese umge- Stromdichte von Tantal bei dieser Temperatur ist bende, in der gleichen Ebene liegende Schutzelek- 10~⁵ Amp./cm², was eine 1600fache Zunahme bei trode für die Bildung eines homogenen elektrischen 45 der Verwendung des Carbids anzeigt.
Feldes. Beide Elektroden waren in einem Gefäß an- Die vorangehend beschriebenen emittierenden

geordnet, daß auf 10~⁶ mm Hg evakuiert war. Der Elektroden aus UC und UC-ZrC haben auch andere Schutzring war unmittelbar geerdet, während die Eigenschaften, welche sie als thermionische Über-Auffangelektrode über ein Amperemeter geerdet züge oder Glieder besonders geeignet machen. Es war. Die Spannung an der emittierenden Elektrode 5° sind keine Aktivierungsmaßnahmen, wie beispielswurde mit Bezug auf die geerdeten Elektroden bis weise die Formierung von thoriertem Wolfram durch auf —3 Kilovolt verändert, um Sättigungsemissions- Überschläge, erforderlich, noch müssen besondere ströme und die Schottky-Korrektur auf die bei Ver- Maßnahmen zur Reinigung der Oberfläche der Carschwinden der Ströme Feldstärke zu erzielen. Alle bidelektroden vor dem Gebrauch vorgenommen wernachstehend diskutierten Ströme werden daher durch 55 den. Das Freiliegen in der umgebenden Atmosphäre Extrapolieren einer Auftragung von log ζ über der hat ebenfalls keine Wirkung, selbst wenn es tagelang Feldstärke auf 0 Volt korrigiert, was die Nullfeldsättigungsstromdichte Z₀ ergibt.

Die auf diese Weise erzielten Ergebnisse sind in
den F i g. 2 und 3 dargestellt, wobei die F i g. 2 die 6o
gesonderten Kennlinien von UC und ZrC zeigt und
die F i g. 3 die Kennlinie einer festen Lösung der beiden aus 80 Atomprozent ZrC und 20 Atomprozent
UC bestehenden Carbide darstellt. Wie ersichtlich,
ist die letztere Kennlinie im wesentlichen gleich der- 65 werden ferner ohne die Zeitverzögerung erzielt, die jenigen von UC, wobei das Polycarbid das höhere vielen der guten bekannten Emissionselektroden Elektronenemissionsvermögen des UC bei einer ge- eigen sind, bei welchen mehrere Sekunden zwischen gebenen Temperatur und die größere Dehnbarkeit der Erregung des Kathodenheizelements und dem

g, gg

dauert, und die Elektroden können ohne die zur Reaktivierung der bekannten Glühkathoden erforderlichen Verzögerungen wiederverwendet werden.

Die mit den emittierenden Carbidelektroden erzielbaren und in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ergebnisse sind absolut reproduzierbar, d. h., es findet kein allmählicher Verlust an Emissionsvermögen bei wiederholtem Betrieb statt. Die erwähnten Ergebnisse

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Auftreten des maximalen Stroms verstreichen können.

Der am meisten hervorstechende Vorteil der Carbidelektroden besteht darin, daß sie mit viel höheren Stromdichten und Temperaturen als die thermionisch emittierenden Elektroden bekannter Art, besonders die thorierten Wolframkathoden, betrieben werden können. Die letzteren haben eine obere Belastbarkeit von etwa 1 Amp./cm², während die Carbidelektroden bereits phne nachteilige Wirkungen mit Stromdichten bis zu 60 Amp./cm², wie in F i g. 1 angegeben, betrieben wurden und extrapolierte Werte bis zu 1000 Amp./cm² möglich erscheinen. Wenn ein thorierter Wolframfaden auch nur kurzzeitig oberhalb seiner Arbeitstemperatur betrieben wird, scheint das Thoriumoxyd wegzukochen, und es gehen die guten Emissionseigenschaften völlig verloren, bis der Faden wieder reaktiviert wird. Die Emission aus den Carbidmaterialien scheint andererseits nur durch die Temperatur begrenzt zu sein, bei welcher dieses Material noch seine Struktur behält, welche Temperatur bei dem beschriebenen besonderen Polycarbid etwa 2900° C beträgt (UC schmilzt bei 2450° C, ZrC bei 3500° C).

Die vorangehend angegebenen Stromdichten für Urancarbid und mit Zirkoncarbid verdünntes Urancarbid wurden mit UC erzielt, das aus dem nichtspaltbaren Isotop U*³⁸ (zumindest nichtspaltbar mit Ausnahme energiereiche Neutronen) hergestellt worden war. Die Emissionseigenschaften hängen nicht von irgendeinem der Kernquerschnitte von Uran ab. Die leicht spaltbaren Isotope, wie U²³⁵, können auch ohne Wirlaragen auf das Emissionsvermögen verwendet werden, da die Geschwindigkeit der Elektronenemission nicht von der Zusammensetzung des Kerns abhängt.

Wenn das UC in einer Emissionselektrode aus Uran hergestellt wird, das mit U²³⁵ angereichert ist, um eine kritische Anordnung entweder in einer einzigen Zelle oder in einer Anzahl einander benachbart angeordneten Zellen herzustellen, können die Spaltprodukte nicht in der emittierenden Elektrode bei der hohen Temperatur der letzteren gehalten werden. Viele von ihnen sind Gase, welche in das Plasma eintreten und dessen Eignung für den Wandler allmählich aufheben könnten.

Bei den üblichen heterogenen Spaltreaktoren, besonders bei solchen, bei denen feste Uran- oder PIutoniumbrennstoffelemente verwendet werden, bleiben die Spaltprodukte im Brennstoff, und es besteht keine Möglichkeit, sie zu beseitigen, ausgenommen dadurch, daß das Element entnommen und dieses zur Beseitigung der Spaltprodukte aufbereitet wird. Das hat den Nachteil, daß die Behandlung durchgeführt werden muß, bevor ein wesentlicher Teil des Spaltelementinhalts verbraucht worden ist, da die wirtschaftliche Zeit zur Aufbereitung durch die Geschwindigkeit der Anreicherung an Spaltproduktgiften, d. h. diejenigen, welche Neutronen in starkem Maße einfangen, gegeben ist. Bei den vergleichbaren Carbidelektroden eines Wandlers nach der Erfindung besteht die Neigung, sich selbst von Spaltprodukten zu reinigen, so daß sie niemals aufbereitet zu werden brauchen, ausgenommen dann, wenn das spaltbare Material nachgefüllt werden soll. Alles, was erforderlich ist, um die guten Eigenschaften des Plasmas aufrechtzuerhalten, ist eine kontinuierliche Aufbereitung des Gases zum Entfernen der Spaltprodukte aus diesem. Diese Aufbereitung ist bei einem beweglichen Medium, beispielsweise bei einem Gas, viel leichter als bei einem festen Material.

Zum Nachweis der Vorteile der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wandler unter Verwendung von emittierenden Carbidelektroden mit Uran, die mit dem U²³⁵-Isotop angereichert ist, wurde eine solche Zelle in einem arbeitenden Kernspaltungsreaktor geprüft. Die F i g. 8 zeigt einen Längsschnitt

ίο dieser Zelle in natürlicher Größe. Der zylindrische Brennstoff stift 101 wurde durch Warmpressen gleicher Gewichte Urancarbid (UC) und Zirkoncarbid (ZrC) zu einem massiven Stab mit einem Durchmesser von etwa 6,35 mm hergestellt und in einen hohlen Tantalhalter 102 eingepreßt, worauf das Ganze gesintert, auf einen Fertigdurchmesser von 0,71 cm bearbeitet und am Tantalende mit einem Gewinde versehen wurde. Obwohl in der F i g. 8 keine Markierung am Brennstoffstift 101 dargestellt ist, enthielt nur die untere Hälfte Urancarbid, in welchem das Uran mit dem U²³⁵-Isotop (94%) angereichert war, während die obere Hälfte nur natürliches Uran enthielt. Dies geschah, um ein Wärmegefälle vom unteren Ende des Brennstoffstiftes 101 zum Kupferfuß 103 sicherzustellen, in welchen der Tantalhalter 102 eingeschraubt wurde. Die untere Hälfte des Brennstoffstiftes 101 hatte daher eine Umfangfläche von 2,84 cm² und eine Endfläche von 0,39 cm², ein Volumen von 0,50 cm³ und eine Gesamtmasse von 4,5 g, wovon etwa 1 bis 2 g U²³⁵ waren.

Der übrige Teil des in der F i g. 8 dargestellten thermoelektrischen Wandlers bestand aus einer zylindrischen Auffangselektrode 104 aus korrosionsbeständigem Stahl, an der eine spiralige Kupferkühlrippe 105 befestigt war, welch letztere sowohl zur Ableitung der durch die Auffangelektrode aufgenommenen Wärme an die Innenwand 107 eines metallischen Dewar-Zylinders 108 und an das umlaufende Kühlöl 106 sowie zur Befestigung der Brennstoffzelle innerhalb des Dewar-Gefäßes diente. Der radiale Spalt zwischen den Elektroden betrug etwa 0,7 cm. Die eigentliche Zelle war durch einen ringförmigen Isolator 111 aus Aluminiumoxyd und Nickelflansche

112 und 113 abgeschlossen, wobei der Flansch 112 dichtend sowohl am Isolator 111 als auch an der Auffangelektrode 104 befestigt war und der Flansch

113 am Fuß 103 der emittierenden Elektrode und am Isolator 113. Die Mittelbohrung 114 erstreckte sich von dem oberen Ende des Fußes 103 der emittierenden Elektrode und diente zur Aufnahme eines Thermoelementrohres 115. Oberhalb der dargestellten Anordnung waren ein Verschluß für das Dewar-Gefäß, ein langes Stütz- oder Halterohr für die gesamte Anordnung, am Fuß 103 der emittierenden Elektrode und an der Innenwandung 107 des Dewar-Gefäßes befestigte elektrische Zuleitungen sowie eine Ölrücklaufleitung vorgesehen.

Diese Zuleitungen waren mit einem ferngesteuerten Schalter verbunden, der unmittelbar oberhalb der Zelle angeordnet war und der Stellungen zur Messung der Leerlaufspannung, des Kurzschlußstroms und der maximalen Ausgangsleistung hatte. Das Kühlöl 106 wurde durch eine Ölleitung 116 zur Regelung der Temperatur der Auffangelektrode 104 und des Caesiumdrucks innerhalb der Zelle zugeführt. Ein durchbrochenes Querstück 117 diente als Strahlungsschild für das Caesiumbad. Zwischen der Innenwand 107 und der Außenwand 109 des Dewar-

Gefäßes 108 wurde Helium mit atmosphärischem Druck als Mittel zum Ableiten der durch Gammastrahlung entstehenden Wärme von der Innenwand 107 verwendet. Die Verwendung des Wandlers innerhalb eines solchen Dewar-Gefäßes ermöglichte das Eintauchen des Aggregats in das kühle Wasser (37° C) des Reaktors ohne Beeinflussung der Temperaturen innerhalb des Wandlers. Die elektrische Verbindung von der Auffangelektrode verlief sowohl über die spiraligen Kühlrippen 105 als auch über einen nicht gezeigten kräftigen Gurt zur Innenwand 107 des Dewar-Gefäßes.

Vor dem Zusammenbau wurde die Anordnung durch die Leitung 120 evakuiert, Caesium durch die gleiche Leitung eingeleitet und die letztere abgedichtet. Der Wandler und das Dewar-Gefäß wurden an dem vorerwähnten langen Rohr so befestigt, daß sich der ferngesteuerte Schalter oberhalb des Dewar-Gefäßes befand, während das Öl und die Zuleitungen durch das obere Ende des Rohres herausgeführt wurden. Das ganze Aggregat wurde dann in eine der mittigen leeren Brennstoffelementöffnungen in dem »Omega-West«-Reaktor von Los Alamos eingelassen, der ein heterogener, wassergekühlter und Moderier-Material-Versuchsreaktor ist, bei welchem feste, mit Aluminium ummantelte Brennstoffstäbe mit angereichertem Uran verwendet werden. Dieser besondere Reaktor hat eine maximale thermische Leistung von etwa 5 Megawatt.

Der Reaktor wurde durch die üblichen Mittel (Manipulation der Regelstäbe) in Stufen von etwa einem halben Megawatt auf maximale Leistung gebracht und mit dieser Leistung für eine Dauer von etwa 5 Stunden betrieben. Der Kurzschlußstrom wurde ständig überwacht, während die Leerlaufspannung für Bruchteile der maximalen Leistung und gelegentlich nach dem Erreichen der vollen Leistung ermittelt wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 dargestellt. Die Leerlaufspannung blieb während des erwähnten Zeitraums von 5 Stunden im wesentlichen konstant, während der Kurzschlußstrom von dem angegebenen Wert von 37 Amp. um etwa 20% während der ersten Betriebsstunde zurückging und dann bei etwa 30 Amp. blieb. Ein fehlerhaftes Arbeiten des Schalters in seiner dritten Stellung verhinderte jede Messung der maximalen Ausgangsleistung. Während des erwähnten Zeitraums betrug die mittlere Temperatur des mit der Auffangelektrode in Kontakt befindlichen Kühlöls etwa 260° C, woraus sich ergibt, daß der Caesiumdruck in der Zelle etwa 0,1 mm Hg betrug.

Am Ende dieser ersten 5-Stunden-Periode wurde der Reaktor während eines Wochenendes (etwa 60 Stunden) bei eingesetztem thermoelektrischem Wandler abgeschaltet. Anschließend wurde der Reaktor wieder auf maximale Leistung gebracht und mit dieser Leistung während weiterer 5 Stunden betrieben. Die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom waren gleich wie vor der ersten Abschaltung und zeigten wenig Veränderung während der zweiten Betriebsperiode von 5 Stunden. Die maximale Ausgangsleistung konnte wegen des fehlerhaften Schalters wiederum nicht gemessen werden. Die Ausgangsleistung bei Kurzschluß konnte nicht berechnet werden, da der Widerstand des äußeren Stromweges nicht bekannt war.

Am Ende der zweiten Periode von 5 Stunden arbeitete die Zelle immer noch wie angegeben, jedoch entschloß man sich, die Zelle zur Untersuchung herauszunehmen. Die Untersuchung ergab, daß der Brennstoffstift einem durchschnittlichen Fluß thermischer Neutronen von 10¹³ Neutronen je Quadrat-Zentimeter in der Sekunde ausgesetzt war und 6 · 10¹⁷ Spaltungen erfolgt waren.

Zur Bestimmung der Temperatur der emittierenden Elektrode während des Bestrahlungsversuchs innerhalb des Reaktors und der während dieses Versuchs erzielbaren maximalen Ausgangsleistung wurde ein Wandler mit einer ähnlichen Geometrie und dem gleichen Abstand und Caesiumdruck durch elektrische Erhitzung der emittierenden Elektrode betrieben. Durch die Wechselbeziehung der mit diesem Wandler in Abhängigkeit von der Temperatur erhaltenen Werte für die Leerlaufspannnug und den Kurzschlußstrom mit den Werten, die während des Bestrahlungsversuchs innerhalb des Reaktors erhalten wurden, wurde ermittelt, daß die Temperatur der emittierenden Elektrode während des Betriebs des Reaktors mit maximaler Leistung 2000° C betrug. Hieraus und aus der bekannten Ausgangsleistung des elektrisch erhitzten Wandlers in Abhängigkeit von der Temperatur der emittierenden Elektrode ergibt sich, daß die während des Bestrahlungsversuchs innerhalb des Reaktors erzielbare maximale elektrische Ausgangsleistung 30 Watt betragen hat.

Die vorstehenden Ergebnisse sind aus dem folgenden Grund von Bedeutung. Sie demonstrieren, daß die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wandler zur Gewinnung elektrischer Energie unmittelbar aus der bei der Spaltung freigesetzten Energie verwendet werden können. Hierbei ist zu erwähnen, daß die hohe Temperatur der emittierenden Elektrode während des Bestrahlungsversuchs innerhalb des Reaktors nur dadurch erzielt werden konnte, daß durch die Emitterelektrode die Energie absorbiert wurde, welche durch die Spaltung seiner eigenen Brennstoffatome, in der Hauptsache durch die kinetische Energie der Spaltbruchstücke, freigesetzt wurde. Durch Spaltvorgänge in den benachbarten Reaktorbrennstoffstäben freigesetzte Energie hat nur eine vernachlässigbare Wirkung, da die in diesen entstehenden Spaltbruchstücke nicht in den thermoelektrischen Wandler eindringen können und andere energiereiche Teilchen oder Strahlungen höchstens eine vernachlässigbare Heizwirkung auf den Wandler haben (die meisten Neutronen werden zu thermischen Neutronen moderiert, die Alphastrahlen werden gestoppt, die meisten Gammastrahlen treten hindurch, und die Betastrahlen sind vernachlässigbar).

Die Fig. 4 zeigt einen Brennstoffstab, der aus mehreren erfindungsgemäßen thermoelektrischen Wandlern zusammengesetzt ist, welche elektrisch in Reihe angeordnet sind. Eine geeignete Anzahl solcher Stäbe kann in einem Kühlmittel von niedriger Temperatur, beispielsweise in Wasser von Raumtemperatur, zur Bildung einer kritischen Menge angeordnet werden. Der Brennstoffstab besteht aus einem Stabfuß 44 und aus einem an diesem als Behälter angeschweißten Mantel 52, die beide beispielsweise aus Aluminium hergestellt sind und zusammen die elektrische Verbindung von der Verbindungsklemme 85 am oberen Ende zur emittierenden Elektrode der untersten Zelle bilden. Innerhalb des Mantels befinden sich die unterste Zelle, eine Anzahl mittlerer Zellen, eine oberste Zelle und die Brennsos 537/162

stoffstabkappe, wobei alle Zellen bis etwa zur Mitte der obersten Zelle durch eine ununterbrochene Isolierhülse 58 umgeben sind, deren Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Mantels 52, so daß ein Ringkanal 69 zur Rückführung von kondensiertem Caesium vom oberen Ende des Brennstoffstabes zum Becken 61 gebildet wird. Auf den Teil 46 von verringertem Durchmesser des Fußes 44 ist der Fuß 47 der ersten emittierenden Elektrode, beispielsweise aus Tantal oder Zirkon, aufgeschraubt. Dieser Fuß liegt fest gegen eine Schulter 45 des Brennstoffstabfußes 44 an und hat einen Außendurchmesser, der geringer ist als der Innendurchmesser des Mantels 52, so daß ein ringförmiger Spalt 61 vorhanden ist, welcher als Becken für das flüssige Caesium 51 dient. Der isolierende Zylinder 58 liegt gegen eine Schulter 48 des Fußes 47 an und ist mit einer Anzahl von radialen Schlitzen 62 versehen, die sich quer zum Boden als Dampfkanäle erstrecken. Der Fuß 47 ist innerhalb der Bohrung der Hülse 58 von einer zweiten Isolierhülse 56 von kleinerem Durchmesser als die erste Hülse 58 umgeben. Die Hülse 56 erstreckt sich in Längsrichtung nur über einen Teil der Emitterelektroden der untersten Zelle. Die Isolierhülse 56 hat einen kleineren Innendurchmesser, als der Durchmesser des Fußes 47 beträgt, und bildet auf diese Weise einen Gaskanal sowie einen Elektrodenspalt 64 um die zylindrische mittig angeordnete Emitterelektrode herum und ist ferner mit einer Anzahl unterer radialer Schlitze 63 zur Bildung von Gaskanälen zwischen den Gaskanälen 62 und 64 versehen.

