DE1489262C

DE1489262C - Thermionic converter

Info

Publication number: DE1489262C
Authority: DE
Inventors: Bernard Rueil Malmaison Sei ne et Oise Lesueur Robert Paris Set ton Ralph Orleans Loiret Devm, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication date: 1971-04-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermionischen oder Kalzium durchlässigen Membranen gibt, kannThe invention relates to a thermionic or calcium permeable membrane there may

Wandler mit einer Vakuumkammer, in der wenigstens die bekannte Vorrichtung für unabhängige Regulie-Converter with a vacuum chamber in which at least the known device for independent regulation

ein Emitter und wenigstens ein Kollektor, dessen rungen der Drücke von Caesium einerseits undan emitter and at least one collector whose stanchions the pressures of cesium on the one hand and

Temperatur unter der des Emitters liegt, angeordnet Barium, Strontium und Kalzium andererseits nichtTemperature below that of the emitter, on the other hand, does not place barium, strontium and calcium

sind und die mit wenigstens einem ein Alkalimetall 5 benutzt werden, was gemäß der vorliegenden Erfin-are and which are used with at least one alkali metal 5, which according to the present invention

enthaltenden Behälter in Verbindung steht. dung möglich ist.containing container is in communication. application is possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der- Bei dem .erfindungsgemäßen Wandler regelt manThe invention is based on the object of regulating the converter according to the invention

artige Wandler so auszubilden, daß einerseits eine die Dampfdrücke des in der eingelagerten Verbindungto train like transducers so that on the one hand the vapor pressures of the embedded compound

unabhängige Einstellung der Erzeugung' positiver vorhandenen Alkalimetalls, wie Caesium, sowieindependent cessation of the generation of positive alkali metals present, such as cesium, as well

Ionen zur Neutralisierung der Raumladung innerhalb io des Metalls mit geringer Austrittsarbeit, das vorzugs-Ions to neutralize the space charge within the metal with a low work function, which is preferred

des Wandlers sowie der Austrittsarbeit der Elek- weise ein Erdalkalimetall ist, indem man die Kon-of the transducer and the work function of the elec-

troden ermöglicht wird und andererseits der Behälter, densationspunkte durch einen chemischen KunstgriffTroden is made possible and on the other hand the container, condensation points by a chemical trick

in dem sich das Alkalimetall befindet, auf eine ver- trennt, der darin besteht, daß das Caesium sich nurin which the alkali metal is located, is separated into one which consists in the fact that the cesium is only

hältnismäßig hohe Temperatur in der Größenordnung auf dem Graphit niederschlagen kann, das andererelatively high temperature in the order of magnitude can be reflected on the graphite, the other

von 5CO bis ICCO⁰C gebracht werden kann. ^; 15 Metall dagegen nur an dem kältesten Punkt. Einefrom 5CO to ICCO ⁰ C can be brought. ^; 15 Metal, on the other hand, only at the coldest point. One

Die Erfindung besteht darin, daß der bzw. die derartige Anordnung ist insofern eigentümlich, als Behälter wenigstens eine eingelagerte Verbindung sie sich einer eingelagerten Verbindung bedient, die eines Alkalimetalls in Graphit und wenigstens ein gegenüber Caesium selektiv ist, so daß es möglich Metall mit geringer Austrittsarbeit enthält bzw. ent- ist, einen einzigen Behälter zu benutzen, in dem halten, das keine eingelagerte Verbindung mit Graphit 20 einerseits die eingelagerte Verbindung und anderereingeht, flüchtig ist oder in einer flüchtigen Verbin- seits das Metall mit geringer Austrittsarbeit angedung enthalten ist und sich während des Betriebs des ordnet ist. Im Gegensatz dazu müssen bei dem Wandlers verflüchtigt und wenigstens teilweise die britischen Patent 947 281 die beiden Behälter geOberfläche des Emitters und/oder des Kollektors trennt sein,
überzieht und deren Austrittsarbeit erniedrigt. 25 Es ist bekannt, daß einige Stoffe, nämlich dasThe invention consists in that such an arrangement is peculiar in that the container uses at least one embedded compound, it uses an embedded compound which is an alkali metal in graphite and at least one selective to cesium, so that it is possible to use metal with a low work function contains or ent- is to use a single container in which there is no intercalated compound with graphite 20, on the one hand, the intercalated compound and the other, is volatile or in a volatile compound the metal with a low work function is included and is during the operation of the is arranged. In contrast, with the converter, the two containers must be volatilized and at least partially the British patent 947 281 must be separated from the surface of the emitter and / or the collector,
overdraws and lowers their work function. 25 It is known that some substances, namely

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die Alkaliver- Caesium, das Rubidium und das Kalium, eingelagerte bindung und das Metall mit geringer Austrittsarbeit Verbindungen mit Graphit-ergeben, die die Erdin dem gleichen Behälter angeordnet sind. alkalien nicht eingehen. Dabei handelt es sich umThe invention also provides that the alkali cesium, rubidium and potassium, incorporated bond and the metal with low work function compounds with graphite give rise to the earth are arranged in the same container. do not enter alkalis. It refers to

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung Verbindungen, bei denen die Metallatome in die sind die Aikaliverbindung und das Metall mit geringer 30 Räume zwischen den Schichtebenen des Graphit-Austrittsarbeit in zwei getrennten Behältern ange- gitters eingelagert sind.In another embodiment of the invention, compounds in which the metal atoms are in the are the alkali compound and the metal with less than 30 spaces between the layers of the graphite work function are stored in two separate containers with a grid.

ordnet, wobei der das Metall enthaltende Behälter Ein weiterer Unterschied zu dem britischen Patent sich am kältesten Punkt der durch die Vakuum- 947 281 besteht darin, daß bei der Anordnung gemäß kammer und die beiden Behälter gebildeten Art- vorliegender Erfindung die Behälter mit der Vakuumordnung befindet. 35 kammer in Verbindung stehen, während bei demarranges, the container containing the metal Another difference from the British patent at the coldest point of the vacuum 947 281 is that in the arrangement according to Chamber and the two containers formed type of the present invention, the container with the vacuum order is located. 35 chamber in communication, while at the

Erfindungsgemäß kann das Alkalimetall, Caesium bekannten Wandler nur der Alkalimetall enthaltendeAccording to the invention, the alkali metal, cesium-known transducer, can only contain the alkali metal

sein, während das Metall mit geringer Austrittsarbeit Behälter mit der Vakuumkammer in Verbindungwhile the low work function metal container communicates with the vacuum chamber

ein Erdalkalimetall ist. steht und bei dem anderen Behälter eine Membranis an alkaline earth metal. stands and with the other container a membrane

Aus dem britischen Patent 797 872 ist es bekannt, vorgesehen ist, die aus einer Folie aus einem MaterialFrom British patent 797 872 it is known to be provided that consists of a sheet of material

bei thermiönischen Wandlern die Oberfläche des 40 besteht, das nur durchlässig ist für das Gas, das diein thermal converters the surface of the 40 is made, which is only permeable to the gas that the

Emitters mit Erdalkalimetallen zu bedecken. Austrittsarbeit des Kollektors reduziert, nämlich fürCover the emitter with alkaline earth metals. Work function of the collector reduced, namely for

Aus dem britischen Patent 947 281 ist ein therm- Wasserstoff.From British patent 947 281 is a therm-hydrogen.

ionischer Wandler bekannt, der einen Emitter und Der thermionische Wandler gemäß vorliegender einen Kollektor, dessen Temperatur unter der des Erfindung soll vorzugsweise für Systeme mit mehreren Emitters liegt, enthält, dessen Kammer mit einem 45 thermionischen Wandlern verwendet werden, die in leicht ionisierbaren .Gas gefüllt ist und der zwei Kernreaktoren eingebaut sind und mit über etwa zusätzliche Behälter besitzt, von denen der eine ein 500°C liegenden Kollektortemperaturen arbeiten.
Alkalimetall (z.B. Caesium) enthält und mit der Die F i g. 1 und 2 zeigen im Schnitt zwei Aus-Vakuumkammer in Verbindung steht und der andere führungsformen eines erfindungsgemäßen thermionieine durch Wärme verdampfbare Wasserstoffverbin- 50 sehen Wandlers mit einem einzigen Behälter bzw. dung eines Metalls enthält, die während des Betriebes mit zwei getrennten Behältern für die Verbindung des Wandlers verflüchtigt werden kann und dann mit einem Alkalimetall und für das Metall mit die Austrittsarbeit der Kollektorelektrode erniedrigt. niedriger Austrittsarbeit, wobei der Wandler einemionic transducer known, which contains an emitter and the thermionic transducer according to the present a collector, the temperature of which should preferably be below that of the invention for systems with several emitters, whose chamber is used with a 45 thermionic transducer, which is filled in easily ionizable .Gas and the two nuclear reactors are built in and has about additional tanks, one of which has a collector temperature of 500 ° C.
Contains alkali metal (e.g. cesium) and with the Die F i g. 1 and 2 show in section two off-vacuum chambers in connection and the other embodiment of a thermionieine heat-evaporable hydrogen connection 50 see converter with a single container or manure of a metal, which during operation with two separate containers for the connection of the transducer can be volatilized and then lowered with an alkali metal and for the metal with the work function of the collector electrode. lower work function, the converter being a

Der wesentliche Unterschied zwischen der bekann- System von mehreren, in dem Spaltraum eines Kernten Vorrichtung und dem Gegenstand der Erfindung 55 reaktors angeordneten Wandlern angehört,
besteht darin; daß die Regulierung der beiden Drücke, Es sind bereits mehrere Typen von thermionischen nämlich des Caesiums und des anderen Elementes Wandlern, insbesondere zur Umwandlung der durch (Wasserstoff bei dem britischen Patent und insbeson- die in einem Kernreaktor auftretenden Spaltvorgänge dere Erdalkalimetall bei der vorliegenden Erfindung) erzeugten ^Wärmeenergie in elektrische Energie bebei der bekannten Vorrichtung, mittels einer für 60 kannt.The essential difference between the well-known system of several transducers arranged in the gap of a core device and the subject of the invention 55 reactor belongs to,
consists in; that the regulation of the two pressures, there are already several types of thermionic converters, namely the cesium and the other element, in particular for converting the alkaline earth metal in the present invention (hydrogen in the British patent and in particular the fission processes occurring in a nuclear reactor) generated ^ thermal energy in electrical energy in the known device, by means of a for 60 knows.

Wasserstoff durchlässigen Membrane bewirkt wird, Die zum Stande der Technik gehörenden therm-Hydrogen-permeable membrane is effected, the state-of-the-art thermal

während die Erfindung vorsieht, die Unabhängigkeit ionischen Wandler besitzen in einer dichten Vakuum-while the invention provides for the independence of ionic transducers in a tight vacuum

zwischen den Regulierungen der beiden Drücke kammer wenigstens eine Emitterelektrode und wenig-between the regulations of the two pressure chambers at least one emitter electrode and little

mittels der eingelagerten Verbindung sicherzustellen. stens eine Kollektorelektrode, die durch einen Abstandby means of the embedded connection. at least one collector electrode, which is separated by a distance

Die Lehre des britischen Patentes kann nur für 65 von größenordnungsmäßig einigen Millimetern oderThe teaching of the British patent can only be of the order of a few millimeters or

Wasserstoff oder andere Elemente angewendet werden, eines Bruchteils eines Millimeters getrennt sind,Hydrogen or other elements are applied that are separated by a fraction of a millimeter,

die die für Caesium nicht durchlässigen Membranen wobei der Emitter auf eine Temperatur gebrachtthe membranes that are not permeable to cesium, whereby the emitter is brought to a temperature

passieren können. Da es keine für Strontium, Barium wird, die eine reichliche Elektronenemission durchcan happen. Since there is no for strontium, barium will cause an abundant emission of electrons

3 43 4

Thermoemission bewirkt, während der Kollektor auf insbesondere für Raumschiffahrtszwecke, muß einer Temperatur gehalten wird, die erheblich niedriger der Alkalibehälter außerhalb des eigentlichen als die des Emitters ist, um die von dem Emitter Kernreaktors angeordnet werden, der im Betrieb ausgesandten Elektronen aufzufangen, ohne seiner- auf eine Temperatur von größenordnungsmäßig seits eine wesentliche Zahl von Elektronen auszu- 5 etwa 700⁰C kommt (nämlich die Temperatur des senden. Ein Behälter, der ein Alkalimetall mit gerin- Kühlmittels, welches z. B. durch eine flüssige gem Ionisierungspotential enthält, insbesondere Cae- Natrium-Kalium-Legierung gebildet wird), da der sium, steht mit der Vakuumkammer in Verbindung Alkalidruck in der Vakuumkammer des Wandlers und bildet den kältesten Punkt der durch die Vakuum- zu hoch wäre, wenn sich der Behälter auf einer kammer und den Behälter gebildeten Anordnung, io Temperatur von 700⁰C befinden würde;
wobei er sich jedoch auf einer Temperatur befindet, wenn mehrere Wandler in einem Spaltstoffstab die so hoch ist, daß das Alkalimetall teilweise aus angeordnet sind, definiert der Alkalibehälter, der dem Behälter verdampft; dabei steht der Alkalidampf aus den obigen Gründen außerhalb des Reaktors im Gleichgewicht mit der Flüssigkeit bei der Tempe- in einer Zone angeordnet ist, in der die Betriebsratur des Behälters, so daß keine Gefahr besteht, 15 temperatur größenordnungsmäßig 300⁰C beträgt, daß er sich auf dem Emitter und dem Kollektor einen von dieser Temperatur abhängenden Alkaliniederschlägt, die sich auf einer über der Temperatur dampfdruck, der allen Wandlern gemeinsam ist, des Behälters liegenden Temperatur befinden. Im was für den Wirkungsgrad der Wandleranordallgemeinen wird die Behältertemperatur so einge- nung ungünstig ist, da die verschiedenen Wandler, stellt, daß der Alkalidruck, insbesondere des Cae- 20 die verschiedene Neutronenflüsse entsprechend siums, in der durch die Vakuumkammer und den ihrer Stellung in dem Reaktor empfangen, für Behälter gebildeten Anordnung größenordnungsmäßig den günstigsten Wirkungsgrad verschiedene Alkalimm Hg beträgt (ein höherer Druck erzeugt eine dampfdrücke erfordern,
thermische Leitfähigkeit zwischen dem Emitter undThermal emission causes, while the collector is on, especially for space purposes, must be kept at a temperature that is considerably lower than that of the alkali container outside the actual emitter, in order to be arranged by the emitter of the nuclear reactor, which collects the electrons emitted during operation, without its- at a temperature of the order of magnitude, a substantial number of electrons come from about 700 ⁰ C (namely the temperature of the send. A container that contains an alkali metal with low coolant, which, for example, by a liquid gem ionization potential, in particular Cae-sodium-potassium alloy is formed), since the sium, is in contact with the vacuum chamber Container-formed arrangement, io temperature of 700 ⁰ C would be;
however, it is at a temperature when a plurality of transducers in a fissile rod is so high that the alkali metal is partially disposed off, defines the alkali container which vaporizes the container; for the above reasons, the alkali vapor is outside the reactor in equilibrium with the liquid at the temperature in a zone in which the operating temperature of the container, so that there is no risk of the temperature of the order of magnitude 300 ⁰ C, that it is on the emitter and the collector an alkaline precipitate which depends on this temperature and which is at a temperature above the temperature vapor pressure, which is common to all transducers, of the container. In terms of the efficiency of the transducer arrangement in general, the container temperature is so unfavorable because the various transducers ensure that the alkali pressure, in particular of Cae, corresponds to the various neutron fluxes in the vacuum chamber and its position in the Reactor received, for container formed arrangement of the order of magnitude the most favorable efficiency different Alkalimm Hg is (a higher pressure generates a vapor pressure require,
thermal conductivity between the emitter and

dem Kollektor), was eine verhältnismäßig niedrige 25 Durch die Erfindung werden die obigen Nachteilethe collector), which is a relatively low 25. The invention eliminates the above disadvantages

