DE1213905B - Thermionischer Energiewandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H02n

Deutsche KL: 21b-29/00

S 89943 VIII c/21 b
11. März 1964
7. April 1966

Die Erfindung betrifft einen thermionischen Wandler zur direkten Umsetzung von aus Kernspaltungsprozessen gewonnener Wärmeenergie in elektrische Energie, insbesondere für die Stromversorgung von Raumfahrzeugen, bestehend aus räumlich hintereinander angeordneten und elektrisch in Reihe geschaltetem thermionischen Dioden, deren Kathoden und Anoden koaxial angeordnet sind. Es ist schon vielfach vorgeschlagen worden, die in einem Kernreaktor erzeugte Wärmeenergie mit Hilfe therrnionischer Wandler direkt in elektrische Energie umzuformen. Da die Zellenspannung einer einzelnen thermionischen Diode sehr gering ist — sie liegt etwa bei 1 Volt —, wurde auch bereits vorgeschlagen, mehrere Dioden in Reihe zu schalten und sie dabei mit der gleichen Wärmequelle in Verbindung zu bringen. Die Anordnung von Kathode und Anode war bei allen diesen bekannten Anordnungen meist zylindrisch. Der konstruktive Aufwand zur Einhaltung der sehr geringen Plasmaspalte sowie zur Beherrschung der Wärmespannungen und der Einhaltung des Caesiumdampfdruckes war erheblich. Eine Abführung der während des Reaktorbetriebes entstehenden gasförmigen Spaltdrucke war nicht vorgesehen.

Durch die Erfindung wird nun eine neuartige Form eines solchen thermionisehen Wandlers — auch Konverter-Brennelement genannt — vorgeschlagen. Erfindungsgemäß haben, in Stromrichtung gesehen, die Kathoden der Dioden und deren Anoden stetig zunehmende bzw. stetig abnehmende Querschnitte. Durch eine derartige Ausbildung des Wandlers ist es möglich, die einzelnen thermionischen Dioden bei sehr hoher Temperatur in der Größenordnung von 2200 ⁰K zu betreiben und außerdem die voneinander abweichenden Verluste, die sich aus den elektrischen Widerstandswerten des auf unterschiedlichen Temperaturen befindlichen Kathoden- und Anodenmaterials ergeben, zu verringern oder bei Zulassung gleicher elektrischer Verluste durch das eingesparte Elektrodenmaterial kleinere kritische Abmessungen eines mit solchen als Brennelement verwendeten Wandlers bestückten Reaktors zu erreichen.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bei den erfindungsgemäßen Wandlern der Abstand zwischen Kathode und Anode etwa 1 mm beträgt und daher verhältnismäßig groß ist. Ein derartiger Abstand ist aber mechanisch gut beherrschbar, so daß damit dieser Wandler eine sehr gute Betriebssicherheit aufweist. Zur Verminderung der bereits genannten inneren elektrischen Verluste sind beide Elektroden, also die Anode und die Kathode, konus-Thermionischer Energiewandler

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Karl Janner, Erlangen

förmig ausgebildet und in ihrem Querschnitt so gewählt, daß der Spannungsfall pro Längeneinheit an Anode und Kathode unter Berücksichtigung des infolge unterschiedlicher Temperatur und gegebenenfalls infolge einer Verschiedenheit der verwendeten Elektrodenwerkstoffe verschiedenen spezifischen elektrischen Widerstandes bei konstanter Stromdichte im Spalt konstant bleibt und für beide Elektroden den gleichen Wert hat. Dadurch wird eine

z5 konstante Spannungsdifferenz zwischen den Spaltgrenzen erreicht. Der Temperaturunterschied auf der Kathodenoberfläche ist dabei in Längsrichtung infolge der verschiedenen Kathodenwandstärken nur sehr gering. Er beträgt nur etwa 5 ⁰C und ist daher zu vernachlässigen.

