DE1961768A1 - Kobalt-Rhenium-Energiequelle - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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DlPL₁-INS. DR. IUR. DIPI—ΙΝΘ. VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSfe

45 Osnabrück , den 8. Dezember I969

MOSERSTRASSE 20/24 DB/Ka

United States Atomic Energy Commission Germantown, Maryland U.S.A.

Kobalt-Rhenium-Energiequelle

Die Erfindung bezieht sieh auf radioisotopisehe Energiequellen zur Erzeugung von Strahlung und Wärme. Derartige Energiequellen finden beispielsweise Anwendung zum Antrieb thermionischer oder thermoelektrischer Vorrichtungen zur Er' Zeugung van elektrischem Strom über lange Zeitspannen ohne Wiederaufladung oder Brennstoffnaehsahub. Im Interesse des thermodynamischen Wirkungsgrades ist es wünschenswert_a daß diese Vorrichtungen hei erhöhten Temperaturen arbeiten. Temperaturen von über etwa 150O⁰C haben sieh als geeignet erwiesen,

K©batlt~6Q ist ein bekannter Treibstoff für eine radioaktive Energiequelle« Er ist sowohl ein Beta- als auQh ein Gamma-Strahler Kit; einer Halbwertzeit von 5,3 Jahren und einer

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Leistung von 17,4 Watt pro Gramm reinem Kobalt-60. Ein isotopisches Gemisch aus Kobalt-60 und Kobalt-59 wird ohne weiteres durch Bestrahlung von Kobalt-59 mit Neutronen von einem Kernreaktor oder einer anderen Neutronenquelle gebildet. Derart gebildete isotopische Gemische haben eine Aktivität bis zu etwa 700 Curie pro Gramm und eine Leistung bis zu etwa 10 Watt pro Gramm.»

Da Kobalt-60 eine Gammastrahlenquelle darstellt» kann er schädliche physiologische Wirkungen hervorrufen. Es ist daher wesentlich, daß diese Radioisotopen sorgfältig aufbewahrt und angemessen abgeschirmt werden. Die Verwendung des Isotops in pulverisierter Form wird wegen der größeren Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Entweichens mit sich daraus ergebender Strahlungsgefahr abgelehnt. Eine sichere Aufbewahrung bzw» Unterbringung bei erhöhten Temperaturen, die für eine wirksame Umwandlung von Wärme in Elektrizität notwendig sind, hat sich infolge der Verdaiapungsfähigkeit (atmosphärische:»* Siedepunkt bei 290O⁰O) und des niedrigen Schmelzpunktes (iH95°C> von metallisQhem. Kobalt als schwierig erwiesen. Geschmolzener Kobalt dringt leicht in viele der möglichen hochtemperaturfeaten Materialien von Behältern ein und kann sich danach aus den B§hälterw8ncten entweichen und die Umgebung eier

ί Energiequelle verseuchen.» Weiterhin kann das Eindringe**, ψχη

das ffettriai der Behälter strukturell sebwlehtn unä Legierungen mit Soliduatemperaturen. feilden_?

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die unter derjenigen des geschmolzenen Kobalts liefen. Es ist daher zweckmäßig, radioaktiven Kobalt zur leichteren Aufbewahrung bzw. Abkapselung in fester Form beizubehalten.

Bekannte Kobalt-Rhenium-Legierungen haben Schmelzpunkte, die wesentlich über dem Schmelzpunkt von Kobalt liegen, und sind daher für eine Verwendung als Hochtemperatur-Energiequellen geeignet (Raab, "Cobalt-60 as a Thermionic Fuel for Multikilowatt Applications", Advances in Energy Conversion Engineering, 1967, Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, August, 1967> Miama .Beach, Florida, 5*13-552, Am.Soc. of Mech. Engineers, !lew York, 1967). Versuche, eine Kobalt-Rhenium-Legierung mit hohen Schmelzpunkt zu schaffen, sind jedoch insofern kompliziert, als Kobalt bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur (290O⁰C) siedet, die unter dem Schmelzpunkt von Rhenium (3167⁰C) liegt. Es konnten jedoch Pulvermetallurgieverfahren angewandt werden, um Kobaltpulver mit Rheniurapulver zu mischen und die Mischung alsdann zu erhitzen und bei Temperaturen zu pressen, die über dem Schmelzpunkt von Kobalt liegen, und so den geschmolzenen Kobalt in die heißen Metallpartikel einsuschmelzen. Die Aufbewahrung bzw. Abkapselung und die Handhabung von pulverisiertem radioaktiven Kobalt-60 sind jedoch.schwierig und lebensgefährlich. Eine Bestrahlung mit Patronen nach Bildung der Legierung ist nicht möglich, da die Neutronenstrahlung das Rhenium in Osmium verwandelt und dadurch den Schmelzpunkt

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der Legierung herunterdrückt. Außerdem verringert das Auffangen von Neutronen durch das Rhenium den für die Um-Wandlung von Kobalt in eine radioaktive Form zur Verfügung stehenden Neutronenstrom.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kobalt-Energiequelle für eine Verwendung bei einer über dem Schmelzpunkt von Kobaltmetall liegenden Temperatur sowie· ein einfaches Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Herstellung soll dabei mit geringstmöglicher Handhabung von radioaktivem Kobalt in feingemahlenem oder flüssigem Zustand durchführbar sein.

Die Energiequelle nach der Erfindung ist hierzu ausgehend von einem größeren Gewichtsanteil Rhenium und einem kleineren Gewichtsanteil Kobalt gekennzeichnet durch eine poröse Pressform aus Rheniummetall, die mit erstarrtem geschmolzenen Kobalt-60 zur Bildung einer festen integralen bzw. einheitlichen Masse verschmolzen ist.

Das Verfahren nach der Erfindung ist in erster Linie gekennzeichnet durch Einbringen sich abwechselnder Schichten aus porösen Rheniumpresslingen und radioaktiven Kobaltplättchen in eine Kapsel, Erhitzen der beschickten Kapsel auf eine über dem Schmelzpunkt von Kobalt liegende Temperatur über eine ausreichende Zeitspanne zum selekt-iven Einschmelzen von ge-

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schmolzenem Kobalt in die porösen Rheniumschichten ohne merkliche Einschmelzung von Kobalt in die Kapselwände und Abdichten der Kapsel.

Das Erhitzen kann dabei gleichzeitig mit einem Zusammenpressen der sich abwechselnden Schichten erfolgen, um die ursprünglich von dem radioaktiven Kobalt eingenommenen Räume auszufüllen.

Die jeweiligen Rheniumachichten werden dabei durch Pressen einer Rheniumpulvermenge zu einer vorbestimmten Porosität·, vorzugsweise 30 - 50% der theoretischen Dichte zum Absorbieren einer gewünschten Menge von geschmolzenem Kobalt gebildet. Die jeweiligen Kobaltschichten bestehen vorteilhaft aus einem Kobaltmetallplättchen.

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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit de» Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung dargestellt ist, es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch zur Bildung der erfindungsgemäßen Energiequelle in einer Kapsel eingebrachte, sich abwechselnde Kobalt- und Rheniumschichten,

Fig. 2 eine Teildarstellung einer abgewandelten Ausführung im Schnitt,

Fig. 3 eine Ausführung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Energiequelle.

Durch herkömm-liche Verfahrens beispielsweise Ausstanzen aus großen Kobaltmetallplatten oder Abschneiden von Kobaltbarren_s gebildete Kobaltstüekehen oder -plättchen werden zur Bildung eines radioaktiven Kobaltisotops mit Neutronen bestrahlt bzw. beschossen. So wird beispielsweise Kobalt-59 mit Neutronen zur Bildung von Kobalt-6o bestrahlt# Die Ausgangsleistung oder Leistungsdichte des Kobalts ist durch die in radioaktive isotopische Form umgewandelte Kobaltmenge bestimmt. Obwohl schon isotopische Mischungen aus Kobalt-59 und Kobalt-öQ mit einer Akivität gebildet wurden, die bis zu etwa ?0Q Curie pro Gramm CC/gr) erreicht, hat es sieh als zweckmäßig erwiesen_a is.QtiQpis.che. Mischungen mit einem Strahlungsniveau von etwa nur iJQQ G/gr ssu schaffen,

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Kobalt-Rhenium-Legierungen mit Solidustemperaturen über etwa l600°C können gebildet werden, indem etwa ein oder mehrere Qewichtsteile Rhenium mit etwa einem Gewichtsteil Kobalt kombiniert werden. Legierungen mit weniger als 50 Gewichtsprozent Rhenium weisen keine merklich über dem Schmelzpunkt von Kobalt (1^95^OC) liegenden Solidustemperaturen auf. Da das Metallrhenium nicht radioaktiv ist, schwächt es die Ausgangsleistung des Kobalts. Es ist daher wünschenswert, bei jeder besonderen Anwendung ein optimales Mengenverhältnis von Rhenium zu Kobalt zu wählen, das sowohl eine genügend hohe Solidustemperatur als auch eine angemessene Leistungsdichte aufweist. Z.B. kann eine besondere thermionische Vorrichtung wirksam durch eine Wärmequelle aus Kobalt-Rhenium-Legierung angetrieben werden, die etwa 80 bis 85 Gewichtsprozent Rhenium und etwa 15 bis 20 Gewichtsprozent Kobalt aufweist, der auf etwa e"lne Aktivität von ¹IOO C/gr bestrahlt wurde. Eine derartige Wärmequelle würde eine Leistungsdichte von etwa 15 W cm bilden und die Legierung würde eine Solidustemperatur von etwa 2100 bis 23OO°C haben. Andere Kobalt-Rhenium- Legierungen können mit Solidustemperaturen bis zu etwa 3100⁰C, d.h. nahe dem Schmelzpunkt von Rhenium (3l67°C), gebildet werden, indem der Kobaltgehalt verringert wird, wobei daraus jedoch eine entsprechend niedrigere Leistungsdichte resultiert.

Fig. 1 zeigt eine Kapsel oder langgestrecktes Ringteil 11 mit einem angeschweißten oder sonstwie befestigten Boden 13 zum Verschließen des einen Endes der Kapsel 11. Die Kapsel besteht

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aus Rheniummetall oder anderem zur Verwendung bei Hochtemperaturen in Berührung mit geschmolzenem Kobalt geeigneten Material. Schichten aus porösen Rheniumpresslingen 15a bis 15d und radioaktiven Kobaltmetallplättchen 17a bis 17d sind in der Kapsel 11 abwechselnd aufgeschichtet. So sind z.B. vier bis zehn Schichten von etwa 0,76 mm dickem Kobaltmetall und etwa 1,52 mm dickem Rhenium in einer Kapsel mit einem Durchmesser von etwa 12,7 mm aufeinander geschichtet.

Die porösen Rheniumpresslinge werden durch Vorpressen von feingemahlenem Rhenium in einer geeigneten Presse zur Bildung derart geformt, daß sie in die öffnung der Kapsel 11 hineinpassen. Das Rhenium befindet sich in feingemahlenem Zustand^ um die Diffusionsstrecke für den Kobalt in die Rheniumpartikel im Vergleich zu derjenigen in die Kapselwände auf ein Maximum zu bringen. Es kann beispielsweise Pulver einer Siebung mit weniger als 0,076 mm lichter Maschenweite Anwendung finden. Auf Wunsch können Wärme oder ein verdampungsfähiges Bindemittel oder Wachs Anwendung finden, um aus einem Stück bestehende Rheniumpresslinge zu bilden. Das Rheniumpulver 1st genügend zusammengedrückt, um große Poren oder Lunkern zu vermeiden, die gegebenenfalls die Bildung von Bereichen hoher Kobaltkonzentration mit niedrigen Solidustemperaturen und hoher Ausgangsleistung zur Folge haben könnten. Umgekehrt kann eine überverdichtung ein ungenügendes Maß an Kobaltinfusion bei dem nachfolgenden Heißpreßvorgang zur Folge haben. Es hat sich gezeig;, daß geeignete Rheniumpresslinge durch Pressen bei etwa

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5000bis 20 000 psi zur Erreichung einer Porosität von etwa bis 50? der theoretischen Dichte gebildet werden.

Gewünschtenfalls können die Rheniumpresslinge 15a bis 15d innerhalb der Kapsel 11 anstatt im Wege der vorbeschriebenen Vorpressung gebildet werden. Sich abwechselnde Schichten von feingemahlenem Rhenium und Kobaltplättchen werden in der Kapsel ll'angeordnet und bei etwa 5000 psi mit einem geeigneten Preßwerkzeug 18 zur Bildung der Rheniumschichten gewünschter Porosität zusammengepreßt. Der radioaktive Kobalt mit seiner hohen Leistungsdichte würde an diesem Punkt des Vorgangs zu schmelzen beginnen und die nachfolgende Heißpreßstufe würde daher unverzüglich eingeleitet.

Nach Bildung des Kobalt-Rhenium-Stapels wird die von dem radioaktiven Kobalt erzeugte Hitze erforderlichenfalls ergänzt, um die Kobaltplättchen zu schmelzen und den Kobalt selektiv in die porösen Rheniumschichten einzubringen, ohne daß durch den geschmolzenen Kobalt ein nennenswerter Angriff auf die Kapselwände erfolgt. Dabei wird gleichzeitig durch das Preßwerkzeug 18 Druck angelegt, um die von dem eingeschmolzen Kobalt offengelassenen Poren und Lunkern auszufüllen. Es wird eine über dem Schmelzpunkt von Kobalt liegende Temperatur von beispielsweise etwa 16QQ⁰C und ein Druck angewendet, der unter dem vorher zum Pressen des Rheniumpulvers angewandten Druck liegt oder diesem gleicht. Übermäßiger Druck ist.zu vermeiden, da er die Porosität der Rheniumschichten vor der Kobaltschmelzung vermindern und dadurch die Kobalteinschmelaung in die

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porösen Rheniumschichten erschweren kann.

Stattdessen kann die gefüllte Kapsel für eine angemessene Belüftung lose verschlossen und bei etwa l600°C ohne Begleitdruck etwa 18 Stunden erhitzt werden, währenddessen der Kobalt in die porösen Rheniumschichten einschmilzt. Dieses Verfahren hinterläßt leicht zuvor von dem Kobalt zwischen den Rheniumschichten eingenommene Poren oder Lunkern und vermindert so die Leistungsdichte.

Um einen Angriff des geschmolzenen Kobalts auf oder dessen Diffusion durch die Kapselwände zu verhindern, ist es erwünscht, ein Höchstmaß an Kobalteinschmelzung in die porösen Rheniumschichten herbeizuführen. Der Kobalt erstarrt bei Einschmelzung in das Rhenium, bildet eine Legierung mit hohem Schmelzpunkt und wird dadurch weniger reaktionsfähig. Eine genügend hohe Einschmelzung in das Rhenium kann erreicht v/erden, wenn die Rheniumschichten genügend porös ausgebildet sind und eine Belüftung vorgesehen ist, durch die die Poren in den Rheniumschichten einnehmenden Gase oder verdampften Bindemittel entweichen können. So ist beispielsweise eine Öffnung oder ein Spalt 20 zwischen dem Preßwerkzeug 18 und der Kapsel 11 vorgesehen. Die Belüftung wird erhöht, wenn man die Erhitzung und die Einschmelzung des Kobalts unter Vakuum durchführt.

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Ein weiterer Schutz für die Kapselwände wird bei der in Fig. dargestellten abgewandelten Ausführung erreicht. Die porösen Rheniumschichten 35 haben eine Oberseite mit einer Ausnehmung 37» die von erhöhten Randbereichen 39 umgeben ist. Die radioaktiven Kobaltmetallplättchen ¹Il sind derart zugeschnitten, daß sie wie dargestellt in den von den erhöhten Randbereichen 39 begrenzten Raum hineinpassen. Die porösen Rheniumschichten 35 werden durch die oben beschriebenen Verfahren hergestellt. So kann das Rheniumpulver beispielsweise in einem geeignet geformten Preßwerkzeug vorgepreßt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Rheniumpulver innerhalb der Kapsel 11 zu Preßlingen zu pressen, wobei die Kobaltmetallplättchen hl zur Bildung der Ausnehmungen 37 ihren Platz zwischen den Rheniumpulverschichten einnehmen. Die erhöhten Randbereiche werden gebildet, indem man den Stapel sich abwechselnder Schichten derart preßt, daß das Rheniumpulver zwischen den Rändern der Kobaltplättchen Ί1 und den Wänden der Kapsel 11 hindurchtritt. Beim Schmelzen des Kobaltmetalls kommt es mit den Randbereichen 39 der porösen Rheniumpreßlinge in Berührung und bildet mit diesen eine feste reaktionsarme Legierung, welche die Wände der Kapsel 11 abschirmt.

Fig. 3 zeigt eine Kobalt-Rhenium-Energiequelle in fertigem Zustand. Die Kapsel 11 enthält eine infolge des oben beschriebenen Heißpreßvorgangs gebildete einheitliche Masse 21 aus mit radioaktiven Kobalt verschmolzenem Rhenium. Die Kapsel 11 ist auf eine geeignete Länge geschnitten und mit einer Ver-

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schlußkappe 23 zum Abdichten der darin enthaltenen radioaktiven Masse 21 versehen. Die geladene Kapsel 11 ist außerdem in einer zweiten Kapsel oder einem Behälter 27 dicht abgeschlossen unter

gebracht j die mit einem Verschluß 29 zur weiteren Sicherung gegen Austreten von radioaktivem Material versehen ist. Der Verschluß 29 oder ein anderer Teil der äußeren Kapsel 27 kann einen mit Gewinde versehenen Bereich 31 oder andere Mittel zum Verbinden der Energiequelle mit einem Verbraucher aufweisen. Es versteht sich, daß genügend Gamma-Strahlen absorbierendes Material in der einheitlichen Masse 21 und in den Kapseln 11 und 27 vorgesehen sein kann, um die Strahlung von dem Kobaltradioisotop wirksam in Wärme zu verwandeln.

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Energiequelle aus Kobalt, insbesondere Kobalt-60 und Rhenium, gekennzeichnet durc Einbringen sich abwechselnder Schichten aus porösen Rheniumpresslingen und radioaktiven Kobaltplättchen in eine Kapsel (11), Erhitzen der beschickten Kapsel auf eine über dem Schmelz punkt von Kobalt liegende Temperatur über eine ausreichende Zeitspanne zum selektiven Einschmelzen von geschmolzenem Kobalt in die porösen Rheniumschichten ohne merkliche Einschmelzung von Kobalt in die Kapselwände und Abdichten der Kapsel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen gleichzeitig mit einem Zusammenpressen der sich abwechselnden Schichten erfolgt, um die ursprünglich von dem radioaktiven Kobalt eingenommenen Räume auszufüllen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kapsel der radioaktive Kobalt und das Rhenium in einem Gewichtsverhältnis von etwa 80 - 85% Rhenium und etwa 15 - 20JS Kobalt eingebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rheniumpresslinge eine Porosität von etwa 30 - 50$ der + Dichte aufweisen.

5. Kobalt-Rhenium-Energiequelle, bestehend aus einem größeren Gewichtsanteil Rhenium und einem kleineren Gewichtsan-:

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teil Kobalt, insbesondere Kobalt-{60), gekennzeichnet durch eine poröse Pressform aus Rheniummetall, die mit erstarrtem geschmolzenem Kobalt-(60) zur Bildung einer festen integralen bzw. einheitlichen Masse verschmolzen ist.

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