Behältertemperatur erfordert, die bei Caesium 300⁰C beseitigt. Bei dem erfindungsgemäßen thermionischenRequires container temperature, which eliminates ^{300 0 C for cesium.} In the thermionic according to the invention

beträgt. Wandler ist einerseits eine unabhängige Einstellungamounts to. Converter is, on the one hand, an independent setting

Dieser bekannte thermionische Wandler besitzt der Verminderung der Austrittsarbeit und der Erzeu-This known thermionic converter has the reduction of the work function and the generation

folgende Nachteile: gung positiver Ionen zur Neutralisierung der Raum-the following disadvantages: supply of positive ions to neutralize the spatial

30 ladung ermöglicht, und es ist andererseits gestattet,30 charge, and on the other hand it is permitted

Das Alkali, insbesondere das Caesium, erfüllt den Alkalibehälter auf eine verhältnismäßig hohe Tem-The alkali, especially the cesium, fills the alkali container to a relatively high temperature

zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Erniedri- peratur in der Größenordnung von 500 bis 1000⁰Ctwo tasks, on the one hand the degrading temperature of the order of 500 to 1,000 ⁰ C

gung der Austrittsarbeit der Elektroden, die sich zu bringen.the work function of the electrodes that bring about.

teilweise mit Caesium überziehen, da die Aus- Hierfür ist in einem Ausführungsbeispiel eines erfintrittsarbeit des Alkalis (die des Caesiums beträgt 35 dungsgemäßen thermionischen Wandler 14 (F i g. 1 1,8 eV) niedriger ist als die der Elektrode selbst, und 2) mit einer durch Dichtungen la geschlossenen und andererseits die Erzeugung von positiven Vakuumkammer 1, in der wenigstens ein Emitter 2, Ionen zur Neutralisierung der (negativen) Raum- der zweckmäßig mit Spaltstoff beladen ist, wobei die ladung, die von der Emission von (negativen) Anordnung 3 in diesem Fall einen Kernreaktorstab Elektronen durch den Emitter herrührt, wobei 40 bildet, der (zweckmäßig durch Kernspaltung) auf eine diese Ionenerzeugung durch den Langmuir-Effekt Temperatur gebracht wird, die eine reichlichere Elekerfolgt, da sich das Alkali mit geringem Isonisie- tronenemission sicherstellt, und wenigstens ein Kollekrungspotential (3,9 V bei Caesium) bei Beruh- tor 4 angeordnet sind, der auf einer niedrigeren Temrung mit den Elektroden, die aus einem Werkstoff peratur als der Emitter gehalten wird, zweckmäßig mit einer Austrittsarbeit bestehen, die größer als 45 durch Umlauf eines Kühlmittels in dem Kanal 5 zwidieses Ionisierungspotential ist, ionisiert. Da das sehen einem durch eine Schweißnaht 6a in Wärmegleiche Alkalimetall, insbesondere Caesium, gleich- kontakt mit dem Kollektor 4 stehenden Rohr 6 und zeitig diese beiden Aufgaben erfüllt, die relativ einem äußeren Rohr 7, wobei die Dichtungen la aus zueinander von der Temperatur der Elektroden einem einen Wärmeschutz bildenden Werkstoff beabhängen (die sofortige Wiederverdampfung des 50 stehen, wenigstens ein Behälter, und zwar ein einziger Alkalis an einer Elektrode und die vollständige Behälter 8 bei der Ausführungsform der F i g. 1 und Ionisierung derselben erfolgen, wenn die Tem- zwei Behälter 8 er, 8 b bei der Ausführungsform der peratur der Elektrode einen zu der Temperatur F i g. 2, vorgesehen, der mit der Kammer 1 (durch des Caesiumbehälters proportionalen kritischen Kanäle 9 in F i g. 1 oder durch Kanäle 9 a, 9 b in . Wert übersteigt), können diese beiden Wirkungen 55 Fig. 2) in Verbindung steht.partially covered with cesium, since the function of the alkali (that of cesium is 35 according to the thermionic transducer 14 (Fig. 1 1.8 eV) is lower than that of the electrode itself, and 2) with a closed by seals la and on the other hand the generation of positive vacuum chamber 1, in which at least one emitter 2, ions to neutralize the (negative) space, which is expediently loaded with fissile material, the charge resulting from the emission of (negative) Arrangement 3 in this case a nuclear reactor rod comes from electrons through the emitter, whereby 40 forms, which (expediently by nuclear fission) is brought to a temperature this ion generation by the Langmuir effect, which takes place a more abundant electrons, since the alkali with low isonization electron emission ensures, and at least one collection potential (3.9 V for cesium) are arranged at Beruh- tor 4, which is at a lower temperature with the electrodes, which is kept from a material temperature than the emitter, expediently exist with a work function that is greater than 45 by circulating a coolant in the channel 5 between this ionization potential, ionized. Since the tube 6 is in constant contact with the collector 4 through a welded seam 6a in heat-equal alkali metal, in particular cesium, and at the same time fulfills these two tasks, the relative to an outer tube 7, the seals la from each other depending on the temperature of the electrodes a material forming a heat protection (the immediate re-evaporation of the 50 stand, at least one container, namely a single alkali on one electrode and the complete container 8 in the embodiment of FIG Container 8 er, 8 b in the embodiment of the temperature of the electrode one for the temperature F i g. 2 is provided, which is connected to the chamber 1 (through the cesium container proportional critical channels 9 in FIG. 1 or through channels 9 a, 9 b in. Value), these two effects can 55 Fig. 2) is related.

