DE1564070C - Radionuklidbatterie mit thermionischer Energiewandlung - Google Patents

Description

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Die Erfindung, betrifft eine Radionuklidbatterie aus UC- und UC₂-Kristallen und aus ganz wenigen mit thermionischer Energiewandlung, bestehend aus und nicht beabsichtigten UgCg-Kristallen. ■ · einem allseits verschlossenen Vakuumgefäß, in dem Eine weitere Radionuklidbatterie ist in der Zeitein den Emitter eines thermionischen Konverters schrift »Electronics« vom 6. April 1962, S. 40 bis 42, tragender und Radionuklide einschließender Metall- 5 beschrieben. Bei dieser Batterie handelt es sich aber ' block untergebracht ist, bei der zwischen dem Me- um einen thermoelektrischen Wandler, da die elektallblock und der Wand des Vakuumgefäßes Wärme- irische Energie mit einer Vielzahl von thermoreflektoren in Schichten angeordnet sind, die durch elektrischen Elementen erzeugt wird. Als Radiowärmeisolierende Abstandshalter und Vakuum von- nuklid dient Strontiumtitanat, das zwar zur Gruppe einander getrennt sind. ' io der Radionuklide geringer Leistungsdichte gehört, >

Eine derartige Radionuklidbatterie ist aus der aber nur eine für den Betrieb von thermoelektrischen Zeitschrift »Atomkernenergie«, 9. Jahrgang, 1964, Elementen geeignete Temperatur zu erzeugen verHeft 1/2, S. 64 bis 67, bekannt, mag. Für eine Radionuklidbatterie mit thermioni-

Zum Betrieb eines thermionischen Wandlers scher Energiewandlung ist dieses Radionuklid nicht

braucht man hohe Temperaturen von etwa 1500 bis 15 geeignet.

2000° K. Diese Temperaturen lassen sich mit einem Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Isotopenofen nur schwer erreichen (nach Euler, nukleare Energieversorgungsanlage, insbesondere für

Neue Wege zur Stromerzeugung, Frankfurt/Main, Raumfahrtzwecke zu erstellen, die ein niedriges Lei-

1963, S. 38). Deshalb sind bisher nur solche ther- stungsgewicht und eine lange Lebensdauer aufweist

mische Radionuklidbatterien bekanntgeworden, bei 20 sowie relativ geringe Kosten, insbesondere für den

denen die Isotopenstrahlung mit Hilfe von Termo- Isotopeneinsatz, verursacht.

elementen in nutzbare elektrische Energie umgesetzt Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gewird; sie haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad löst, daß Radionuklide geringer Leistungsdichte, in und sind deshalb für manche Zwecke, z. B. für die einem zweidimensionalen Stabgitter dichtester Pak-Raumfahrt, zu schwer und unwirtschaftlich. 25 kung derart angeordnet sind, daß sich im Gitter ein

Thermische Radionuklidbatterien, in denen die die Radionuklide enthaltender Stab und ein wärme-

Wärme mit Hilfe von thermionischen Dioden in leitender Stab abwechseln, und daß die Stäbe in flüs-

Elektrizität umgewandelt wird, lassen sich mit reinem siges Metall eintauchen, das in dem Metallblock

Strontium-90 nicht verwirklichen, weil der Schmelz- vorgesehen ist. ...'"'

punkt von 1073° K weit unter der Betriebstempe- 30 Bei der oben beschriebenen Radionuklidbatterie

ratur von thermionischen Wandlern liegt. wird der Wandler durch Isotope von geringer Lei-

Auch Strontiumoxid (⁹⁰SrO) wird trotz seines stüngsdichte, z. B. durch Strontium-90-Oxid (⁹⁰SrO),

Schmelzpunktes von 2703⁰K für ungeeignet gehalten auf Betriebstemperatur gebracht. Die — unter Über-

(vgl.'Euler, S. 36), weil infolge der geringen Lei- windung eines allgemeinen Vorurteils (vgl. zum Bei-

stungsdichte wirtschaftlich und gewichtlich vertret- 35 spiel EuIer, S. 36) — hierfür vorgesehenen Isotope

bare Mengen nicht ausreichen, die Betriebstempe- geringer Leistungsdichte besitzen eine große HaIb-

ratur von thermionischen Wandlern zu erreichen... wertzeit, so daß solche Energiequellen eine lange

Es ist bekannt, thermionische Radipnuklidbatte- Betriebsdauer aufweisen. Von diesen Isotopen haben

rien mit einem Radionuklid hoher Leistungsdichte die /J-Strahlen zwar eine besonders geringe Lei-

auf Betriebstemperatur zu bringen. Eine derartige 4° stüngsdichte, lassen sich aber leicht und billig her-

Radionuklidbatterie ist z.B. in der Zeitschrift »Atom- stellen. Das gilt vor allem für Strontium-90-Oxid,

energie«, 9. Jahrgang, 1964, Heft 1/2, S; 64 bis 67, einem langlebigen /3-Strahler mit der relativ hohen

beschrieben. Derartige Radionuklidbatterien haben Leistungsdichte von 3,78 Watt/cm³, bei dem auch

aber eine sehr geringe Lebensdauer von z. B. 4 bis noch die unerwünschte und schädliche y-Strahlung

5 Monaten, die durch die geringe Halbwertzeit des 45 verhältnismäßig gering ist.

Radionuklids bedingt ist. Für den Einsatz in der Bei Isotopen mit geringer Leistungsdichte be-

