DE1297174B - Thermionischer Energieumwandler zur Gewinnung elektrischer Energie aus der in einem Kernreaktor erzeugten Waermeenergie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen thermionischen Ener- Bei dem Emitter eines bekannten thermionischen

gieumwandler zur Gewinnung elektrischer Energie Energieumwandlers der eingangs genannten Art (vgl. aus der in einem Kernreaktor erzeugten Wärmeener- britische Patentschrift 920 198) besteht die Innengie, dessen Emitter einen Körper aus Kernbrennstoff schicht aus Graphit, die Zwischenschicht aus Tantal umgibt und aus drei Schichten aufgebaut ist, wobei 5 und die Außenschicht aus einem Material mit hoher eine an den Brennstoff angrenzende Innenschicht von Emissionsstromdichte, wie Barium oder Strontiumeiner Zwischen- und einer Außenschicht umgeben oxyd. Mit derartig umhüllten Brennstoffstäben konnte ist, und der Raum zwischen Emitter und Kollektor jedoch bisher nicht die erstrebte Verbesserung des durch einen Alkalimetalldampf gefüllt ist. Wirkungsgrads und der Lebensdauer erreicht werden.

Ein thermionischer Energieumwandler ist ein Ge- io Es ist ferner bereits bekannt (vgl. »Kerntechnik«, nerator mit zwei getrennten Elektroden, nämlich 1963, S. 365 bis 371), den einen Kernbrennstoffstab einem Emitter und einem Kollektor, in dem ein Tem- umhüllenden Emitter aus Hochtemperaturmateriaperaturgefälle zwischen den beiden Elektroden eine lien wie Nb, W, Ta, Mo und Re auszubilden sowie Elektronenemission aus der heißeren zu der kühleren daß oberhalb von 1800° C von W, Ta und Mo nur Elektrode bewirkt, so daß zwischen beiden ein Strom 15 Wolfram als Emittermaterial für Urankarbidbrennfließt. Thermionische Energieumwandler arbeiten stoff geeignet ist.

vorzugsweise bei hohen Emittertemperaturen ober- Der Erfindung liegt demgegenüber die Erkenntnis

halb 1400° K und Kollektortemperaturen von 700 zugrunde, daß die an sich bekannten vorteilhaften bis 1000° K. Wegen der erforderlichen hohen Tem- Eigenschaften von Wolfram oder anderen bekannten peraturen ist ein Kernreaktor eine geeignete Wärme- ao Emittennaterialien nur dann praktisch ausnutzbar quelle für einen Energieumwandler. sind, wenn ein geeigneter Aufbau des Emitters ge-

Im allgemeinen besitzt ein solcher Kernreaktor zy- wählt wird. Obwohl Wolfram ein geeigneter Eleklindrische Brennstoffstäbe, die in einem Moderator tronenemitter und ein geeigneter Umhüllungsstoff innerhalb eines als Reflektor ausgebildeten Behälters für einen aus einer Uranverbindung bestehenden zusammen mit einer Neutronenquelle angeordnet as Brennstoff ist, eine hinreichende Festigkeit hat und sind. Die Brennstoffstäbe selbst enthalten spaltbares eine längere Lebensdauer gewährleistet, ergibt die Material, das in Berührung mit dem Emitter des erforderliche Dicke des Wolframemitters, mit der eine thermionischen Energieumwandlers steht, um diesen ausreichende elektrische und Wärmeleitfähigkeit erEmitter auf eine hohe Betriebstemperatur zu erhit- halten werden kann, eine zu hohe Neutronen-Einzen. Der erhitzte Emitter kann dabei die zylindrische 30 fangwahrscheinlichkeit. Andererseits ergibt ein sehr Umhüllung eines Brennstoffstabs sein. dünner Emitter aus Wolfram, z. B. mit einer Dicke

Zu den geeignetsten thermionischen Energie- von etwa 0,2 mm, der noch eine hinreichende Formumwandlern zählen diejenigen, welche Alkalimetall- festigkeit und eine geringe Einfangwahrscheinlichkeit dämpfe zwischen dem Kollektor und dem erhitzten für Neutronen besitzt, keine ausreichende elektrische Emitter enthalten. Diese Metalldämpfe, insbesondere 35 Leitfähigkeit. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Cäsiumdampf, besitzen die vorteilhafte Eigenschaft, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile und daß ein ionisiertes Plasma zur Neutralisation uner- Schwierigkeiten einen metallischen Emitter so auszuwünschter Raumladungen zwischen den Elektroden bilden, daß die Einfangwahrscheinlichkeit für Neudes Energieumwandlers gebildet und die Austritts- tronen verringert wird, während andererseits eine arbeit der Elektrodenoberflächen erniedrigt wird, so 40 ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Formdaß die zur Elektronenemission erforderliche An- festigkeit gewährleistet bleibt.

