DE19602875A1

DE19602875A1 - Leichte Isotopenbatterie

Info

Publication number: DE19602875A1
Application number: DE19602875A
Authority: DE
Inventors: Frederik Prof Dr Boody; Reinhard Prof Dr Hoepfl; Heinrich Prof Dr Dr Hora; Mark A Prof Dr Prelas; Christoph Dipl Phys Scheffel; Thomas Dipl Ing Zeitzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-07-31

Description

Radionuklidbatterien sind seit der Moseleyschen Anordnung von 1913 mit Direktumwandlung der Beta-Elektronen in Hochspannungselektrizität in vielen weiteren Variationen bekannt (A. Scharmann, "Energie-Direktumwandlung - Radionuklidbatterien, Thiemig Verlag München 1967) und werden trotz der hohen Kosten und des hohen Gewichtes in speziellen Aufgaben, z. B. in der Raumfahrt verwendet. Beispiele sind die SNAP7-Batterie mit Strontium-90, die mit 6 Jahren Lebensdauer 5 Watt elektrisch liefert und eine Masse von 750 kg hat. Die LOG 25A Batterie liefert 25 Watt Leistung und hat eine Masse von 1350 kg.

Die bisher hergestellten Batterien hatten deshalb einen sehr geringen Wirkungsgrad, da die Energieumwandlung thermoelektrisch, oder über Lumineszenz photoelektrisch oder mit sehr ineffizienter Photoemission betrieben wurde. Eine besondere Verbesserung wird erzielt, wenn die Betaaktivität eine direkte elektronische Anregung der beteiligten Gasatome erzeugt, wobei bis 50% der Elektronenenergie in eine schmalbandige Excimerlinie übergeht. Wenn nun eine photovoltaische Zelle gefunden wird, deren Anregungsenergie nicht viel unter diesem Excimerband liegt, kann man einen sehr hohen (bis 60% und mehr) Wirkungsgrad der Photozellen erhalten, wobei sich insbesondere die neuen Diamant p-n-Übergänge, hergestellt im preisgünstigen CVD-Verfahren [Hora und Prelas, Diamond and Related Materials, 4, 1376 (1995)] besonders bewähren (Prelas und Hora, Deutsche Offenlegungsschrift 43 00 225.A1).

Ein Problem bei diesen Batterien ist die Entfernung des Zerfallsproduktes der Edelgase, das in Alkaliatomen besteht (z. B. Rubidium oder Kalium). Verschiedene Vorschläge mit Kühlfingern oder Getterprozesse wurden diskutiert. Eine Lösung dieses Problems mit gleichzeitiger Nutzung und Verbesserung der RNB besteht darin (Ch. Scheffel, Deutsche Patentanmeldung Nr. 196 00 607.4), daß dem Edelgas eine stöchiometrische Menge Chlor oder Fluor zugegeben wird, mit dem das Betazerfallsprodukt sofort reagiert und ein Halogensalz bildet, das sich an der Innenwand der RNB niederschlägt, die mit der photovoltaischen Schicht überzogen ist. Die niedergeschlagene Schicht ist optisch bis ins Vakuum-UV durchsichtig, so daß die Excimerstrahlung die darunter liegende photovoltaische Schicht erreicht und sich dort wie ohne die Schicht in Elektrizität umwandelt. Der Vorteil der Schicht besteht aber weiterhin darin, daß damit ein Schutz der photovoltaischen Schicht vor den an die Wand auffallenden Betaelektronen gegeben wird sowie die Röntgen- und (im Fall von Krypton-85) die Gamma- Strahlung absorbiert wird, womit die photovoltaische Schicht vor der Entstehung von Strahlungsdefekten geschützt wird.

Bei der Entwicklung dieser RNB mit dem Ziel eines kleinstmöglichen Volumens und einer kleinsten Masse ergaben sich die Schwierigkeiten, daß bei hohen Drücken der Excimermechanismus beeinträchtigt wird und/oder durch den Zusatz der Halogengase der Anteil der Excimerstrahlung sich durch strahlungslose Excimerübergänge verringert.

Erfindungsgemäß wird das dadurch überwunden, daß das kleinstmögliche Volumen und die kleinstmögliche Masse der RNB erreicht wird, indem die Batterie mit optimalen Eigenschaften ausgestattet wird, wobei Variationen der erfindungsgemäß gegebenen optimalen Werte um plus minus 30% abgedeckt werden. Einige Beispiele für die erfindungsgemäßen Optimalwerte einer Batterie werden im folgenden gegeben. Mit Krypton-85 für 500 Watt elektrische Leistung bei zweÿährigem Betrieb (Anfangsleistung 567,75 Watt) ist bei Isotopenanreicherung im Gas von 50% (respektive 19%) mit einer Photovoltaik mit Diamantschichten der Fülldruck von 385 (330) bar, eine Betriebstemperatur von 325,7 (219,5) Grad Celsius und eine Wanddicke eines kugelförmigen Druckbehälters aus Beryllium von 1,36 (1,57) cm. Der Außendurchmesser ist 26.08 (43.69) cm. Die Masse einschließlich Abschirmung mit Uran gegen die Elektronik beträgt 36.25 (107.42) kg. Ohne Abschirmung ist die Gesamtmasse der Batterie 15.37 (60,2) kg. Wenn man anstelle von Diamant-p-n-Photovoltaik solche mit GaAsP (Wirkungsgrad 9.5%) verwendet, ist die Gesamtmasse für 50%ig (bzw. 10%ig) angereichertes Krypton-85-Isotop im Gas 77.21 (bzw. 245.4 kg).

Im einzelnen sind die erfindungsgemäßen Eigenschaften der RNB die folgenden Werte. 100 Watt RNB wird Krypton-85-Füllung mit Uranabschirmung für Elektronik mit einem Gewicht von 102 kg und 3.3 Liter Volumen und bei Bleiabschirmung 122 kg und 27 Liter gegeben. Für eine 100 Watt RNB mit Argon-39-Füllung sind mit Uranabschirmung für Elektronik das Gewicht 100 kg und das Volumen 3 Liter, und mit Bleiabschirmung 105,5 kg bei 2,7 Liter.

Claims

1. Radionuklidbatterie unter Verwendung von Betastrahlern, gekennzeichnet dadurch, daß die Umwandlung der Energie der Betaelektronen in Excimergasen erfolgt mit photovoltaischer Umwandlung der Excimerenergie in Elektronenergie mit einem Druck des Excimergases nicht mehr als 30% Abweichung vom Optimalwert für geringste Verluste durch strahlungslose Excimerübergänge;

2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Betastrahler Gase verwendet werden;

3. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Betastrahler Edelgasisotope verwendet werden;

4. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Betastrahler Tritium verwendet wird;

5. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Betastrahler Moleküle mit betastrahlenden Isotopen verwendet werden;

6. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Excimergas in einem kugelförmigen Behälter untergebracht wird;

7. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckbehälter Beryllium ist;

8. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckbehälter aus Kohlefasern oder Daimant besteht;

9. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die photovoltaische Energieumwandlung mit p-n-Schichten erzeugt wird;

10. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die photovoltaische Energieumwandlung mit p-n-Übergängen großer Bandbreite nah der Excimerlinie bewerkstelligt wird,

11. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die photovoltaische Energieumwandlung mit Diamant-p-n-Schichten bewerkstelligt wird.