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Die Erfindung betrifft eine Radionuklidbatterie mit thermionischer
Energiewandlung, bestehend aus einem allseits verschlossenen Vakuumgefäß, in dem
ein den Emitter eines thermionischen Konverters tragender und Radionuklide einschließender
Metallblock untergebracht ist, bei der zwischen dem Metallblock und der Wand des
Vakuumgefäßes Wärmereflektoren in Schichten angeordnet sind, die durch wärmeisolierende
Abstandshalter und Vakuum voneinander getrennt sind.
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Eine derartige Radionuklidbatterie ist aus der Zeitschrift »Atomkernenergie«,
9. Jahrgang, 1964, Heft 1/2, S. 64 bis 67, bekannt.
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Zum Betrieb eines thermionischen Wandlers braucht man hohe Temperaturen
von etwa 1500 bis 2000° K. Diese Temperaturen lassen Sich mit einem Isotopenofen
nur schwer erreichen (nach Euler, Neue Wege zur Stromerzeugung, Frankfurt/Main,
1963, S. 38). Deshalb -sind bisher nur solche thermische Radionuklidbatterien bekanntgeworden,
bei denen die Isotopenstrahlung mit Hilfe von Termoelementen in nutzbare elektrische
Energie umgesetzt wird; sie haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad und sind deshalb
für manche Zwecke, z. B. für die Raumfahrt, zu schwer und unwirtschaftlich.
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Thermische Radionuklidbatterien, in denen die Wärme mit Hilfe von
thermionischen Dioden in Elektrizität umgewandelt wird, lassen sich mit reinem Strontium-90
nicht verwirklichen, weil der Schmelzpunkt von 1073° K weit unter der Betriebstemperatur
von thermionischen Wandlern liegt.
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Auch Strontiumoxid (9oSr0) wird trotz seines Schmelzpunktes von 2703°
K für ungeeignet gehalten (vgl. E u 1 e r, S. 36); weil infolge der geringen Leistungsdichte
wirtschaftlich und gewichtlich vertretbare Mengen nicht ausreichen, die Betriebstemperatur
von thermionischen Wandlern zu erreichen.
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Es ist bekannt, thermionische Radionuklidbatterien mit einem Radionuklid
hoher Leistungsdichte auf Betriebstemperatur zu bringen. Eine derartige Radionuklidbatterie
ist z. B. in der Zeitschrift »Atomenergie«, 9. Jahrgang, 1964, Heft 1/2, S. 64 bis
67, beschrieben. Derartige Radionuklidbatterien haben aber eine sehr geringe Lebensdauer
von z. B. 4 bis 5 Monaten, die durch die geringe Halbwertzeit des Radionuklids bedingt
ist. Für den Einsatz in der Raumfahrttechnik sind daher derartige Radionuklidbatterien
ungeeignet.
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Es ist auch bekannt, Radionuklide aus der Gruppe geringer Leistungsdichte
für thermionische Radionuklidbatterien zu verwenden. In der USA.-Patentschrift 3
232 717 ist z. B. eine Radionuklidbatterie beschrieben, bei der der thermionische
Wandler durch Urankarbid, das zu der Gruppe der Radionuklide geringer Leistungsdichte
gehört, auf Betriebstemperatur gebracht wird. Da das Urankarbid ein keramischer
Werkstoff ist, der bei den auftretenden hohen Temperaturen sehr leicht reißen würde,
ist das Urankarbid mit einem Metall, z. B. Wolfram oder Rhenium, zu einem Sinterwerkstoff
verarbeitet. Hierbei bilden der Elektronenemitter und die Radionuklide ein Bauteil.
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Nachteilig .ist hierbei, daß sowohl bei der Herstellung des Sinterwerkstoffes
als auch beim Betrieb der Radionuklidbatterie Vorkehrungen zum Schutz des Urankarbids
getroffen werden müssen, da dieses bei hohen Temperaturen leicht mit anderen Werkstoffen
reagiert. Das Urankarbid besteht im wesentlichen aus UC- und UC2-Kristallen und
aus ganz wenigen und nicht beabsichtigten U2C.- Kristallen.