regungsenergie im Emitter oder Energieverluste beim Ein thermionischer Energieumwandler der einEintritt in den Kollektor verringert werden. Ther- gangs genannten Art ist gemäß der Erfindung damionische Energieumwandler dieser Art erzeugen bei durch gekennzeichnet, daß die Innenschicht und die einer Emittertemperatur von über 2000° K die 45 Außenschicht aus Wolfram, Rhenium, Molybdän höchste Leistung mit dem größten Wirkungsgrad. oder einer aus diesen Metallen zusammengesetzten

Derartige Betriebstemperaturen führen jedoch zu Legierung bestehen und daß die Zwischenschicht aus Materialschwierigkeiten bei dem thermionischen Niob, Molybdän oder einer aus diesen Metallen zu-Energieumwandler. Emittermaterialien, die mit dem sammengesetzten Legierung besteht.
Brennstoff in Berührung gebracht werden können, 50 Zweckmäßigerweise kann der Kollektor aus Niob besitzen oft eine zu niedrige Schmelztemperatur oder bestehen, was bei in Kernreaktoren verwendeten erfordern eine zu große Dicke zur geeigneten Umhül- thermionischen Wandlern an sich bekannt ist.
lung des Brennstoffs. Materialien, die eine aus- Der mit der Erfindung erreichte Fortschritt besteht

reichende elektrische Leitfähigkeit des Emitters ge- insbesondere darin, daß der Emitter eine hohe Festigwährleisten, können für eine geeignete Betriebsweise 55 keit und damit Formbeständigkeit selbst bei Tempedes Kernreaktors zu große Neutronen-Einfangquer- raturen oberhalb 2000° K aufweist, so daß ein Kleischnitte des Emitters aufweisen. Deshalb hat eine zu nerer Abstand als bisher von wenigen 10~² mm zwigroße Dicke des hitzebeständigen Emittermaterials sehen dem Emitter und dem Kollektor aufrechterhalhäufig die unerwünschte Folge, daß die für den Be- ten werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des trieb des Reaktors erforderliche Reaktivität verrin- 60 Energieumwandlers verbessert wird. Außerdem ist gert wird. Durch einen Zusatz von weiterem Brenn- der Emitter mit dem Brennstoff verträglich, absorstoff könnte diese zusätzliche Neutronenabsorption biert Cäsium, was zur Erniedrigung der Austrittskompensiert werden. Dadurch würde allerdings der arbeit vorteilhaft ist, hat eine ausreichende elek-Kernreaktor wesentlich unwirtschaftlicher arbeiten. irische und Wärmeleitfähigkeit, strahlt kaum Wärme Andererseits sind bekannte Materialien mit einem 65 ab und behindert nicht die Kettenreaktion im Reakniedrigen Neutronen-Einfangquerschnitt entweder tor. Dadurch wird eine wirtschaftliche Betriebsweise schlechte Emitter oder reagieren chemisch mit dem eines thermionischen Energieumwandlers oberhalb als Kernbrennstoff dienenden Uran. einer Emittertemperatur von 2000° K gewährleistet.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Teil eines Brennstoffelements, in dem gemäß der Erfindung ausgebildete thermionische Energieumwandler in Längsrichtung angeordnet sind,

F i g. 2 einen Horizontalschnitt durch das in F i g. 1 dargestellte Brennstoffelement und

F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Teil eines Emitters und Brennstoffstabes nach den F i g. 1 und 2.

Das dargestellte Brennstoffelement 1 enthält mehrere in Reihe geschaltete thermionische Energieumwandler 2, 3, die sich in Längsrichtung in dem Brennstoffelement erstrecken. Jeder Energieumwandler hat einen Emitter 4, der zylindrisch ausgebildet ist und einen Körper aus Brennstoff 5 umgibt, der beispielsweise Urandioxyd sein kann. Der Brennstoffs steht in Berührung mit der zylindrischen Innenfläche des Emitters und füllt im wesentlichen ao den Innenraum des Emitters mit Ausnahme eines ursprünglich evakuierten zentralen Kanals 6 aus, der für erzeugte Spaltprodukte und Gase vorgesehen ist.

Koaxial zu dem Emitter ist ein zylindrischer Kollektor 7 vorgesehen, der zum Auffangen der aus dem Emitter austretenden Elektronen dient. Der Innenraum zwischen dem Emitter und dem Kollektor eines jeden thermionischen Energieumwandlers steht mit dem des nächsten durch eine öffnung 8 in Verbindung, so daß der Alkalidampf, der z. B. Cäsiumdampf sein kann, durch die Zellen des Brennstoffelements hindurchtreten kann. An einer geeigneten Stelle des Brennstoffelements ist ein Vorrat von Alkalimetall vorhanden, zu dem eine Verbindung mit einem der Umwandler vorgesehen ist, der seinerseits mit dem nächsten Umwandler in Verbindung steht.

Eine elektrische Leitung 9 verbindet den Emitter jedes Umwandlers mit dem Kollektor des darüberliegenden Umwandlers, so daß die Umwandler in dem Brennstoffelement in Reihe geschaltet sind. Die Endverbindungen eines Brennstoffelements sind mit Reihenschaltungen von Umwandlern in anderen Brennstoffelementen und mit einer äußeren Schaltung verbunden.

Obwohl die Umwandler elektrisch und durch Gaskanäle verbunden sind, sind sie im übrigen thermisch und elektrisch isoliert. Zu diesem Zwecke trennt ein ringförmiger Abstandshalter 10 aufeinanderfolgende Umwandler entlang ihres Umfangs. Dieser Abstandshalter besteht aus Aluminiumoxyd oder Yttriumoxyd. Eine Isolierschicht 11 trennt ferner den zentralen Teil jedes Umwandlers von dem nächsten. Diese Schicht kann ebenfalls aus Aluminiumoxyd oder Yttriumoxyd bestehen. An jedem Ende des zylindrischen Emitters sind Wärmeabschirmungen 12 in der dargestellten Weise vorgesehen, um eine zu starke Wärmeübertragung von einem Emitter zu dem angrenzenden Umwandler zu verhindern.

Dieses Brennstoffelement mit den Umwandlern ist in einen äußeren Mantel 13 eingeschlossen, der von den thermionischen Umwandlern durch eine Isolierschicht 14 getrennt ist. Der Außenmantel 13 besteht aus Niob, während die Schicht 14 aus Aluminiumoxyd oder Yttriumoxyd bestehen kann. Beim Betrieb des Kernreaktors mit einem oder mehreren derartigen Brennstoffelementen wird Kühlmittel an den Brennstoffelementen vorbeigeleitet, um die Brennstoffelemente mit den Kollektoren 7 auf eine Temperatur unterhalb 1000° K zu kühlen und um gleichzeitig nutzbare Wärmeenergie aus dem Reaktor aubzuleiten. Das Kühlmittel kann dann noch in üblicher Weise zur Leistungserzeugung ausgenutzt werden, beispielsweise zum Betrieb einer Dampfturbine.

Der dargestellte Aufbau des Brennstoffelements und der Umwandler ist nicht maßstabgerecht, da die Zeichnung nur zur Erläuterung der Erfindung dienen soll. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Umwandlers beträgt der Abstand zwischen einem Emitter und einem Kollektor größenordnungsgemäß einige hundertstel Millimeter.

Ein Brennstoffelement der beschriebenen Art kann zusammen mit anderen herausnehmbaren Brennstoffelementen in einem Kernreaktor zur Erzeugung elektrischer Energie Verwendung finden. Durch die Kernreaktionen im Reaktor wird der Emitter auf eine Temperatur, die oberhalb 2000° K liegen kann, erhitzt. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise 2300° K betragen. Die dabei auftretende Spannung kann verhältnismäßig niedrig sein, während der erzeugte Gleichstrom im Vergleich zu üblichen Generatoren verhältnismäßig groß ist. Eine Stromdichte von 25 A/cm² der Elektronenfläche ermöglicht bei einem Energieumwandler nach der Erfindung und bei hinreichend hohen Temperaturen einen Umwandlungswirkungsgrad von 20 °/o oder mehr.

Für die innere Schicht 15 des aus drei Schichten bestehenden Emitters 4 ist Wolfram wegen seiner hohen Schmelztemperatur, Festigkeit und Verträglichkeit mit dem Brennstoff das bevorzugte Material. Für die Zwischenschicht 16 ist Niob des bevorzugte Material, da es ebenfalls ein hitzebeständiges Metall mit einer sehr hohen Schmelztemperatur ist, aber einen wesentlich niedrigeren Neutronen-Einfangquerschnitt besitzt als Wolfram. Wolfram ist auch ein geeignetes Material für die Außenschicht 17 des dem Kollektor 7 zugewandten Teils des Emitters des thermionischen Umwandlers. Als äußere emittierende Schicht besitzt Wolfram ferner den Vorteil, daß es einen niedrigen Dampfdruck hat und Cäsium als eine Schicht aus emittierendem Material absorbieren kann, wodurch die Austrittsarbeit aus der Wolframoberfläche verringert wird. In der beschriebenen Weise erhält man deshalb eine zusammengesetzte Struktur des Emitters, der dadurch die Vorteile von Wolfram, aber nicht dessen Nachteile aufweist.

Die Wolframschichten 15 und 16 können je eine Dicke von weniger als 0,25 mm oder auch von weniger als 0,1 mm, d. h. weniger als insgesamt 0,25 mm für beide Wolframschichten zusammen, aufweisen. In dieser Weise wird die Einfangwahrscheinlichkeit der Wolframschichten für Neutronen sehr niedrig gehalten. Obwohl die Innenschicht und die Außenschicht aus Wolfram verhältnismäßig dünn ist, ergeben sich vorteilhafte Eigenschaften der Emitterelektrode gegenüber solchen, die einen Emitter besitzen, der nur aus einem einzigen Material mit einem niederen Neutronen-Einfangquerschnitt, wie Niob, besteht. Niob allein weist den Nachteil auf, daß es mit dem Brennstoff bei den gegebenen Betriebstemperaturen reagiert. Ferner ist der Dampfdruck von Niob als Emitteroberfläche zu hoch für eine geeignete Arbeitsweise und eine lange Lebensdauer des Emitters. Jedoch ergibt eine Niobschicht als Zwischenschicht 16 zwischen den Schichten 15 und 17 die erforderliche elektrische und Wärmeleitfähigkeit sowie eine ausreichende mechanische Festigkeit, um den

Emitter zu vervollständigen. Die gesamte Wandstärke des Emitters 4 beträgt etwa 1 mm.

Obwohl Wolfram für die Innenschicht 15 und die Außenschicht 17 wegen der erwähnten Vorteile vorgezogen wird, ist hierfür auch Rhenium als gut hitzebeständiges Material geeignet, insbesondere als äußere emittierende Schicht 17. Deshalb kann eine Kombination Rhenium—Niob—Rhenium für die drei Schichten Verwendung finden. Auch binäre oder tertiäre Legierungen von Wolfram, Rhenium undMolybdän können für die Schichten 15 und 17 Verwendung finden. Ein Emitter mit einer Innenschicht aus Wolfram, die mit dem Brennstoff in Berührung steht, einer Außenschicht aus Rhenium und eine Zwischenschicht aus Niob ergeben eine Erhöhung der Emissionsdichte.

Obwohl für die Zwischenschicht 16 vorzugsweise Niob Verwendung findet, können auch andere gut hitzebeständige Materialien mit vergleichbar niedrigem Einfangquerschnitt für Neutronen für diese Zwischenschicht 16 Verwendung finden, wie beispielsweise Molybdän oder Legierungen von Niob und Molybdän. Als Brennstoff kann z.B. Urandioxyd Verwendung finden. Tablettenförmige Körper aus Urandioxyd besitzen den Vorteil, daß sie eine hohe mechanische Festigkeit haben und nicht mit Wolfram als Innenschicht des Emitters reagieren. Aber auch andere Brennstoffe, wie Urankarbid, Mischungen von Urankarbid und Zirkonkarbid, oder Mischungen von einem oder mehreren dieser Materialien mit Urandioxyd sind ebenfalls verwendbar.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Thermionischer Energieumwandler zur Gewinnung elektrischer Energie aus der in einem Kernreaktor erzeugten Wärmeenergie, dessen Emitter einen Körper aus Kernbrennstoff umgibt und aus drei Schichten aufgebaut ist, wobei eine an den Brennstoff angrenzende Innenschicht von einer Zwischen- und einer Außenschicht umgeben ist, und der Raum zwischen Emitter und Kollektor durch einen Alkalimetalldampf gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (15) und die Außenschicht (17) aus Wolfram, Rhenium, Molybdän oder einer aus diesen Metallen zusammengesetzten Legierung bestehen und daß die Zwischenschicht (16) aus Niob, Molybdän oder einer aus diesen Metallen zusammengesetzten Legierung besteht.

2. Thermionischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (7) aus Niob besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen