DE1539713A1 - Thermionischer Wandler - Google Patents

Description

BBC

BROWN, BOVERI & CIE AG MANNHEIM

Mannheim, den 22. 6. 1969 Pat.Ki/Mi

Mp.-Nr. 641/66

Thermionischer Wandler

Gegenstand der Erfindung ist ein thermionischer Wandler mit konzentrisch angeordnetem Emitter und gekühltem Kollektor, die gegeneinander mittels Metall-Keramik-Bauteilen zentriert und elektrisch isoliert sind.

Thermionische Energiewandler haben die Aufgabe, Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen aus zwei eng benachbarten Elektroden, von denen die eine als Emitter so stark aufgeheizt ist, daß Elektronen emittiert werden, die dann von der anderen Elektrode, dem Kollektor, abgeführt werden. Die Differenz der Austrittsarbeiten ist als elektrische Arbeit verfügbar. Wie von den G-lühemissionsröhren her bekannt ist, entsteht vor einer Elektronen emittierenden Fläche eine negative Raumladung, die den weiteren Austritt von Elektronen behindert. Aus diesem Grunde bemißt man den Abstand der Elektroden sehr klein oder kompensiert die negative Raumladung durch positive Ionen. Zu diesem Zweck wird vorwiegend Cäsiumdampf verwendet.

Als Wärmequelle kann in bekannter Weise der Kernspaltungsprozeß verwendet werden. In bekannten Anordnungen für thermische Reaktoren ist der Kernbrennstoff mit den Elektroden zu einem thermionischen Wandler zusammengebaut, von denen mehrere elektrisch in Reihe zu einem thermionischen Brennstab geschaltet sind. Der Kernbrennstoff ist in diesem Falle im Inneren des Emitters angeordnet. Die entstehenden Spaltgase werden in einem besonderen Raum gesammelt, aus dem sie laufend abgepumpt werden können.

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Derartige Brennstäbe bilden beispielsweise mit dem Moderator, dem Reflektor und den Regelstäben einen thermischen Reaktor (Zeitschrift "Atomkern-Energie", 1965, Heft 9/10, Sei^e 365).

Beim Einsatz derartiger Reaktoren in Raumfluggeräten für die Energieversorgung der Bordgeräte ist jedoch ein möglichst geringes Leistungsgewicht (Masse pro Leistungseinheit) anzustreben, da die Masse wegen der hohen Kosten für den Transport eine entscheidende Rolle spielt. Aus diesem Grunde wird für große Leistungen über 200 kW _ den schnellen Reaktoren der

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Vorzug gegeben, da das Fehlen des Moderators eine kompaktere ^ Anordnung mit geringem Leistungsgewicht ermöglicht. So ist z.B. in einer bekannten Ausführung (Zeitschrift "Atomkern-Energie", 1965, Heft 9/10, Seite 368) vorgeschlagen worden, die thermionischen Brennstäbe in der Spaltzone eines schnellen Reaktors in einem hexagonalen Gitter innerhalb des Druckbehälters einzubauen.

Schnelle Reaktoren, die für einen Leistungsbereich bis 2 MV/ . ausgelegt sind, müssen jedoch ca 50 fa ihres Gesamtgewichtes an Kernbrennstoff enthalten, damit die gesamte Anordnung noch kritisch wird. Etwa 30-35 f« Volumenanteil des Gores nuß außerdem für Kühlmittel aufgewandt werden, so daß für die thermionischen Elemente nur etwa 15-25 f° Volumenanteil zur ψ Verfügung stehen. Eine solche Aufteilung der Volumenanteile von Kernbrennstoff und Thermionikelementen ist bei einer Anordnung, die den Kernbrennstoff im Inneren der zylinderförmigen Emitter enthält, im betrachteten Leistungsbereich nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile, die bei der Anordnung solcher thermionischer Wandler im Core auftreten, zu vermeiden. Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß der. Kollektor als Innenelektrode und der Emitter als Außenelektrode ausgebildet und von dem Kernbrennstoff eines schnellen Reaktors umgeben ist.

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Die gegenseitige Zentrierung der Elektroden erfolgt mittels Metall-Keramik-Bauteilen, wovon mindestens das eine gegen Wärmedehnung nachgebend ausgebildet ist. Weiterhin enthält der Innenraum des Kollektors Einrichtungen für die Zu-und Ableitung des Kühlmittels.

Die Pig. 1 und 2 geben zwei spezielle Ausftihrungsformen gemäß der Erfindung wieder.