des Alkalis nicht getrennt eingestellt werden; Dieser Behälter enthält einerseits wenigstens eineof the alkali cannot be set separately; On the one hand, this container contains at least one

die Notwendigkeit der Herstellung eines genügen- Verbindung 10, die ein Alkalimetall in gebundenemthe need to make a sufficient- compound 10, which has an alkali metal in bound

den Ionisierungsgrades des Caesiums oder eines Zustand enthält (welche in dem einzigen Behälter 8contains the degree of ionization of the cesium or a state (which is contained in the single container 8

anderen Alkalis zwingt dazu, den Behälter für der F i g. 1 oder in dem Behälter 8a der F i g. 2 unterdas Caesium oder ein anderes Alkali auf einer 60 gebracht ist), wobei diese Verbindung zweckmäßigother alkali forces the container for the F i g. 1 or in the container 8a of FIG. 2 under the Cesium or another alkali is brought to a 60), this compound being expedient

niedrigen Temperatur in der Größenordnung von durch eine nichtstöchiometrische Verbindung vonlow temperature of the order of by a non-stoichiometric compound of

300⁰C zu halten, was einen geringen Wirkungs- Caesium mit Graphit gebildet wird, und andererseits300 ⁰ C to keep what a low effect cesium is formed with graphite, and on the other hand

grad des Wandlers zur Folge hat, insbesondere wenigstens ein flüchtiges oder in eine flüchtige Ver-degree of the converter, in particular at least one volatile or volatile

wenn dieser zur Vornahme der Umwandlung bindung eingearbeitetes Metall 11 mit geringer Ausvon Wärmeenergie nuklearen Ursprungs in elek- 65 trittsarbeit, insbesondere ein Erdalkalimetall (welchesif this metal 11 is incorporated to carry out the conversion bond with little Ausvon Thermal energy of nuclear origin in electrical work, especially an alkaline earth metal (which

irische Energie bestimmt ist; in dem einzigen Behälter 8 der F i g. 1 oder in demIrish energy is destined; in the single container 8 of FIG. 1 or in that

wenn der oder die Wandler innerhalb eines Spalt- Behälter Sb der F i g. 2 untergebracht ist), wobei die-if the transducer or transducers within a gap container Sb of FIG. 2), whereby the

stoffstabes eines Kernreaktors angeordnet sind, ses Metall während des Betriebes des Wandlers 14 ver-material rod of a nuclear reactor are arranged, ses metal during the operation of the converter 14

dampfen und wenigstens teilweise die Oberfläche des Emitters und/oder des Kollektors überziehen kann, um deren Austrittsarbeit zu erniedrigen.can vaporize and at least partially coat the surface of the emitter and / or the collector, to degrade their workforce.

Unter diesen Bedingungen herrscht in der Kammer 1 ein Sättigungsdampfdruck des Alkalis der Verbindung 10 und des Metalls 11.Under these conditions there is a saturation vapor pressure of the alkali of the compound in the chamber 1 10 and of metal 11.

Der Behälter 8 oder 8 a für das Caesium oder ein anderes Alkali kann dann, wie dargestellt, innerhalb eines Kernbrennstabes 3, d. h. in einer Zone mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur angeordnet werden, welche praktisch die des Kollektors 4 ist, die etwas höher als die des in dem Kanal 5 strömenden Kühlmittels ist. Die Temperatur des Behälters 8 oder 8 a für das Caesium oder ein anderes Alkali kann insbesondere auf den gewünschten Wert durch die Wahl der Querschnitte der leitenden Verbindungsteile eingestellt werden, die durch die Wände 12 und 13 des Kanals 9 bzw. des Behälters 8 gebildet werden.The container 8 or 8 a for the cesium or a other alkali can then, as shown, within a nuclear fuel rod 3, i. H. in a zone with a relatively high temperature are arranged, which is practically that of the collector 4, the is slightly higher than that of the coolant flowing in the channel 5. The temperature of the container 8 or 8 a for the cesium or another alkali in particular can be adjusted to the desired value by choosing the cross-sections of the conductive connecting parts can be adjusted by the walls 12 and 13 of the Channel 9 or the container 8 are formed.

Ferner können mehrere Wandler 14 vorgesehen werden, die in der dargestellten Weise in einem einzigen durch ein Rohr 6 begrenzten Stab 3 hintereinander angeordnet sind, wobei die Verbindung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wandlern 14, 14 a durch Verbindungsstücke 15 hergestellt wird, deren Querschnitt und somit thermische Leitfähigkeit so eingestellt wird, daß man in Kombination mit den Querschnitten der Wände 12 und 13 (die für jeden Wandler 14, 14a verschieden sein können) die gewünschte Behältertemperatur erhält, die von dem von jedem Wandler empfangenen Neutronenfluß abhängt. Es ist zu bemerken, daß der Behälter nicht mehr wie bei den früheren thermionischen Wandlern notwendigerweise der kälteste Punkt der Kammer ist.Furthermore, several transducers 14 can be provided, which in the manner shown in a single by a tube 6 bounded rod 3 are arranged one behind the other, the connection between two successive transducers 14, 14 a is made by connecting pieces 15, the cross section of which and thus thermal conductivity is adjusted so that in combination with the cross-sections of the walls 12 and 13 (which can be different for each transducer 14, 14a) the desired one Receives container temperature, which depends on the neutron flux received by each transducer. It it should be noted that the container is no longer necessarily as it was in the earlier thermionic transducers is the coldest point of the chamber.

Außerdem können bei der Ausführungsform der F i g. 2 die Temperaturen des Alkali behälters 8 a und des Behälters 8 b des Metalls mit geringer Austrittsarbeit unabhängig voneinander dadurch eingestellt werden, daß verschiedene Dicken für die Wände 12 a, 12 b und 13 a, 13 a vorgesehen werden.In addition, in the embodiment of FIG. 2 the temperatures of the alkali container 8 a and the container 8 b of the metal with a low work function can be set independently of one another in that different thicknesses are provided for the walls 12 a, 12 b and 13 a, 13 a.

Der Teil 16 der F i g. 1 und 2 ist der Pumpstutzen, mittels welchem die durch die Kammer 1 und den Behälter 8 (Fig. 1) oder die Behälter 8 a und 8 b (F i g. 2) gebildete Anordnung ausgepumpt wurde.Part 16 of FIG. 1 and 2 is the pump nozzle by means of which the arrangement formed by the chamber 1 and the container 8 (FIG. 1) or the containers 8 a and 8 b (FIG. 2) was pumped out.

Beispielshalber seien folgende Angaben gemacht:The following information is given as an example:

der Emitter 2 kann aus Urankarbid bestehen, dem gegebenenfalls andere Karbide zugesetzt sind, wobei sich der Emitter während des Betriebes teilweise mit dem Alkalimetall (Caesium) überzieht;the emitter 2 can consist of uranium carbide to which other carbides may be added , whereby the emitter partially with the alkali metal (cesium) during operation coats;

der Kollektor 4 kann aus Niob oder Rhenium bestehen und bezieht sich während des Betriebes teilweise mit dem Alkalimetall (Caesium);
das Kühlmittel kann eine geschmolzene Natrium-Kalium-Legierung sein;the collector 4 can consist of niobium or rhenium and is partially related to the alkali metal (cesium) during operation;
the coolant can be a molten sodium-potassium alloy;

die Rohre 6 und 7 und die Konvektoren 15 können aus rostfreiem Stahl hergestellt werden;the pipes 6 and 7 and the convectors 15 can be made of stainless steel;

die Dichtungen oder Isolatoren 1 α können aus Aluminiumoxyd bestehen und einen Zusatz von Yttriumoxyd enthalten.the seals or insulators 1 α can consist of aluminum oxide and an addition of Contain yttrium oxide.

Die Alkaliverbindung besteht aus einer eingelagerten Verbindung eines Alkalimetalls, insbesondere Caesium in Graphit. Die Herstellung und die Eigenschaften derartiger nichtstöchiometrischer Verbindungen des Graphits mit Alkalien sind z. B. in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:The alkali compound consists of an embedded compound of an alkali metal, in particular Cesium in graphite. The production and properties of such non-stoichiometric compounds of graphite with alkalis are z. B. in the following Publications described:

A. Herold, »Recherches sur les composes d'insertion du graphite« (Memoires presentes ä la Societe Chimique, 1955, S. 999 bis 1012);
Diebold et Herold, »Recherches concernant l'action des halogenes sur les composes d'insertion du graphite, avec les metaux alcaline« (Memoires presentes ä la Societe Chimique, 1963, S. 578 bis 586);
Fredenhagen und Cadenbach, »DieA. Herold, "Recherches sur les composes d'insertion du graphite" (Memoires presentes a la Societe Chimique, 1955, pp. 999 to 1012);
Diebold et Herold, "Recherches concernant l'action des halogenes sur les composes d'insertion du graphite, avec les metaux alcaline" (Memoires presentes a la Societe Chimique, 1963, pp. 578 to 586);
Fredenhagen and Cadenbach, »The

ίο Bindung von Kalium durch Kohlenstoff«, »Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie«, S. 249 bis 263, Bd. 158;ίο Binding of potassium by carbon «,» magazine for inorganic and general chemistry ", pp. 249 to 263, vol. 158;

Fredenhagen und Suck »Über die Bindung der Alkalimetalle durch Kohlenstoff«, »Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie«, S. 353 bis 365, Bd. 178.Fredenhagen and Suck »About the bond of alkali metals through carbon "," Journal for Inorganic and General Chemistry ", Pp. 353 to 365, vol. 178.

Nichtstöchiometrische Alkali - Graphit -Verbindungen, insbesondere C₈Cs, können insbesondere folgendermaßen hergestellt werden: in eine Ampulle werden (pyroly ti scher oder monokristalliner) Graphit und ein Alkali eingeführt, insbesondere Caesium. Die Ampulle wird ausgepumpt und abgeschmolzen. Die abgeschmolzene Ampulle wird, falls das Alkali Caesium ist,' während einiger Minuten auf 15O⁰C gebracht, so daß das Alkali verdampft und in den Graphit eindringt, da die nichtstöchiometrische Verbindung einen geringeren Dampfdruck besitzt. Die Ampulle läßt man abkühlen und zerbricht sie; die nichtstöchiometrische Verbindung kann mit Luft in Berührung gebracht werden, da der Sauerstoff nicht in die nichtstöchiometrischen Verbindungen eindringt.Non-stoichiometric alkali-graphite compounds, in particular C ₈ Cs, can in particular be produced as follows: (pyrolytic or monocrystalline) graphite and an alkali, in particular cesium, are introduced into an ampoule. The ampoule is pumped out and melted off. The ampoule is melted-off, if the alkali metal cesium is' brought for a few minutes at 15O ⁰ C, so that the alkali evaporates and penetrates into the graphite, as the non-stoichiometric compound has a lower vapor pressure. Allow the ampoule to cool and break it; the non-stoichiometric compound can be brought into contact with air because the oxygen does not penetrate into the non-stoichiometric compound.

Die benutzte Alkaliverbindung bildet eine reversible Assozitation eines Alkalimetalls, die in ihrer Umgebung einen Alkalidampfdruck aufrechterhält, der mit dem in der Verbindung gebundenen Alkali im Gleichgewicht steht.The alkali compound used forms a reversible association of an alkali metal that is in its environment maintains an alkali vapor pressure in equilibrium with the alkali bound in the compound stands.

Der Gleichgewichtsdruck des Caesiums über der nichtstöchiometrischen Verbindung C₈Cs ist z. B.The equilibrium pressure of the cesium over the non-stoichiometric compound C ₈ Cs is z. B.

durch die Formel gegeben:given by the formula:

log P = 6,3552 - 5805/7Vlog P = 6.3552-5805 / 7V

worin P der Druck in mm Hg oder Torr und T die Temperatur in Kelvingraden ist.where P is the pressure in mm Hg or Torr and T is the temperature in Kelving degrees.

So beträgt bei einer Temperatur von 700⁰C (Γ = 973°Κ) der Gleichgewichtsdruck P 2 mm Hg, was einen brauchbaren Wert darstellt.Thus, at a temperature of 700 ⁰ C (973 ° Γ = Κ) the equilibrium pressure P is 2 mm Hg, which is a suitable value.

Zur Herstellung von Wandlern mit höheren Arbeitstemperaturen und Caesiumdrücken der gleichen Grö- ßenordnung (2 mm Hg) werden nichtstöchiometrische Verbindungen des Caesiums gewählt, die reicher an Kohlenstoff sind, z. B. C₂₄Cs oder C₃₆Cs, wobei der Gleichgewichtsdruck um so niedriger ist, je reicher die Verbindung an Kohlenstoff ist.To manufacture transducers with higher working temperatures and cesium pressures of the same order of magnitude (2 mm Hg), non-stoichiometric compounds of cesium are selected which are richer in carbon, e.g. B. C ₂₄ Cs or C ₃₆ Cs, the equilibrium pressure being lower, the richer the compound is in carbon.

Durch die Verwendung einer Caesiumverbindung, die einen verhältnismäßig niedrigen Caesiumdruck (in der Größenordnung von 2 mm Hg) bei verhältnismäßig hohen Temperaturen (in der Größenordnung von 700⁰C oder darüber) ergibt, ist es möglich, den Caesiumbehälter 8, 8 a innerhalb des Reaktorstabes 3 anzuordnen.By using a cesium compound which gives a relatively low cesium pressure (of the order of 2 mm Hg) at relatively high temperatures (of the order of 700 ^° C. or above), it is possible to place the cesium container 8, 8 a within the reactor rod 3 to be arranged.

Schließlich wird das Metall oder die Verbindung zur Erniedrigung der Austrittsarbeit der Elektroden (Kollektor und Emitter) entweder durch ein Erdalkali (Beryllium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Baryum, Natrium, Lithium) in freiem oder gebundenem Zustand gebildet, oder durch ein flüchtiges Element oder eine flüchtige Verbindung, deren Austrittsarbeit kleinerEventually, the metal or compound is used to lower the work function of the electrodes (Collector and emitter) either by an alkaline earth (beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, Sodium, lithium) in the free or bound state, or by a volatile element or a volatile compound whose work function is smaller

als etwa 3,5 eV ist, wie Polonium, Lanthan, Uran, Beryllium, Zerium, Samarium, Thorium, Zink, BaO, LaB_?.than about 3.5 eV, such as polonium, lanthanum, uranium, beryllium, cerium, samarium, thorium, zinc, BaO, LaB _? .