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Eine weitere Radionuklidbatterie ist in der Zeitschrift »Electronics«
vom 6. April 1962, S. 40 bis 42, beschrieben. Bei dieser Batterie handelt es sich
aber um einen thermoelektrischen Wandler, da die elektrische Energie mit einer Vielzahl
von thermoelektrischen Elementen erzeugt wird. Als Radionuklid dient Strontiumtitanat,
das zwar zur Gruppe der Radionuklide geringer Leistungsdichte gehört, aber nur eine
für den Betrieb von thermoelektrischen Elementen geeignete Temperatur zu erzeugen
vermag. Für eine Radionuklidbatterie mit thermionischer Energiewandlung ist dieses.
Radionuklid nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nukleare Energieversorgungsanlage,
insbesondere für Raumfahrtzwecke zu erstellen, die ein niedriges Leistungsgewicht
und eine lange Lebensdauer aufweist sowie relativ geringe Kosten, insbesondere für
den Isotopeneinsatz, verursacht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, .daß Radionuklide
geringer Leistungsdichte in einem zweidimensionalen Stabgitter dichtester Pakkung
derart angeordnet sind, daß sich im Gitter ein die Radionuklide enthaltender Stab
und ein wärmeleitender Stab abwechseln, und daß die Stäbe in flüssiges Metall eintauchen,
das in dem Metallblock vorgesehen ist.
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Bei der oben beschriebenen Radionuklidbatterie wird der Wandler durch
Isotope von geringer Leistungsdichte, z. B. durch Strontium-90-Oxid (9oSr0), auf
Betriebstemperatur gebracht. Die -unter überwindung eines allgemeinen Vorurteils
(vgl. zum Beispiel Euler, S. 36) - hierfür vorgesehenen Isotope geringer Leistungsdichte
besitzen eine große Halbwertzeit, so daß solche Energiequellen eine lange Betriebsdauer
aufweisen. Von diesen Isotopen haben die ß-Strahlen zwar eine besonders geringe
Leistungsdichte, lassen sich aber leicht und billig herstellen. Das gilt vor allem
für Strontium-90-Oxid, einem langlebigen ß-Strahler mit der relativ hohen Leistungsdichte
von 3,78 Watt/cms, bei dem auch noch die unerwünschte und schädliche y-Strahlung
verhältnismäßig gering ist.
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Bei Isotopen mit geringer Leistungsdichte benötigt man an sich große
Mengen, um hohe Temperaturen zu erzeugen, weil das Verhältnis Oberfläche zu erzeugter
Leistung sehr groß ist. Diese Mengen sind bekanntlich nicht einsetzbar, weil der
Isotopenkörper innen flüssig oder gar gasförmig werden würde.
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Für die hier verwendeten kleinen Mengen war eine Isolation mit bisher
nicht erreichtem Wärmewiderstand zu schaffen, um die Temperatur des mit dem Isotopentopf
gekoppelten thermionischen Wandlers auf eine für einen guten Wirkungsgrad notwendige
Höhe anwachsen zu lassen.
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Durch eine berührungslose Anordnung der Reflektoren werfen die Strahlung
zurück. Eine große Andes heißen Isotopentopfes verhindert. Die Reflektoren werfen
die Strahlung zurück. Eine große Anzahl von Reflektoren ist vorgesehen, um die Erwärmung
der einzelnen Reflektoren zu kompensieren, denn bekanntlich liegt der Reflexionsgrad
unter 100%, so daß jeder Reflektor einen Teil der Strahlungsenergie aufnimmt und
sich dadurch aufheizt. Ein aufgeheizter Reflektor strahlt seine Wärme nach
allen
Richtungen ab. Der nach außen folgende Reflektor wirft den größten Teil dieser Wärmeenergie
zurück, nimmt aber einen kleinen Teil auf, heizt sich ebenfalls auf, gibt diese
aus seiner Aufheizung stammende Wärmeenergie zum Teil an den dritten Reflektor weiter
und so fort, bis die Temperatur des äußersten Reflektors genügend niedrig ist. Eine
berührungslose Anordnung der Reflektoren verhindert eine Wärmeleitung.
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Die wechselweise Anordnung von Isotopen- und Wärmeleitstäben hat den
Zweck, die Temperaturdifferenzen zwischen der heißesten Stelle im Isotopentopf und
der kältesten Stelle, nämlich dem Emitter des thermionischen Wandlers so weit zu
reduzieren, daß trotz hoher Wandlertemperaturen die für die Materialien im Isotopentopf
zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Als Wärmebrücke zwischen den einzelnen
Stäben ist außerdem ein Flüssigmetall vorgesehen; dadurch werden Temperatursprünge
vermieden.
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Zweckmäßig ist es, als Wärmereflektoren dünne reflektierende Metallfolien
zu verwenden, die durch über die Folienfläche verteilte Körnchen bzw. Fäden sehr
geringen Durchmessers aus einem Wärmeisolationsmaterial auf Abstand gehalten sind.
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Durch die Verwendung dünner Metallfolien, die schichtweise mit geringem
Abstand aufeinander folgen, lassen sich zahlreiche Reflektoren auf sehr kleinen
Raum unterbringen. Die als Abstandshalter dienenden Körnchen bzw. Fäden sind derart
über der Folienfläche verteilt, daß die Folien selbst sich an keiner Stelle berühren
können.
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Die oben beschriebene Radionuklidbatterie wird an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es ist dargestellt in F i g. 1 eine Radionuklidbatterie mit 90Sr0
und thennionischem Wandler, F i g. 2 ein Radialschnitt durch den Isotopentopf, F
i g. 3 in vergrößertem Maßstab die Sicht auf einen Ausschnitt aus einer Reflektorschicht,
F i g. 4 ein Schnitt durch einen Teil .der Reflektorschichten, F i g. 5 ein nochmals
vergrößerter Ausschnitt aus F i g. 4.
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Im Inneren der Batterie (F i g. 1) befindet sich der Isotopentopf1
mit den mit ihm verbundenen Wärmeleitstäben 1', die mit dem Topf zusammen gesintert
oder auch gesondert eingeschweißt werden können. Um diese Wärmeleitstäbe 1' sind
in Sechseckform Radionuklide enthaltende Stäbe 2, im folgenden Isotopenstäbe genannt,
angeordnet (F i g. 2). Die Zwischenräume zwischen den Stäben 1' und 2 sind ausgefüllt
durch ein Flüssigmetall3, z. B. Kupfer. Durch diese wechselweise regelmäßige Anordnung
wird die in den Isotopenstäben 2 erzeugte Wärme durch Vermittlung des Flüssigmetalls
3 auf kürzestem Wege an die Wärmeleitstäbe 1' weitergegeben, ohne die Möglichkeit
des Auftretens von Temperaturspitzen, wie insbesondere aus F i g. 2 ersichtlich
ist.
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Die Isolation 4 verhindert in später noch erläuterter Weise unerwünschte
Wärmeverluste, so daß der größte Teil der im Isotopentopf erzeugten Wärme durch
die Wärmeleitstäbe 1' zur Emitterfläche 5 geleitet wird. Die heiße Emitterfläche5
sendet bekanntlich Elektronen aus, die vom Kollektor 6 aufgefangen und von dort
durch den Batteriemantel ? dem Verbraucher zugeführt wird. Die Rückleitung erfolgt
durch die isolierten Stromadern B. Die nicht zur Erfindung gehörige Vorrichtung
9 erzeugt Caesiumdampf, der zum Betrieb des thermionischen Wandlers notwendig ist.
Die von der heißen Emitterfläche 5 abgestrahlte Verlustwärme wird ebenfalls vom
Kollektor 6 aufgenommen; .dadurch heizt er sich auf. Da der Wirkungsgrad des Wandlers
mit der Höhe der Temperaturdifferenz zwischen Emitterfläche 5 und Kollektor 6 wächst,
wird der Kollektor 6 durch Ableitung der Verlustwärme in den Batteriemantel? gekühlt.
Der Batteriemantel 7 selbst wird durch Wärmeabstrahlung gekühlt.
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Die obenerwähnte Isolation 4 (F i g. 3 bis 5) besteht aus zahlreichen
Reflektoren 10, die bei diesem Ausführungsbeispiel als 0,025 mm dicke polierte Wolframfolien
ausgeführt sind, die in einem Abstand von 0,1 mm aufeinander folgen. Die einzelnen
Reflektoren 10 dürfen einander nicht berühren, weil sonst eine Wärmeleitung erfolgen
würde. Der Abstand ist gesichert durch Fäden 11 aus Isolationsmaterial von 0,1 mm
Durchmesser, .die in ausreichendem Abstand über die ganze Fläche der Reflektoren
10 verteilt sind. Die Kreuzungspunkte der Fäden sind z. B. verschweißt und auf Fadendurchmesser
gebracht. Natürlich können anstatt Fäden auch einzelne sinngemäß angeordnete Körner;
verwendet werden, die noch geringere Verluste durch Wärmeleitung aufweisen als Fäden.
Zwecks Verhinderung der Wärmeleitung durch Gase befinden sich die Reflektoren im
Vakuum, das durch ein nicht näher zu erläuterndes Loch im Batteriemantel ? auf Erden
erzeugt und im Weltenraum aufrechterhalten wird.
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Die Wirkungsweise der Isolation 4 beruht darauf, daß der innerste
Reflektor den größten Teil der vom Isotopentopf 1 ausgestrahlten Wärmeenergie auf
ihn zurückwirft; ein kleiner Teil wird jedoch absorbiert und heizt dadurch diesen
ersten Reflektor auf. Dieser heiße Reflektor emittiert seinerseits Wärme einmal
in Richtung auf den Isotopentopf 1 und andererseits in Richtung auf den zweiten
Reflektor, der wiederum den größten Teil auf den ersten Reflektor zurückwirft, sich
aber durch den kleinen absorbierten Anteil selbst aufheizt. Der erste Reflektor
wird durch die vom zweiten Reflektor zurückgestrahlte Wärme heißer und strahlt dadurch
noch mehr Wärme auf den Isotopentopf 1 ab. Diese Vorgänge wiederholen sich bei den
folgenden Reflektoren entsprechend; im stationären Fall herrscht dann ein Strahlungsgleichgewicht
zwischen den einzelnen Reflektoren. Daraus ist ersichtlich, daß eine große Anzahl
Reflektoren erforderlich ist, um die Abstrahlungsverluste des letzten Reflektors
auf .das zulässige Maß zu reduzieren. Eine besonders große Anzahl von Reflektoren
ist bei hohen Betriebstemperaturen erforderlich, da dasEmissionsverhältnis mit der
Temperatur steigt, der Reflexionsgrad dagegen sinkt.
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Nach vorliegender Erfindung hat eine Isolation, bei der z. B. 160
Reflektoren erforderlich sind, eine Dicke von nur 20 mm.
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Gegenüber bekannten Radionuklidbatterien konnte der Wirkungsgrad dieser
Anlage auf 13 bis 15 9/o, d. h. etwa um einen Faktor 3, gehoben werden.
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Steigt aber der Wirkungsgrad um das Dreifache, dann sinken die Kosten
und die Masse des Isotopeneinsatzes auf ein Drittel. Durch die Verringerung der
Isotopenmasse und durch die höhere Arbeitstemperatur von thermionischen Wandlern
sinkt die Gesamtmasse des Generators erheblich, weil bei höhe-
| ren_ Axheitstemguaturzu; sich- die für.- die:. Verlust= |
| wärme efordexliche Abstralilfläclie bedeutond* vea-- |
| ringert" da dieße- Fläche: mit: der viemten_ Potenz-
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| Tempesatur: ali_nimmt;° dadurch sinkt-. die Generator.=, |
| murkse. j(" elektrischer- Leistungseinheit: um. mehr.
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| dis: Hälfte der- lsliex-bekauntge_wordenen:Nonstrukn |
| tIonen-i. Eine geringe: Generatormasse-- ist besonders. |
| Fürs die: Ru@nfalirt- von besQndexer Bedeutung, da7 |
| die.- KQSten. für dez_ Transport: je- Kilogramm-. in den. |
| Raum sehr-hoch-sind. |
| Durch die Verwendung voeß7Strahlern,insbeson- |
| dexe vom@irQntium#-g0;.däs_ als?R:ea14torabfallpradükt |
| entfällt, lassen- sich die. I,'QSten. für- den: Lotopenein- |
| satz,, auf: etwa, ein Fünftel', verringern=. |
| Iim -usammenhang--mit der aus der Wirkungsgrad'- |
| verbesserungi resultie_rextd#,aKostenseukung von-einem: |
| IYxittel; ergibt: sie. eine: Cesamtvexbilligung° aast ein. |
| Bünfzehnteh Durch; die: Verwendung: von, ß--Strahlern; |
| mit; grQßer: Halbwettzeitläßt:sieliimühelös eine--mehrt |
| jährige.. bebensdauer,- bei- fast konstanter- Leistung: |
| erreiöhens. |