In der Fig. 1 ist der Emitter 1 mit seiner abgeschlossenen Stirnseite in den Kernbrennstoff 2 eingesetzt. Der Emitter bildet zusammen mit dem im Inneren angeordneten Kollektor 3 den mit Cäsiumdampf gefüllten Gasentladungsraum 8 des thermio- nischen Energiewandlers. Er ist mittels Metall-Keramik-Bauteilen vakuumdicht verschlossen, die gleichzeitig zur Zentrierung dienen und die Wärmedehnungen des Kollektors ausgleichen. Zu diesem Zwecke ist auf seiner Stirnseite ein Keramikring 4 mit angesetzter Metallscheibe 5 als Führungsring angeordnet, der auf der Innenwand des Emitters entlang gleitet. Ein starres Metall-Keramik-Bauteil 7,6 aus einem Plansch 7 und Keramikring 6 verbindet oberhalb des Reflektors 12 den Emitter und Kollektor vakuumdicht. Eine Beanspruchung der Bauteile durch Wärmespannungen infolge großer Temperaturunterschiede wird so weitgehend vermieden. Die Einrichtungen für die Zu- und Ableitung des Kühlmittels sind als konzentrische Rohre in Gegenstromanordnung ausgebildet.

Das Kühlmittel wird mittels des Rohres 15 bis in die Nähe der Stirnfläche des Kollektors 3 geleitet und strömt an dessen Innenwand entlang und durch den Ansatzstutzen 13 ab. Palls die thermionischen Wandler in Beihe geschaltet sind, muß das metallische Kühlmittel mittels einer Schicht 16, z.B. aus Berylliumoxyd, gegen den Kollektor isoliert werden. ,

Bei den Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 ist die Spaltzone als flacher Zylinder ausgebildet, dessen Höhe kleiner als die Länge des Elementes ist. Der Emitter ist in den Kernbrennstoff

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2 eingebettet und umgibt konzentrisch den Kollektor 3 unter Ausbildung des mit Cäsiumdampf gefüllten Gasentladungsraumes. Den vakuumdichten Abschluß besorgen die nachgebenden Metall-Keramik-Bauteile 17,6,18, die jeweils oberhalb und unterhalb des Cores angeordnet sind. Sie bestehen jeweils aus dem am Emitter angesetzten Metallbalg 18, dem mit dem Kollektor verschweißten Metallring 17 und dem zwischen beiden angeordneten Keramikring 6. Das die Abwärme aufnehmende Kühlmittel strömt durch das mit der Isolierung 16 verbundene Rohr 19· Diese Anordnung zeichnet sich durch ihre besondere Einfachheit und geringe thermische Beanspruchung an den Verbindungsstellen aus.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen thermionischen Wandler ermöglicht, in einem vorgegebenen Volumen eine größere Menge an Kernbrennstoff als bei der bisher bekannten Anordnung von Emitter und Konverter unterzubringen. Es kann auf diese Weise einmal ein niedrigeres Leistungsgewicht erreicht und zum anderen ein weniger hoch angereicherter Kernbrennstoff verwendet v/erden. Zusätzlich entfallen besondere Maßnahmen zur Abfuhr des Spaltgases im Emitter, da das Spaltgas ungehindert an die Oberfläche des Brennstoffes diffundieren kann.

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Claims (2)

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BROWN, BOVERI & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM BROWN BOVERI

Aktcnz.: P 15 59 715.4 Mannheim, den 23· Juni 1969

Pat/P/Bu. - Mp.-Nr· 641/66

Patentansprüche

ί 1»JThermionischer Wandler^mit konzentrisch angeordnetem Emitter und gekühltem Kollektor, die gegeneinander mittels Metall-Keramik-Bauteilen zentriert und elektrisch isoliert sind, für einen schnellen Beaktor in einem Leistungsbereich bis 2 Megawatt thermischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor als Innenelektrode und der Emitter als Außenelektrode ausgebildet ist, wobei der kompakte Kernbrennstoff den Emitter umschließt,

2. Thermionisoher Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Metall-Keramik-Bauteile gegenüber Wärmedehnungen nachgebend ausgebildet iste

ο Thermionischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Kollektors Einrichtungen für die Zu- und Ableitung des Kühlmittels enthält.

4ο Thermionischer Wanlder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Zu- und Ableitung des Kühlmittels als konzentrische Eohre in Gegenstromanordnung ausgebildet sind.

5> Thermionischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Zu- und Ablei-'tungen des Kühlmittels als durchgehende, elektrisch isolierte Rohre ausgebildet sind.

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Unterlagen (Art. 7 § l Abs. 2 Ur. I iiutz 3 dss Änderungs_Oee. v. 4.