DE1282200B - Thermionischer Energiewandler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21h

Deutsche Kl.: 21g-21/30
21b -

Nummer: 1282200

Aktenzeichen: P 12 82 200.3-33 (B 77515)

Anmeldetag: 3. Juli 1964

Auslegetag: 7. November 1968

Die Erfindung betrifft einen thermionischen Energiewandler mit einem, der Elektronenemission dienenden elektrisch leitenden Emitter und mit im Emitter angeordneten diskreten Brennstoffkörpern zur Aufheizung des Emitters auf eine für die Elektronenemission ausreichende Temperatur.

Thermionische Energiewandler haben die Aufgabe, Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen jeweils aus zwei eng benachbarten Elektroden, deren eine als'Emitter auf eine so hohe Temperatur aufgeheizt ist, daß Elektronen emittiert werden. Diese Elektronen werden von der anderen Elektrode, dem Kollektor, gesammelt. Die kinetische Energie der emittierten Elektronen zuzüglich der Austrittsarbeit des Kollektors steht als elektrische Energie zur Verfügung. Wie von den Glühemissionsröhren bekannt ist, entsteht vor einer Elektronen emittierenden Fläche eine negative Raumladung, die den weiteren Austritt von Elektronen behindert. Aus diesem Grunde wird die Raumladung durch positive Ionen, beispielsweise durch Caesiumionen, kompensiert. Als Wärmequelle dient im allgemeinen Kernbrennstoff, der im Emitter des thermionischen Energiewandlers angeordnet ist. Jeweils mehrere dieser Energiewandler werden zu Brennstäben zusammengefaßt, die Teil der Spaltzone eines Reaktors sind.

Zur Erzielung eines wirtschaftlichen Wirkungsgrades muß die Emitteroberfläche eine Temperatur von etwa 2000° K aufweisen und die ihr zugeführte Dichte der Wärmeleistung mindestens 50 Watt/cm² betragen. Zur Erzielung eines großen Wirkungsgrades eines Energiewandlers ist es erforderlich, daß der elektrische Widerstand des Emitters hinreichend klein ist. Aus diesem Grunde soll ein Emitter eine Wandstärke von etwa 2 bis 3 mm aufweisen.

Weiterhin ist zu beachten, daß der Emitter eines thermionischen Energiewandlers einen Durchmesser von mindestens 10 mm haben soll, da einerseits die Leistung proportional der Emitteroberfläche ist und andererseits die Herstellungskosten eines Energiewandlers von kleineren Abmessungen nicht wesentlich geringer sind.

Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1105 076), den Kernbrennstoff in Form eines Zylinders in einer zentralen Bohrung des Emitters anzuordnen. Jedoch sind bei dieser Anordnung die obengenannten Betriebsbedingungen nicht gleichzeitig erfüllbar. Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kernbrennstoffes kann bei Emittern von etwa 10 mm Durchmesser und Wandstärken von etwa 2 bis 3 mm eine Oberflächentemperatur von etwa 2000° K nicht er-Thermionischer Energiewandler

Anmelder:

Brown, Boverie & Cie. Aktiengesellschaft,

6800 Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Als Erfinder benannt:
Dr. Kurt Stahl, 6941 Hohensachsen;
Dr. Herbert Winkenbach, 6906 Leimen;
Dipl.-Phys. Alfred Jester, 6720 Speyer;
Dr. Reinhard Langpape, 6800 Mannheim

reicht werden, falls vermieden werden soll, daß der Kernbrennstoff mindestens zum Teil flüssig wird.

Die andere Möglichkeit, die Durchmesser von Emitter und Brennstoffkern entsprechend klein zu wählen, scheidet aus wirtschaftlichen Gründen aus. Ein derartiger Wandler würde einen sehr hohen Neutronenfluß voraussetzen, der einen großen Abbrand zur Folge hätte.

Es ist weiterhin bekannt (deutsche Auslegeschrift 1112 213), den Kernbrennstoff in Hohlräumen eines Körpers, z. B. aus Graphit, Molybdän oder Wolfram, anzuordnen, der eine Elektronen emittierende Schicht trägt, so daß die Schicht mit dem Kernbrennstoff über einen relativ großen Wärmewiderstand verbunden ist.

Aus der Zeitschrift »Atomkernenergie«, Jg. 9, 1964, Heft 1/2, S. 64 bis 67, ist ein thermionischer Konverter bekannt, bei dem der Kernbrennstoff in eine Kapsel aus Platin eingeschlossen ist, die über schmale Rippen in Wärmekontakt mit einem Wolframgehäuse steht, dessen Oberfläche als Emitter dient. Auch hier ist die Elektronen emittierende Schicht über einen relativ großen Wärmewiderstand mit dem Kernbrennstoff verbunden.

In der österreichischen Patentschrift 232 149 und in der USA.-Patentschrift 3 121048 sind thermionische Konverter beschrieben, deren Emitterkörper aus einer gesinterten Brennstoffkarbid-Metallkarbid-Mischung besteht. Bei diesen Anordnungen können die bei der Kernspaltung entstehenden Gase durch den Emitterkörper hindurch in den Spalt zwischen Emitter und Kollektor diffundieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile, insbesondere den großen Wärmewiderstand, zu vermeiden.

809 6?0/892

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kernbrennstoff in Form von metallisch ummantelten Brennstoffteilchen im Emittermaterial eingebettet ist.

Die Zeichnung gibt in den Fig. 1 und 2 je ein besonderes Ausführungsbeispiel des thermionischen Energiewandlers wieder.

In Fi g. 1 weist der Emitter 1, der als Hohlzylinder ausgebildet ist, Bohrungen 2 auf, deren Wandung von mit einer Schicht 4 ummantelten Brennstoffteilchen 3 berührt wird.

Infolge dieser Ummantelung wird an den Berührungsstellen der Teilchen untereinander und an der Wandung der Bohrungen die Wärme rasch abgeführt und dem Emitter zugeleitet. . .. . ,.

In Fig. 2 sind in dem Emitter 5 die Zwischenräume zwischen den vom metallischen Mantel 4 umgebenen KembrennstofÖeilchen3^!mit^: Emittermaterial ausgegossen. Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmekontakt zwischen den Teilchen mit dem Emittermaterial gewährleistet.

Die ummantelten Brennstoffteilchen können untereinander und mit dem Emittermaterial zu entsprechenden· Körpern zusammengesintert werden.

Die oben beschriebene Brennstoffanordnung gewährleistet eine hohe Temperatur an der Emitteroberfläche, ohne daß der Neütronenfluß extreme Werte annehmen muß oder daß die Abmessungen der thermionischen Wandler verringert werden müssen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Thermionischer Energiewandler mit einem der Elektronenemission dienenden elektrisch leitenden Emitter und mit im Emitter angeordneten diskreten Kernbrennstoffkörpern zur Aufheizung des Emitters auf eine für die Elektronenemission ausreichende Temperatur, dadurch g e k e η η ze i ah η e 1, daß der Kernbrennstoff in Form vonmetallisch ummantelten Brennstoffteilchen im Emittermaterial eingebettet ist.

   In Betracht gezogene Drucksclmften::
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1112-213,;
   1105076; _? .--·...·: -: -

   österreichische .Patentschrift Nr,, 232.;149y ··
   USA.-Patentschrift Nr. 3 12104.8; -;.!=,: ,
   Atomkernenergie, Bd.· 9, 1964,-K 2, S, 64.

   Hierzu ,1 Blatt Zeichnungen

   809 630/892 10.68 ©Bundesdruckerei Berlin