DE1564409C3 - Elektrischer Generator mit einer Brennstoffkapsel - Google Patents

Elektrischer Generator mit einer Brennstoffkapsel

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus Kernenergie mit einer Brennstoffkapsel, in der ein Alpha-aktives Isotop in Verbindung mit einem anderen Element enthalten ist. Ein derartiger Generator ist aus der Zeitschrift »Weltraumfahrt«, Bd. 14 (1963), S. 101 bis 106, bekannt.
Mit Radioisotopen betriebene Generatoren sind besonders wichtig für Raumfahrtaufgaben, um die Energie zu liefern, die von den Instrumenten des Raumfahrzeuges benötigt wird. Diese Generatoren sind auch in Situationen nützlich, in denen die Notwendigkeit für eine ungewartete kleine Energiequelle mit langer Lebensdauer besteht, die verhältnismäßig unempfindlich gegen die Bedingungen und Gefahren ihrer Umgebung ist. Derartige Verwendungszwecke umfassen solche auf der Erde, wie etwa Navigationshilfsgeräte in abgelegenen Gebieten, Fernmeldeverbindungsverstärkangsstationen, Forstwarneinrichtungen und Ozeankabelverstärker. Ebenso ist die Verwendung in einer Herzschrittmachervorrichtung von Bedeutung, um das Leben von Personen mit gewissen Herzfehlern zu verlängern.
Für Raumfahrtaufgaben, insbesondere in bemannten Raumschiffen, tragen die Abschirmungsanforderungen gegen Strahlung bedeutsam zum Gesamtgewicht des Raumfahrzeuges bei. Die Raumfahrer benötigen eine Abschirmung nicht nur gegen äußere Strahlung, sondern auch gegen die Strahlungen, die von der Isotopen-Energiequelle selbst abgestrahlt werden.
Im allgemeinen werden Isotope, die Alpha-Teilchen aussenden, für Brennstoffzwecke in bemannten Raumflügen bevorzugt, weil sie verhältnismäßig leicht abzuschirmen sind. Beispielhaft für solch einen geeigneten Brennstoff ist das Isotop Plutonium238. Die Alphateilchen abstrahlenden Isotope sind jedoch normalerweise nicht als Brennstoff in elementarer Form verwendbar, sondern sind in der Form von Zusammensetzungen, Legierungen und Mischungen vorhanden, um einen Brennstoff zur Verfugung zu stellen, der bezüglich Schmelzpunkt, Härte, Bequemlichkeit der Herstellung und Handhabung geeignete Eigenschaften hat und außerdem noch andere damit zusammenhängende physikalische und metallurgische Merkmale aufweist.
Aus der bereits erwähnten Zeitschrift »Weltraumfahrt« ist ein elektrischer Generator bekannt, der eine Brennstoffkapsel mit einem Alpha-aktiven Isotop in Verbindung mit Sauerstoff enthält.
Während die Alpha-Aktivität nur eine minimale Abschirmung erfordert, hat die sich aus der Kernreaktion der Alphateilchen mit Material in der direkten Umgebung ergebende sekundäre Strahlung zur Folge, daß eine bedeutsame Erhöhung in den Abschirmungserfordernissen eintritt. Die wichtigste sekundäre Strahlung, die eine Abschirmung erfordert, ergibt sich aus der Alpha-Neutronenreaktion, bei der ein Element durch Absorption eines Alphateilchens umgewandelt wird, wobei ein Neutron den angeregten Kern verläßt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das
Austreten von Neutronen aus einem elektrischen Generator der eingangs genannten Art zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem elektrischen' Generator mit einer Brennstoffkapsel, in der ein Alpha-aktives Isotop in Verbindung mit einem anderen Element enthalten ist, dadurch gelöst, daß bei dem anderen Element das Isotop, dessen Schwelle für die Alpha-Neutronenreaktionen oberhalb der Höchstenergie der Alpha-Teilchen liegt, gegenüber der natürlichen Zusammensetzung angereichert ist. Das andere Element mit dem angreicherten Isotop wird dabei vorteilhafterweise aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium und Chlor ausgewählt.
Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird auf die einzige Figur der Zeichnung hingewiesen, die eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Generators 1 mit Brennstoffkapsel zeigt. Ein äußeres Gehäuse 2 in der Form einer dünnen, zylindrischen Metalldose schützt die inneren Bestandteile gegen Verschmutzung und kann erforderlichenfalls als Wärmeabstrahier dienen. Eine Strahlungsabschirmung 3 ist erforderlich, um die Sicherheitsanforderungen bei der Handhabung des Generators beim Start und nach dem Aufprall zu erfüllen und um Astronauten bei bemannten Raumflügen zu schützen. Diese Abschirmung ist von hoher Dichte und besteht z. B. aus Blei, erschöpftem Uran oder Gußeisen. Eine Neutronenabschirmung mit niederer Dichte, wie etwa Lithiumhydrid, ist ebenfalls erforderlich.
Ein Energiewandlerabschnitt 4 wird benutzt, um einen Teil der entstehenden Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Er kann aus einer Anordnung von thermoelektrischen Elementen oder thermoionischen Wandlern bestehen. Im Innern des Generators befindet sich eine Brennstoffkapsel 5, in der ein radioisotopisches Brennstoff material 6 von einer Kapselwand? eingeschlossen ist.
Fast alle Kernteilchen, die von dem zerfallenden radioisotopischen Brennstoff emittiert werden, werden im Inneren der Brennstoffkapsel absorbiert und erhöhen damit die Kapseltemperatur. Im allgemeinen werden ungefähr 5 bis 10% des gesamten Wärmeflusses, wie er durch Richtungspfeile dargestellt ist, in Elektrizität verwandelt. Die restliche Wärmeenergie wird an die Umgebung abgegeben.
Wegen der physikalischen und metallurgischen Anforderungen an das Brennstoffmaterial kann ein Alpha-Teilchen abstrahlendes Isotop nicht in der elementaren Form benutzt werden. Beispielsweise hat Pu238 einen Schmelzpunkt, der zwischen 120° C und 640° C liegt, je nach seinem kristallinen Aufbau.
Demgegenüber schmilzt PuC bei 1654° C, PuO2 bei 2282° C, PuN bei 2450° C und PuB bei 2040° C. Deshalb werden die radioisotopischen Materialien normalerweise in der Form von Verbindungen, Legierungen oder nicht stöchiometrischen Mischungen benutzt.
Es ist nun das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Neutronenerzeugung, die sich aus einer Alpha-Neutronenreaktion ergibt, wesentlich verringert wird, indem der Bestandteil, der mit dem Alpha-Teilchen abstrahlenden Isotop kombiniert wird, so gewählt wird, daß die Schwelle für die Alpha-Neutronenreaktion größer ist als die Maximalenergie der abgestrahlten Alpha-Teilchen. Im allgemeinen ist eine Schwelle über ungefähr 5,6 MeV erforderlich, wobei der genaue Wert von der Alpha-Teilchen abstrahlenden Quelle abhängt.
Die Wahl des Alpha-Teilchen abstrahlenden Isotops und seiner Kombinationskomponente wird durch viele Faktoren bestimmt. Wie bereits erwähnt, spielen metallurgische und physikalische Eigenschaften eine primäre Rolle. Ebenso von Bedeutung ist die Verträglichkeit des Brennstoffmaterials mit Verkleidungsmaterialien, genau wie seine chemische Stabilität, Verfügbarkeit und Kosten. Wo eine Raumfahrtaufgabe von kurzer Dauer in Frage kommt, ist ein Isotop, wie etwa Polonium210, das eine Halbwertszeit von 138 Tagen hat, geeignet. Für eine Marsaufgabe, die ungefähr zwei Jahre erfordern würde, muß ein Isotop längerer Lebensdauer, wie etwa Plutonium238, verwendet werden, das eine Halbwertszeit von 90 Jahren hat. Ebenso hängt die Wahl des Isotops teilweise von der relativen Freiheit des Alpha-Teilchen abstrahlenden Isotops von anderen primären Abstrahlungen ab, wie etwa Gamma-Strahlen und Neutronen. Dieser Gesichtspunkt macht die Verwendung von Pu238 ebenfalls vorteilhaft. Weitere Beispiele geeigneter Alpha-Teilchen abstrahlender Isotope sind: Th228; u232, Cm242, Cm244 und Am241.
In der Tabelle ist die Schwellenenergie für die Alpha-Neutronen-Reaktion von für die vorliegende Erfindung geeigneten Isotopen und deren relative Häufigkeit aufgeführt.
% Häufigkeit Schwellenenergie
Isotop für (α, η)
98,9 Reaktion (Mev)
C12 1,1 ~~ 11,25
c« 99,62 0 (Q pos.)
N" 0,38 6,1
N15 99,76 8,15
O16 0,04 15,2
O17 0,20 0 (Q pos.)
O18 92,3 0,86
Si28 4,7 8,25
Si2» 3,0 1,72
Si30 95,1 3,95
S32 0,74 9,77
S33 4,2 0,75
S34 0,0136 5,06
S36 75,4 3,40
Cl3* 24,6 6,52
Q37 4,28
Nach der Erfindung würde, wenn das Alphaabstrahlende Isotop beispielsweise in der Form seines Karbids verwendet wird, das C13-Isotop durch eine geeignete Behandlung entfernt, so daß das Karbid im wesentlichen frei von dem C13-Isotop ist und fast ausschließlich aus dem C12-Isotop bestehen könnte. Da die Schwellenenergie des C12-Isotops 11,25 Mev
(s. Tabelle) ist, tritt keine Alpha-Neutronenreaktion auf, und die Neutronenabgabe wird wesentlich verringert oder sogar ausgeschaltet. Falls Plutoniumoxyd (PuO2) verwendet wird, besteht der radioaktive Brennstoff dann im wesentlichen aus Pu238O2 16, da
ίο die Schwellenenergie von O16 für die Alphä-Neu-. tronenreaktion 15,2 Mev ist, während die Schwellenenergie der O17- und O18-Isotope beträchtlich geringer ist.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile werden in dem folgenden Beispiel an Hand der Verbindungen Po21OO2 16 und Pu238O2 16 illustriert.
Zwei Proben von radioaktivem Polonium210 werden verglichen. Die Proben bestehen aus PoCl4, das auf Glas abgelagert ist. Eine Probe wird in destilliertem
ao Wasser aufgelöst, das Sauerstoff von natürlicher Häufigkeit enthält (99,759 °/o O16, 0,037 °/o O17, 0,204 °/o O18), und die andere in Wasser, das mit O16 angereichert ist (0,007% O17, 0,007% O18, Rest O16). Eine geringe Menge von HCl wird zu beiden Lösungen hinzugefügt, um eine Ablagerung von Po auf den Wänden des Behälters zu verhüten. Von beiden Lösungen werden dann gleiche Volumen in Behälter gleicher Größe gebracht, so daß das Verhältnis der in einer festen Geometrie gemessenen Zählraten für Neutronen das gewünschte Verhältnis der Neutronenproduktionsraten ist. Die Neutronen von der Quellenlösung werden mit Paraffin gebremst, um die Benutzung eines Bor-Trifluorid-Neutronendetektors zu gestatten. Dieser Detektor ist wirksam bis ungefähr 10% für Neutronen, die in das empfindliche Volumen eintreten. Der Querschnittsbereich für den Detektor wird so gewählt, daß er ungefähr 20 cm2 ist. Für eine gewünschte Zählrate von 1000 Zählungen/Minute von der Lösung von normalem Wasser und einer 3 cm starken Schicht Paraffin sind ungefähr 105 Neutronen/Minute von der Radioisotopenquelle erforderlich. Eine Curie an Po210 erzeugt 1,33 · 105n/Min. Unter Verwendung eines Curie von Po210 für jede der Proben werden ungefähr 1000 Zählungen/Minute für die Lösung von normalem Wasser erzielt und ungefähr 1000/30 oder ungefähr 30 Zählungen/Minute für das mit O16 angereicherte Wasser (d. h. Wasser, dessen O18-Gehalt um den Faktor 30 verringert ist). Polonium210 sendet Alpha-Teilchen mit einer Energie von 5,3 Mev aus, verglichen mit 5,5 Mev für Pu238. Gemäß den Angaben von Serdiukova u. a., »Investigation of the (α,η) Reaction on Oxygen«, Bull. Acad. Sei. USSR (Physikalische Serie), Bd. 21, S. 1018 (1957), ist die Neutronenquelle von einer Alpha-Neutronenreaktion in Sauerstoff proportional hauptsächlich der O18-Konzentration. Im vorliegenden Fall wird durch Entzug der O17- und O18-Isotope eine bedeutsame Verbesserung bei der Verringerung der Abstrahlung von sekundären Neutronen erzielt, indem ein mit O16 angereichertes Alpha-aktives Oxid verwendet wird.
Wenn reines Pu238O2 16 verwendet wird, wobei die O17- und O18-Isotope von Sauerstoff vollständig ausgeschaltet sind, kann die Gesamtneutronenintensität um den Faktor von 16 verringert werden. Aber sogar mit verfügbarem, O16-angereichertem Wasser, das 0,007% O17 und 0,007% O18 enthält, ergibt sich eine Verringerung der Alpha-Neutronen-Intensität um
einen Faktor γοη ungefähr 27. So ist bei einer Konr struktion, bei der eine 28 cm dicke Lithiurnhydridr Neutrpnenabschirnuing für eine Pu238-Oxidquelle er.T forderlich ist unter Verwendung vpn natürlichem Sauerstoff, eine Verringerung der Abschirmungsstärke auf 12,7 cm möglich durch Verwendung der obigen verfügbaren Ö16Tangpreicherten Quelle. So würde für ein Raumfahrzeug, das als Quelle Pu??8Q2 verwendet, das normalen Sauerstoff enthält, die 28 cm starke LithiumhydridrAbschirmung ungefähr 450 kg wiegen. Mit Pu238O2, das angereichertes Q^ enthält, wiegt eine 12,7 cm starke Abschirmung ungefahr 180 kg, was zu einer Ge.wichtsersparais von 270 kg führt." Diese Verringerung des Gewichtes ist für ein Raumfahrzeug selbstverständlich hoch bedeutsam.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

  1. Patentansprüche:
    ■ 1. Elektrischer Generator mit einer Brennstollkapsel, in der ein Alpha-aktives Isotop in Verbindung mit einem anderen Element enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem anderen Element das Isotop, dessen Schwelle für die Alpha-Neutronenreaktion oberhalb der Höchstenergie der Alpha-Teilchen liegt, gegenüber der natürlichen Zusammensetzung angereichert ist.
  2. 2. Elektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Element mit dem angereicherten Isotop aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium und Chlor ausgewählt ist.
DE1564409A 1965-06-17 1966-06-16 Elektrischer Generator mit einer Brennstoffkapsel Expired DE1564409C3 (de)

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