Die ionisierbare Alkaliverbindung und die Erdalkaliverbindung od. dgl. mit geringer Austrittsarbeit befinden sich entweder auf der gleichen Temperatur in dem gleichen Behälter8 (Fig. 1) oder auf verschiedenen Temperaturen in zwei Behältern 8a, 8b (Fig. 2); in beiden Fällen können jedoch die Sättigungsdrücke des ionisierbaren Gases, z. B. Caesium, ίο in der Kammer 1 und des Stoffes zur Erniedrigung der Austrittsarbeit, z. B. Baryum, unabhängig voneinander eingestellt werden (bei 52O⁰C beträgt z.B. der Gleichgewichtsdruck des Baryums 0,5 mm Hg und der des Caesiums 0,1 mm Hg, was für die Er-Zeugung der Caesiumionen an einer mit einer dünnen Baryumschicht überzogenen Oberfläche ausreicht), was gestattet, die Funktionen der Elektronenemission und der Ionenemission zu trennen und den Alkalidruck für eine gegebene Temperatur des Alkalibehälters zu senken, so daß man einen hohen Wirkungsgrad des Wandlers durch Fortfall der Verluste in dem Plasma und der Ionisierung durch die Entladung erhält, wodurch der Wirkungsgrad der thermionischen Wandler 2 multipliziert werden kann.The ionizable alkali compound and the alkaline earth compound or the like with a low work function are either at the same temperature in the same container 8 (FIG. 1) or at different temperatures in two containers 8a, 8b (FIG. 2); in both cases, however, the saturation pressures of the ionizable gas, e.g. B. cesium, ίο in the chamber 1 and the substance to lower the work function, z. B. barium, can be set independently of each other (at 520 ⁰ C, for example, the equilibrium pressure of barium is 0.5 mm Hg and that of cesium 0.1 mm Hg, which is responsible for the generation of cesium ions on a surface coated with a thin layer of barium sufficient), which allows to separate the functions of electron emission and ion emission and to lower the alkali pressure for a given temperature of the alkali container, so that a high efficiency of the converter is obtained by eliminating the losses in the plasma and the ionization by the discharge, whereby the efficiency of the thermionic converter 2 can be multiplied.

Gleichzeitig mit der Senkung des Drucks der in dem Wandler enthaltenen Gase nimmt die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Wandler zu, so daß ein verhältnismäßig großer Elektrodenabstand (in der Größenordnung eines halben Millimeters) vorgesehen werden kann, wodurch die Herstellung erleichtert wird. Der erfindungsgemäße thermionische Wandler hat gegenüber den bekannten Wandlern zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende: Simultaneously with the lowering of the pressure of the gases contained in the transducer, the mean free The path length of the electrons in the transducer increases, so that a relatively large electrode spacing (in the Size of half a millimeter) can be provided, whereby the production is facilitated. The thermionic converter according to the invention has numerous advantages over the known converters, in particular the following:

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er gestattet zunächst eine unabhängige Einstellung der Elektronenemission und der Ionenemission zur Neutralisierung der Raumladung;
der das Alkalimetall zur Senkung der Raumladung enthaltende Behälter kann in einer Zone mit verhältnismäßig hoher Temperatur angeordnet werden, wobei gleichzeitig ein geringer Gasdruck in dem Wandler verwirklicht wird. Der Gleichgewichtsdampfdruck des Alkalis wird nicht durch die Temperatur des kalten Punktes der Kammer bestimmt, sondern durch die Temperatur des Graphits, mit dem die nichtstöchiometrische Verbindung hergestellt ist;
die Verluste in dem Plasma und Ionisierung durch die Entladung sind gering;
der Elektrodenabstand ist technisch leicht herzustellen;
der Wirkungsgrad ist hoch.it initially allows an independent adjustment of the electron emission and the ion emission to neutralize the space charge;
the container containing the alkali metal for lowering the space charge can be arranged in a zone with a relatively high temperature, a low gas pressure being realized in the converter at the same time. The equilibrium vapor pressure of the alkali is not determined by the temperature of the cold point of the chamber, but by the temperature of the graphite with which the non-stoichiometric compound is made;
the losses in the plasma and ionization by the discharge are small;
the electrode spacing is technically easy to produce;
the efficiency is high.

Claims

Patent claims:

1. Thermionic converter with a vacuum chamber in which at least one emitter and at least one collector, the temperature of which is below that of the emitter, are arranged and which is in communication with at least one container containing an alkali metal, characterized in that the container or containers (8, 8a, 8b) contains or contain at least one embedded compound (10) of an alkali metal in graphite and at least one metal (11) with a low work function that does not form an embedded compound with graphite, is volatile or is contained in a volatile compound and volatilizes during operation of the converter and at least partially coats the surface of the emitter (2) and / or of the collector (4) and lowers their work function.

2. Thermionic converter according to claim 1, characterized in that the alkali compound (10) and the metal (11) with low work function arranged in the same container (8) are.

3. Thermionic converter according to claim 1, characterized in that the alkali compound (10) and the metal (11) with a low work function are arranged in two separate containers (8a, 8b) , the container containing the metal (11) being the coldest Point of the arrangement formed by the vacuum chamber and the two containers is located.

4. Thermionic converter. According to claim 1, 2 or 3, characterized in that the alkali metal Cesium is.

5. Thermionic converter according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the Metal (11) ″ with a low work function is an alkaline earth metal.

1 sheet of drawings 009 537/133