Die Kathoden- und Anodenbauteile können hierbei aus gleichem Material, z. B. Molybdän, bestehen und zur elektrischen Reihenschaltung von einer Diode zur anderen mit: in axialer Richtung nachgiebigen, elektrisch gut leitenden Brücken möglichst schlechter Wärmeleitung verbunden sein. Durch diese Struktur wird eine einwandfreie Zentrierung der Bauteile in Verbindung mit einer praktisch spannungsfreien Aufnahme der Längenänderungen der einzelnen Bauteile verbunden. Diese Gestaltung gewährleistet außerdem eine genügend niederohmige Verbindung zwischen den einzelnen Dioden und begrenzt den Wärmeübergang zwischen Kathode und Anode auf ein erträgliches Maß. Die Oberflächen dieser Verbindungen sind außerdem durch eine dünne aufgespritzte Berylliumoxydschicht oder eine andere Isolationsmethode isoliert, so daß damit schädliche Ströme in den Grenzzonen zwischen den Dioden klein gehalten werden.

Bei diesen Wandlern ist weiterhin, dafür Sorge getragen, daß der Caesiumdampfdruck im Plasmaraum stets auf gleicher Höhe gehalten wird und gleich-

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zeitig eine Abfuhr des durchdiffundierenden Spaltgases möglich wird. Zu diesem Zweck ist eine Anzahl von Caesiumvorratsbehältern vorgesehen, die durch Wärmeleitung vom Kernreaktor her auf der notwendigen Temperatur zur Erzeugung des gewünschten Caesiumdampfdruckes gehalten werden. Diese Wärmeleitung wird durch entsprechende Dimensionierung von Dicke und Länge der Verbindungsleitung zwischen Brennelement und Caesiumvorratsbehälter eingestellt. Auf der entgegengesetzten Seite des Wandlers befindet sich eine kleine Austrittspore für den Caesiumdampf, durch die gleichzeitig die bereits genannten vergiftenden Spaltprodukte, die aus dem Inneren des Elementes herausdiffundieren, abgeführt werden. Der Verlust von Caesium ist dabei sehr gering, was durch folgende Zahlen veranschaulicht wird.

Strömen pro Sekunde etwa 14 mm³ Caesiumdampf mit einem Druck von 1 Torr und einer Temperatur von 1000 ⁰K aus, so beträgt der Caesiumverbrauch in 1 Jahr nur etwa 1 g.

Die Verunreinigung des Wandlers durch Spaltprodukte kann bei Verwendung von festen Spaltstoffen auch durch direkte Ableitung der Spaltprodukte aus den den Spaltstoff enthaltenden Räumen wesentlich vermindert werden. Die Anoden der einzelnen thermionischen Wandler werden von einem flüssigen Metall, z. B. Natrium oder natürlichem Lithium bzw. Lithium 7, gekühlt, das durch eine Pumpe zu einem Strahler geführt wird. Durch diesen wird die nicht verwertbare Wärme des Reaktors, also etwa 85 bis 90% der erzeugten Gesamtwärme nach außen abgestrahlt.

Die einzelnen Wandler sind elektrisch teilweise in Reihe und teilweise parallel geschaltet, je nach der für den Verbraucher günstigsten Spannung. Selbstverständlich können aus einem mit derartigen Wandlern bestückten Kernreaktor auch verschiedene unterschiedliche Spannungen und Ströme unabhängig voneinander entnommen werden. Zu diesem Zweck und auch zum Schutz gegen eventuelle Beschädigungen, z. B. durch Meteoriten, wenn ein derartiger Reaktor zur Energieversorgung für ein Raumfahrzeug dienen soll, sind sämtliche Wandler voneinander isoliert. Der durch irgendeine Beschädigung ausgelöste Kurzschluß innerhalb einer Serienschaltung von thermionischen Dioden in einem einzigen Wandler hat damit keine besonderen Auswirkungen auf die übrigen Wandler. Die dafür notwendigen Isolationsschichten bestehen wiederum vorteilhaft aus Alumi- niumoxyd oder Berylliumoxyd, die im Spritzverfahren aufgetragen werden können.

Der mit solchen Wandlern bestückte Reaktor kann als schneller, intermediärer oder thermischer Reaktor ausgeführt werden. Dabei ist es zweckmäßig, den einzelnen Wandlern einen sechseckigen Querschnitt zu geben, wodurch eine kompakte Konstruktion des Reaktorkernes möglich wird. Die Regelung eines solchen Reaktors kann dabei insbesondere beim Anfahren in vorteilhafter Weise über einen beweglichen Reflektor erfolgen. Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung können aus dem nachfolgenden Beschreibungsbeispiel und den Fig. 1 bis 6 entnommen werden.

Fig. 1 zeigt einen derartigen thermionischen Wandler im Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt diesen im Querschnitt entlang der Linie H-II;

F i g. 3 zeigt die Einzelheiten zur Reihenschaltung zweier nacheinanderfolgender thermionischer Dioden an der Stellet;

F i g. 4 zeigt den schematischen Aufbau eines Reaktork.ernes mit derartigen Wandlern;

F i g. 5 zeigt einen derartigen Reaktorkern im Querschnitt;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Zusammenschaltung von Kernreaktor, Kühhnittelpumpe und Strahler, wie sie z. B. für die Energieversorgung eines Raumfahrzeuges in Frage kommt.

Aus der F i g. 1 ist zunächst zu ersehen, daß der als Brennelement 1 verwendete thermionische Wandler sich aus der Reihenschaltung 3 der einzelnen thermionischen Dioden 31 zusammensetzt. Der Kern des Brennelementes wird vom Spaltstoff 2 gebildet, der beispielsweise metallisches Uran sein kann. Dieser Spaltstoff befindet sich innerhalb einer allseits geschlossenen Hülse 21 aus z. B. Berylliumoxyd. Diese wirkt gleichzeitig als Isolator und Träger für die Kathodenbauteile der einzelnen Diodenstrecken 31. Diese Kathodenbauteile 32 bestehen beispielsweise aus Molybdän und sind an ihrer äußeren Oberfläche kegelförmig gestaltet. Diesen Kathodenbauteilen 32 stehen entsprechend konusförmig gearbeitete Anodenbauteile 34 so gegenüber, daß ein Ringspalt gleichmäßiger Dicke entsteht (33). Jedes Kathodenbauteil 32 ist mit dem Anodenbauteil 34 der benachbarten Diodenstrecke 31 über einen membranähnlichen Verbindungssteg 38 verbunden (s. auch die Fig. 3). Diese membranähnliche Verbindung ist beiderseits mit einer Isolationsschicht versehen (39), die z. B. aus aufgespritzen Berylliumoxyd bestehen kann. Die Verbindungsmembran 38 ist wenigstens mit einer Bohrung 28 versehen, damit sich in allen Diodenstrecken ein gleichmäßiger Caesiumdampfdruck aufbauen kann und die Möglichkeit zur Abwanderung der durch die Kathodenbauteile hindurchdiffundierenden vergiftenden Spaltprodukte gegeben ist.

Diese vergiftenden Spaltprodukte können an einem Ende des Brennelementes durch die Austrittspore 51 entweichen. Zur ungefähren Einstellung des Abstandes zwischen den einzelnen Diodenstrecken 31 sind ringförmige Isolierkörper 36 vorgesehen. Sie sind jedoch in einem derart losen Sitz angeordnet, daß durch die Wärmedehnung der einzelnen Diodenbauteile keine Spannungen auftreten können. Auf der einen Seite des Brennelementes geht das Anodenbauteil 34 in die elektrische Zuleitung 52 über, die mit einem mit der Austrittspore 51 in Verbindung stehendem Kanal 5 versehen ist. Auf der anderen Seite des Brennelementes geht das Kathodenbauteil 31 der letzten Diodenstrecke in die elektrische Zuleitung 62 über, deren Bohrung 6 mit der Zuführungsleitung zum Caesiumbehälter in Verbindung steht.

Diese Reihenschaltung von thermionischen Dioden 31 ist wiederum zunächst von einer Isolationsschicht 35, beispielsweise aus Berylliumoxyd, umgeben, auf welche eine metallische Hülle 13, z.B. aus Molybdän, aufgebracht ist. Diese kann z. B. im Ziehstreckverfahren mittels induktiver Hochfrequenzerwärmung in gut wärmeleitenden Kontakt mit der Isolierschicht gebracht werden. Eine andere Möglichkeit wäre die elektrolytische Aufbringung oder das Aufspritzen mit nachfolgendem Dichtschmelzen. Damit entsteht nach außen hin ein stabiles und

dichtes Element. Da aber der Ausdehnungskoeffizient des Berylliums etwas höher ist als der des verwendeten Molybdäns, so bleibt während des Betriebes ein sehr guter wärmeleitender Kontakt zwischen der Spaltstoffüllung und den diese umgebenden thermionischen Dioden bestehen.

Das bisher beschriebene Element, bestehend aus Wärmequelle und der Reihenschaltung der thermionischen Dioden, befindet sich innerhalb eines sechseckigen Hüllrohres 11, ebenfalls z.B. wieder aus Molybdän, das außen mit einer Isolationsschicht 12, z. B. Berylliumoxyd, beschichtet ist. In dem dadurch gebildeten Zwischenraum zwischen dem Hüllrohr 13 und dem Außenrohr 11 fließt das Kühlmittel für die Anoden, das z. B. aus einem flüssigen Metall, wie natürlichem Lithium, Lithium 7 oder Natrium, bestehen kann. Das sechseckige Hüllrohr 11 ist nach beiden Seiten durch die Zuführungsleitung 41 und die Abführungsleitung 42 abgeschlossen. Durch diese beiden seitlichen Anschlußleitungen sind die elektrischen Zuleitungen 52 und 62 abdichtend hindurchgeführt.

Die F i g. 4 und 5 geben nun eine Vorstellung davon, wie ein Reaktor-Core aus derartigen Konverter-Brennelementen zusammengesetzt sein kann. Wie daraus zu entsehen ist, sind die Konverter-Bauelemente dicht nebeneinander in diesem Coreraum angeordnet und durch elektrische Verbindungsleitungen 63 und 64 miteinander verbunden. Der Platz für diese Verbindungsleitungen ist durch die seitlich herausgeführten Kühlmittelzuführangs- und -abführungsleitungen gegeben, was insbesondere aus F i g. 5 eindeutig zu ersehen ist. Der Caesiumvorratsbehälter 66 ist mit einer Wärmeabschirmung 67 versehen und über eine Leitung 65 mit der elektrischen Verbindungsleitung 63 verbunden. Er versorgt also zwei Konverter-Brennelemente. Die Abführungsleitungen der erzeugten elektrischen Energie sind mit 56 und 55 bezeichnet. Der gesamte Reaktorkern ist von einem Reflektor 7 umgeben, der gemäß F i g. 5 mit Teilungsfugen versehen ist und für Regelungszwecke in seiner Entfernung zum Reaktorkern verändert werden kann.

F i g. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Anlage zur Energiegewinnung, z. B. für Raumfahrtzwecke. Darin ist der Kernreaktor mit 8 bezeichnet, das Kühlmittel gelangt über die Leitungen 81 zu dem Strahler 9, von dort über die Leitung 91 zur Pumpe 10 und dann über die Leitung 82 in den Kernrekator zurück. Dieser Kühlmittelkreislauf wird normalerweise nicht als ein gemeinsamer Kreislauf für alle Konverter-Brennelemente durchgeführt, es ist vielmehr zweckmäßig, jeweils für ein oder nur wenige Konverter-Brennelemente einen gesonderten Kreislauf vorzusehen. Dies ist notwendig, damit Beschädigungen durch z. B. Meteorite in ihrer Auswirkung für die Gesamtanlage unbedeutend bleiben. In dieser Darstellung sind die Stromabgangsleitungen wieder mit 55 und 56 bezeichnet.

Je nach der Leistung des Reaktors ist es dabei möglich, mit einem oder mit mehreren Strahlern zu arbeiten, die Wärme in den freien Raum abstrahlen und deren Oberfläche ein großes Emissionsvermögen besitzt. Bei einer derartigen Energieversorgungsanlage, die aus einem" Kernreaktor und zwei Strahlern besteht, ist es dabei zweckmäßig, in Fahrtrichtung gesehen, vor und hinter dem Kernreaktor je einen Strahler anzuordnen. Dann haben die Kühlmittelleitungen im Strahler selber Haarnadelform und sind jeweils an ein Konverter-Brennelement des Reaktors angeschlossen. Auf diese Weise ist es möglieh, daß jeweils zwei Konverter-Brennelemente und eine Kühlmittelleitungsschleife in beiden Strahlern sowie eine Kühlmittelpumpe zu einem geschlossenen Kühlmittelkreis zusammengefaßt sind. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich auch zweckmäßig ist, die zu den einzelnen geschlossenen Kühlkreisläufen gehörenden Oberflächenbezirke des Strahlers voneinander elektrisch zu isolieren, damit auch von dieser Seite her gesehen die Einwirkungen von Schadensfällen vernachlässigbar gering bleiben.

Einige Zahlen sollen nun noch eine bessere räumliche Vorstellung von den Dimensionen eines derartigen Konverter-Brennelementes geben. Seine Länge kann z.B. etwa 600mm betragen und sein Durchmesser etwa 26 mm. Der Spalt zwischen den Kathoden- und Anodenbauteilen der einzelnen thermionischen Diodenstrecken 31 liegt in der Größenordnung von 1 mm. Das Element besteht dabei aus einer Reihenschaltung von z. B. acht bis zehn solcher Dioden. Der Durchmesser des Spaltstoffkernes, also der eigentlichen Wärmequelle für dieses Konverter-Brennelement, wird in diesem Beispiel etwa 10 mm betragen. Der Durchmesser eines mit derartigen Konverter - Brennelementen bestückten Reaktors würde bei einer Zahl von etwa 300 bis 400 Brennelementen etwa in der Größenordnung von 50 cm liegen. Als Pumpen 10 können elektrodynamische Pumpen, aber auch solche mit beweglichen Teilen handelsüblicher Bauart Verwendung finden. Die Temperaturen betragen an den Kathodenbauteilen etwa 2000° C, an den Anodenbauteilen etwa 730° C.

Die Kühlmittelaustrittstemperatur liegt dann etwa bei 700° C.

Derartige Konverter-Brennelemente bzw. Kernreaktoren zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen sind an ihrem Einsatzort besonders betriebssicher, da z. B dort die Aufrechterhaltung des Vakuums in den Ringspalten der einzelnen thermionischen Dioden kern Problem darstellt und dieSpaltprodukte auch ohne Bedenken in die Umgebung abgelassen werden können.

Selbstverständlich können auch andere Metalle und Isolierstoffe, wie z. B. Al₂O₈, Verwendung finden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Thermionischer Wandler zur direkten Umsetzung von aus Kernspaltungsprozessen gewonnerer Wärmeenergie in elektrische Energie, insbesondere für die Stromversorgung von Raumfahrzeugen, bestehend aus räumlich hintereinander angeordneten und elektrisch in Reihe geschalteten thermionischen Dioden, deren Kathoden und Anoden jeweils koaxial zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß, in Stromrichtung gesehen, die Kathoden der Dioden stetig zunehmende und deren Anoden stetig abnehmende Querschnitte haben.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren des Wandlers angeordnete Kernbrennstoff bei der Betriebstemperatur im geschmolzenen Zustand vorliegt.

3. Wandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung mit flüssigen Metallen, wie z.B. natürlichem Lithium, Lithium 7 oder Natrium, erfolgt.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Reihenschaltung der einzelnen Dioden zwischen Kathode und benachbarter Anode Verbindungsmembranen vorgesehen sind.

5. Wandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmembranen beiderseitig mit Isolierstoff beschichtet sind und Bohrungen zum Durchtritt eines ionisierten Gases oder Dampfes haben.

6. Wandler oder Gruppe von Wandlern nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet durch einen eigenen Caesiumvorratsbehälter und jeweils ein eigenes Kühhnittelkreislaufsystem.

7. Wandler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zum dazugehörigen

Caesiumvorratsbehälter führenden Verbindungsleitungen so dimensioniert sind, daß der Vorratsbehälter durch Wärmeleitung auf der dem gewünschten Caesiumdampfdruck zugehörigen Temperatur gehalten und daß dieser Vorratsbehälter gegenüber anderen Wärmequellen abgeschirmt ist.

8. Wandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abzug der in das Plasma eindringenden gasförmigen Spaltprodukte Austrittsporen zum umgebenden Raum vorgesehen sind.

9. Wandler nach Anspruch 1 bis 8,"gekennzeichnet durch einen äußerlich sechseckigen Querschnitt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1130 873;
»Kerntechnik«, 1963, Heft 9, S. 365 bis 371.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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