Der übrige Teil der Emitterelektrode der untersten Zelle besteht aus einem Übergangsabschnitt 54 aus ZrC und einem Brennstoffabschnitt 55 aus einer festen Lösung von ZrC und UC. Jeder dieser Abschnitte ist mit dem benachbarten Abschnitt bzw. den benachbarten Abschnitten verschmolzen und hat den gleichen Durchmesser wie der Schaftteil 50 des Emissionselektrodenfußes 47. Die Emissionselektrode ist, durch einen Ringspalt 64 von ihr getrennt, von einer zylindrischen Auffangelektrode 53 umgeben, die beispielsweise aus Zirkon, Tantal, Kupfer oder korrosionsbeständigem Stahl bestehen kann.

Die Auffangelektrode 53 liegt gegen das obere Ende der Isolierhülse 56 an, ist an ihrer Innenfläche 57 mit einem Gewinde versehen oder geriffelt, so daß sie eine größtmögliche Fläche aufweist, um auf diese Weise den Widerstand der Zelle zu verringern, und erstreckt sich in die erste mittlere Zelle in einem Teil 60 von verringertem Durchmesser zur Bildung des Fußes der emittierenden Elektrode der ersten mittleren Zelle. Wie ersichtlich, hat die Auffangelektrode 53 einen geringfügig kleineren Außendurchmesser, als der Innendurchmesser der Isolierhülse 58 beträgt, so daß ein kleiner Ringkanal 70 gebildet wird, der sich vom oberen Ende der Isolierhülse 56 zum unteren Ende der entsprechenden Isolierhülse der ersten mittleren Zelle erstreckt. Dieser Spalt ermöglicht den leichten Zusammenbau der Zelle und stellt den für die Ausdehnung der Auffangelektrode 53 erforderlichen Raum zur Verfügung. Die mit einem Gewinde versehene Innenfläche 57 der Auffangelektrode endet mit einer glatten Fläche 65 zur Bildung einer Gewindeaussparung. Hierauf folgen in Richtung zum oberen Ende der Auffangelektrode der Mittelkanal mit einem kegelstumpfförmigen Hohlraum 66, einem Längsmittelhohlraum 67 und radialen Kanälen 68, welch letztere in einen Ringkanal 71 zwischen dem abgesetzten Teil 60 der Auffangelektrode und der kurzen Isolierhülse der ersten mittleren Zelle endet.
Die in F i g. 4 angegebene Unterteilung zwischen den Zellen ist etwas willkürlich, da die Auffangelektrode jeder unteren Zelle auch als emittierende Elektrode der nächstfolgenden oberen Zelle dient und der gesamte Brennstoffstab mit einem kontinuierlichen Dampfkanal zwischen aufeinanderfolgenden Zellen versehen ist. Mit Ausnahme des Umstandes, daß die unterste Zelle mit einem etwas größeren Emissionselektrodenfuß versehen ist, ist jede der mittleren Zellen im wesentlichen mit der untersten Zelle gleichartig, die Übergangsabschnitte und die aktiven Brennstoffabschnitte der emittierenden Elektroden sind gleichartig, die Auffangelektroden sind gleichartig, und die Spalte zwischen den Elektrodenpaaren sind gleichartig.

Bei der obersten Zelle sind der Aufbau der emittierenden Elektrode und die kurze Isolierhülse derselben gleichartig mit demjenigen der mittleren Zellen. Die Unterschiede liegen darin, daß der mittlere Gaskanal mit einem blinden Ende 73 endet und sich nach unten erstreckende radiale Kanäle 74 durch die Auffangelektrode 78 vorgesehen sind und die Isolierhülse 58 kurz vor den radialen Kanälen 74 endet. Der Zweck dieser Abänderungen besteht darin, einen kalten Bereich zu schaffen, der das obere Ende der obersten Zelle zur Kondensation des Caesiumdampfes und dessen Rückführung zum unteren Ende des Stabes durch den Ringkanal 69 umgibt. Außerdem ist ein Ringspalt 72 am Fuß der Auffangelektrode 78 vorgesehen, um eine axiale Ausdehnung der Zellenanordnung zu ermöglichen.

Der Stiftteil 80 der oberen Auffangelektrode 78 ist mit einer Metallstange 81 verschraubt, um den elektrischen Stromkreis zur Verbindungsklemme 86 zu vervollständigen. Diese Stange 81 ist mit einem Mittelkanal 77 und sich nach unten erstreckenden radialen Kanälen 76 zum Dampfraum 75 zwischen dem Mantel 52 und sowohl der Stange 81 als auch der Auffangelektrode 78 versehen, so daß der Brennstoffstab vor der Inbetriebnahme und die Dämpfe im Raum 75 abgesaugt werden können. Da der größte Teil des Caesiumdampfes an der Innenseite des Mantels 52 kondensiert, besteht der abgesaugte Dampf aus gasförmigen Spaltprodukten, welche durch den Mittelkanal 77 abgezogen und außerhalb des Reaktors beseitigt werden können.

Der Brennstoffstab ist am oberen Ende durch Isolierringe 82, beispielsweise aus Aluminiumoxyd, und durch Ringfedern 83 und 84 abgedichtet, welch letztere sowohl mit den Isolierringen 82 als auch mit dem Aluminiummantel 52 verschweißt sind. Es wurde festgestellt, daß der übliche Verschluß, beispielsweise eine flache, am Mantel 52 befestigte Kappe mit einem Mittelkanal und einer Dichtung zur Aufnahme des Stabes 81 nicht möglich ist, da kein Dichtungsmaterial gefunden wurde, das dem Strahlungsfluß, dem es in einem Spaltreaktor ausgesetzt ist, Widerstand leisten kann. Der Mittelstab 81 und der Mantel 52 können in zur Herstellung elektrischer Verbindungen geeigneter Weise abgeschlossen werden.

Um eine zwangläufige Berührung für eine Wärmeübertragung zwischen den Auffangelektroden 53 und der Isolierhülse 58 sowie zwischen der Isolierhülse

58 und dem Mantel 52 sicherzustellen, sind mehrere Spalte 69 und ein einziger Spalt 70 mit gewellten Beryllium-Kupfer-Abstandstücken vorgesehen, welch letztere in der F i g. 4 mit 87 und 88 bezeichnet sind, wobei ein Abstandsstück 87 für jeden Spalt 69 vorhanden ist. Ein solches Element ermöglicht ferner einen leichten Zusammenbau und gibt im Spalt 69 den erforderlichen Raum für den Fluß von Caesium zum Becken 61.

Als Material für die Isolierhülse 58 und die Iso- io elektrisch »schwimmenden« Strahlenschilden zwilierhülsen 56 wurde BeO gewählt, da es stoßfest ist sehen der emittierenden Elektrode und der Auffang- und die richtige Wärmeleitfähigkeit hat. Da die Auf- elektrode zur Rückstrahlung zur emittierenden Elekfangelektroden 53 im wesentlichen bei einer Tempe- trode geschaltet wird. Der hierbei erzielte Nutzen ratur von 300° C betrieben werden und der Mantel ist jedoch beschränkt, da solche Schilde die Form 52 die Temperatur von etwa 0° C des wäßrigen 15 eines offenen Maschen- oder Gitterwerks haben Kühlmittels annimmt, nimmt die BeO-Hülse im müssen, um eine Leitung durch das Plasma zu er-

o -ratur, bei welcher der Strahler bzw. die emittierende Elektrode baulich stabil ist, optimal ist. Es kann ferner gezeigt werden, daß für jeden besonderen Plasmawiderstand die an eine äußere Last lieferbare Leistung ihren Höchstwert einnimmt, wenn ihr Wert gleich demjenigen des Plasmawiderstandes ist (wenn beide Widerstände als rein sensitiv behandelt werden). Ein Verfahren zur weiteren Herabsetzung von Verlusten würde darin bestehen, daß eine Reihe von

wesentlichen das volle Temperaturgefälle von 300° C auf. Berylliumoxyd ist außerdem für nukleare Zwecke verwendbar, da es einen niedrigen Absorptionsquerschnitt für Neutronen aller Energiebereiche hat und infolge seines niedrigen Atomgewichts einen guten Moderator darstellt. Es können auch andere geeignete Isolierstoffe, wie Al₂O₃, verwendet werden.

Da die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels wahrscheinlich unsicher ist, ist es zweckmäßig, die Außenseite des Mantels 52 und den Brennstoffstabfuß 44 sowie die Teile 81, 86 und 85 mit einem Isolierfilm, beispielsweise aus Aluminiumoxyd, z. B. durch Auftragen eines Überzugs aus Zirkonoxyd durch Flammspritzen zu versehen.

Für die vorerwähnten Versuche wurde Caesium wegen der Leichtigkeit, mit der es verflüchtigt werden kann, gewählt und weil es außerdem die niedrigste bekannte Ionisationsspannung aller Elemente, nämlich 3,88 Volt, hat. Andere Alkalimetalle, beispielsweise K, Rb und Na, können ebenfalls verwendet werden, da sie niedrige Dampfdrücke und niedrige Ionisationsspannungen haben, jedoch ist wegen etwas höherer Ionisationsspannung eine etwas höhere Temperatur für den gleichen Ionisationsgrad erforderlich.

Ein besonderer Vorteil besteht auch darin, daß kein Verbrauch von Teilen während des Betriebs stattfindet, mit Ausnahme der Spaltung des Urangehalts, wenn es als Verfahren zur Wärmeerzeugung gewählt wird. Der Caesiumdampf wird nicht verbraucht, und die Elektroden bestehen aus einem kräftigen Material ohne spröde Überzüge und erfahren keinen Stoßbruch bei ständiger Benutzung unter hohen Temperaturen. Im Betrieb wird lediglich die Wärme verbraucht, welche der jeweils verwendeten Wärmequelle entnommen wird und welche sonst verlorengehen würde, jedoch durch die erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Wie aus dem Vorstehenden zu entnehmen ist, besteht das Haupthindernis für hohe Wirkungsgrade der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Zellen in der starken Strahlung von der emittierenden Elektrode bzw. dem Strahler. Obwohl diese Strahlung rasch mit der Temperatur zunimmt, nimmt die der Last zugeführte elektrische Leistung noch rascher zu, so daß der Wirkungsgrad bei der Höchsttempemöglichen, wodurch die zur Verfügung stehende Strahlungsfläche verringert wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Thermoionischer Wandler zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung einer auf hoher Temperatur gehaltenen Emitterelektrode und einer auf tieferer Temperatur gehaltenen Kollektorelektrode, die in einem Gehäuse, das mit auf geringem Druck gehaltenen Dämpfen aus den ionisierbaren Elementen Caesium, Rubidium, Kalium oder Natrium gefüllt ist, im Abstand voneinander angeordnet und über einen außerhalb des Gehäuses befindlichen Belastungswiderstand miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode teilweise aus Urancarbid besteht.

2. Thermoionischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode 80 Molprozent Zirkoncarbid enthält, das mit dem Urancarbid in Form einer festen Lösung gemischt ist, die auf ein hitzebeständiges Material aufgebracht ist.

3. Thermoionischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Zweck der Verwendung als Kernbrennstoffelement eine längsgestreckte zylindrische Form besitzt, daß die Emitterelektrode als Mittelelektrode ausgebildet ist und die Kollektorelektrode die Emitterelektrode konzentrisch umgibt, so daß zwischen den beiden Elektroden ein mit dem Alkalimetalldampf gefüllter Ringraum gebildet ist, daß die Emitterelektrode teilweise aus mit U²³⁵ angereichertem Urancarbid besteht und daß Einrichtungen zum Abführen der Wärme aus der Zelle vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 831572; USA.-Patentschrift Nr. 2 510 397; britische Patentschrift Nr. 797 872; »Journ.Appl. Physics«, Bd. 29,1959, S. 1611,1612; Bd. 22, 1951, S. 1389;

»Bull. Am. Phys. Soc«, 4, 1958, S. 266; »RCA-Review«, 19, 1958, S. 244 bis 258.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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