Raumfahrttechnik sind daher derartige Radionuklid- nötigt man an sich große Mengen, um hohe Tempe-

batterien ungeeignet. - ■ · raturen zu erzeugen, weil das Verhältnis Oberfläche

Es ist auch bekannt, Radionuklide aus der Gruppe zu erzeugter Leistung sehr groß ist. Diese Mengen

geringer Leistungsdichte für thermionische Radio- 5° sind bekanntlich nicht einsetzbar, weil der Isotopen-

nuklidbatterien zu verwenden. In der USA.-Patent- körper innen flüssig oder gar gasförmig werden

schrift 3 232 717 ist z.B. eine Radionuklidbatterie würde. ' . : ;■

beschrieben, bei der der thermionische Wandler Für die hier verwendeten kleinen Mengen war

durch Urankarbid, das zu der Gruppe der Radio- eine Isolation mit bisher nicht erreichtem Wärme-

nuklide geringer Leistungsdichte gehört, auf Be- 55 widerstand zu schaffen, um die Temperatur des mit

tricbstemperatur gebracht wird. Da das Urankarbid dem Isotopentopf gekoppelten thermionischen

ein keramischer Werkstoff ist, der bei den auftreten- Wandlers auf eine für einen guten Wirkungsgrad

den hohen Temperaturen sehr leicht reißen würde, notwendige Höhe anwachsen zu lassen,

ist das Urankarbid mit einem Metall, z. B. Wolfram Durch eine berührungslose Anordnung der Reflek-

oder Rhenium, zu einem Sinterwerkstoff verarbeitet. 60 toren im Vakuum wird die Ableitung der Wärme

Hierbei bilden der Elektronenemitter und die Radio- des heißen Isotopentopfes verhindert. Die Reflek-

nuklide ein Bauteil. toren werfen die Strahlung zurück. Eine große An-

Nachteilig ist hierbei, daß sowohl bei der Herstel- zahl von Reflektoren ist vorgesehen, um die Erwartung des Sinterwerkstoffes als auch beim Betrieb der mung der einzelnen Reflektoren zu kompensieren, Radionuklidbatterie Vorkehrungen zum Schutz des 65 denn bekanntlich liegt der Reflexionsgrad unter Urankarbids getroffen werden müssen, da dieses bei 100%, so daß jeder Reflektor einen Teil der Strahhohen Temperaturen leicht mit anderen Werkstoffen lungsenergie aufnimmt und sich dadurch aufheizt, reagiert. Das Urankarbid besteht im wesentlichen 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. ^!

Die wjchselweise 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.

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.

Durch die Verwendung dünner Metällfolien, 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.

Die oben beschriebene Radionuklidbatterie wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es ist dargestellt in

F i g. 1 eine Radionuklidbatterie mit ⁹⁰SrO und thermionischem Wandler,

Fig.2 ein Radialschnitt durch den isotopentopf,

Fig.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 Fig. 4.

Im Inneren der Batterie (F i g. 1) befindet sich der Isotopentopf 1 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 (Fig. 2). Die Zwischenräume zwischen den Stäben 1' und 2 sind ausgefüllt durch ein Flüssigmetall 3, 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..

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 Emitterfläche 5 sendet bekanntlich Elektronen aus, die vom Kollektor 6 aufgefangen und von dort durch den Batteriemantel 7 dem Verbraucher zugeführt wird. Die Rückleitung erfolgt durch die isolierten Stromadern 8. 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 7 gekühlt. Der Batteriemantel 7 selbst wird durch Wärmeabstrahlung gekühlt.

Die obenerwähnte Isolation 4 (Fig. 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 0,1mm 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 7 auf Erden erzeugt und im Weltenraum aufrechterhalten wird.

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.

Nach vorliegender Erfindung hat eine Isolation, bei der z. B. 160 Reflektoren erforderlich sind, eine Dicke von nur 20 mm.

Gegenüber bekannten Radionuklidbatterien konnte der Wirkungsgrad dieser Anlage auf 13 bis 15°/o, d. h. etwa um einen Faktor 3, gehoben werden.

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 Arbeitstemperaturen sich die für die Verlustwärme erforderliche Äbstrahlfläche bedeutend verringert da diese Fläche mit der vierten Potenz der Temperatur abnimmt; dadurch sinkt die Generatormasse je elektrischer Leistungseinheit um mehr als die Hälfte der bisher bekanntgewordenen Konstruktionen. Eine geringe Generatormasse ist besonders ·-. für die Raumfahrt von besonderer Bedeutung, da die Kosten für den Transport je Kilogramm in den Raum sehr hoch sind. · ,. · - ■ V

Durch die Verwendung von /3-Strahlern, insbesondere von Strontium-90, das als Reaktorabfallprodukt entfällt, lassen sich die Kosten für den Isotopeneinsatz auf etwa ein Fünftel verringern. ..■■

Im Zusammenhang mit der aus der Wirkungsgradverbesserung resultierenden Kostensenkung von einem Drittel ergibt sich eine Gesamtverbilligung auf ein Fünfzehntel. Durch die Verwendung von ^-Strahlern mit großer Halbwertzeit läßt sich mühelos eine mehrjährige Lebensdauer bei fast konstanter Leistung erreichen. .

Claims (4)

. Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß Radionuklide geringer Leistungsdichte in einem zweidimensionalen Stabgitter dichtester Packung derart angeordnet sind, daß sich im Gitter ein die Radionuklide enthaltender Stab (2) und ein wärmeleitender Stab (Γ) abwechseln, und daß die Stäbe (2, Γ) in flüssiges Metall (3). eintauchen, das in dem Metallblock vorgesehen ist. . ·■:■■.

2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, da-. durch gekennzeichnet, daß 160 bis 200 Wärmereflektoren vorgesehen sind.

3. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmereflektoren aus dünnen reflektierenden Metallfolien (10) bestehen. -

4. Radionuklidbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus über die gesamte Folienfläche verteilten Körnchen oder Fäden (11) sehr geringen Durchmessers bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen