DE19833648A1

DE19833648A1 - Superkompakte Radionuklidbatterie mit Staubplasmen

Info

Publication number: DE19833648A1
Application number: DE1998133648
Authority: DE
Inventors: Wladimir Jurewitsch; Frederick P Boody; Wladimir E Fortov; Reinhard Hoepfl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-25
Filing date: 1998-07-25
Publication date: 2000-01-27

Abstract

Eine zusätzliche detaillierte Beschreibung und ein Zusatz der Patentansprüche werden zur Patentanmeldung DE 19638066.2 vorgelegt: Feste oder flüssige Betastrahler von ungefähr 0,1 bis 50 mum Durchmesser werden in Gas oder Plasma dispergiert, welches lumineszierende Gasanteile enthält, z. B. vom Excimer Typ, was ein Staubplasma darstellt. Dadurch wird eine fast verlustlose Emission der Betaelektronen aus dem Emitter bewirkt zur Anregung des Gases, dessen Excimerlinie an eine Umwandlung der Radioaktivität in einhüllenden photovoltaischen Wandschichten angepasst ist, so daß mit einem relativ kleinen Gesamtvolumen eine vergleichsweise leichte Niederdruckbatterie hoher Effizienz verwirklicht wird.

Description

Wie bereits in der Patentnamldung DE 196 38 066.2 ausgeführt, handelt es sich um Folgendes: Radionuklibatterien sind üblicherweise sehr ineffizient, schwer und teuer, doch werden sie nichtsdestoweniger in Raumfahrzeugen und ähnlichen wichtigen Anwendungen gebraucht. Eine bemerkenswerte Verringerung des Gewichtes und eine Steigerung der Effizienz ist möglich, wenn die radioaktiven Nuklide (z. B. Krypton-85 oder Argon 39) die Energie ihrer eigenen Elektronen in ein schmales Excimerband bei einem geringen thermischen Verlust anregen und diese Stahlung in einem Breitbandhalbleiter (z. B. p-n- Diamant) mit hohem Wirkunggrad in Elektroenergie umgewandelt wird (Deutsche Offenlegungsschrift DE 196 02 875 A1). Die elektrische Leistung per Gewicht ist dann, verglichen mit bisherigen Radionuklidbatterien um einen Faktor 10 bis 50 oder mehr erhöht.

Der Nachteil besteht immer noch in dem hohen Preis der genannten Radionuklide und dem hohen Druck von bis zu 100 bar und mehr für das Gas was einen teueren und schweren Einschlussbehälter erfordert.

Bekannt sind ferner Staubplasmen. Das Staubplasma (dust plasma) wurde von Izeki (Phys. Fluids 29, 1764 (1986)) vorherbestimmt und seit 1994 realisiert (V.E. Fortov et al Pisma ZhETP 1994 haben darüber für Staubplasmen bei Atmosphärendruck berichtet, siehe auch V.E. Fortov et al, Fisma ZhETP 64, 86 (1996)). In einem Gas von geringem Druck (1 bar oder weniger) wird ein Plasma geringer Ionisationsrate erzeugt, z. B. mit einer Mikrowellen- oder Radiofrequenzentladung oder durch Elektronenstrahlbeschuß (120 keV, 0.02 mA/cm²). Wenn fester (Staub) oder flüssige Partikel von 1 bis 100 µm Durchmesser in diesem Plasma dispergiert werden, erzeugen die Doppelschichten zwischen dem Plasma und den Partikeln deren Aufladung mit 1000 bis einer Million Ladungen. Die Coulombkräfte zwischen den Partikeln führen zu deren Abstoßung, so daß kristalline Ordnungen erzeugt werden (Plasma- oder Staubkristalle) in Abhängigkeit von einem sehr hohen Plasmaparameter. Der Mechanismus der Debyelänge und Aufladung durch die Doppelschicht (S. Eliezer und H. Hora, Physics Reports, 172, 339 (1989)) sind für diese Vorgänge maßgeblich.

Die genannten Nachteile der Krypton-Excimerbatterie (DE 196 02 875 A1) trotz der erreichten bisher kompaktesten Radionuklidbatterie (höchste elektrische Leistung pro Gewicht) - hohe Kosten der betaaktiven Edelgasradionuklide, eine (bei Krypton 85) noch sehr gereinge Gammaktivität, Entfernung der entstehenden Alkalimetalle nach der Betaumwandlung) können alle umgangen werden und eine weitere wesentliche Steigerung der Kompaktheit der Batterie erreicht werden, wenn erfindungsgemäß mit festen Betastrahlern ohne alle Gammastrahlung in feinen Staubteilchen als Komponente eines Staubplasmas gearbeitet wird, von denen mit einem Minimalverlust die Betaelektronen in ein excimeraktives Gas emittiert und deren Energie dort hocheffizient in eine schmalbandige Excimerstrahlung umgewandelt wird, die in breitbandigen photovoltaischen Schichten mit hoher Effizienz in Elektroenergie zur Verfügung gestellt wird.

Erfindungsgemäß werden die Partikel (Staubteilchen) aus radioaktiven Isotopen hergestellt, z.B Körnchen elementaren Strontiums-90 oder Verbindungen von Strontium- 90 oder Technetium-99 (= Masurium-99), mit keiner oder oder sehr geringer Gammaemission hergestellt, was billige Produkte oder billiger radioaktiver Abfall von Kernspaltraktoren sind. Der Durchmesser der Staubpartikel ist so klein (einige µm), so daß die Elektronen vom Betazerfall die Staubpartikel nahezu ohne Verlust verlassen. Das umgebende schwach inoisierte Plasma besteht wenigstens teilweise aus Gasen oder Gasgemischen (z. B. mit Krypton, Argon oder Xenon) mit Excimerlinien, so daß eine beträchtliche Energiemenge der Betaelektronen in diese Strahlung umgewandelt wird. Die Behälterwände enthalten photovoltaische Schichten mit breiten verbotenen Zonen wie z. B. Diamand, welche die von den Betaelektronen erzeugte optische Energie in Eleletroenergie umwandeln.

Besonders hohe Leistungsgewichte (Elektroleistung pro Gewicht) viel höher als mit den vorher genannten Radionuklidbatterien ohne Staubplasmen werden erreicht, z. B. eine 500 Watt-Batterie von 5 kg Gewicht wobei keine weitere Abschirmung nötig ist. Diese hohe Leistungsdichte kann weiter erhöht werden, wenn z. B. statt des Betriebes bei Atmosphärendruck mit erhöhtem Druck garbeitet wird. Damit kann z. B. bei 10 Atmosphären Arbeitsdruck im Nichtgleichgewichts-Plasma eine Batterie mit bis zu 1 kW Leistung von 1,5 kg Gewicht hergestellt werden. Die so erfindungsgemäß erzeugten Radionuklidbatterien werden daher als superkompakt bezeichnet.

Zum Unterschied von einer Batterie nach vorliegender Erfindung, bei der die für das Nichtgleichgewichtsplasma nötige Plasmaanregung zwischen den Staubteilchen durch eine Zusatzentladung entsteht, deren Energieaufwand aber merklich kleiner als die Gesamtleistung der Batterie ist, kann folgende Konstruktion ohne alle Zusatzentladung erfindungsgemäß verwendet werden. Dabei wird (außer beim Anlaufen der Batterie) statt eines das Plasma erzeugenden Entladungsstromes J_e oder einwirkender 120 keV Elektronen von etwa 0.02 mA/cm² Stromdichte die Emssion der Betaelektronen aus den Staubpartikeln von einer etwa gleichgroßen Elektronenstromdichte gewählt, die das Gleichgewicht des Staubplasmas mit den wohlbekannten negativen Aufladungen der Staubteilchen wie auch der Wand erzeugen und die gegenseitige Abstoßung der Staubteilchen und ihre Abstoßung von der Wand bewirken.

Ein Problem stellt sich dabei mit der Frage einer dreidimensionalen Kristallstruktur der Staubteilchen. Bekanntlich kann man eindimensionale Kristalle (eine Kette von Staubteilchen) oder zweidimensionale Staubkristalle im Schwerefeld herstellen (A. Hosemann, A. Melzer, S. Peters, R. Madani und A. Piel, Physics Letters, A242, 173 (1998)), was nach den zitierten Methoden dreidimensional nicht möglich ist wegen der Einwirkung der Schwerkraft. Erfindungsgemäß können aber dreidimensionale Kristalle erzeugt werden, wenn die Schwerkraft durch ein elektrisches Feld kompensiert wird. Die Felder können in der Größenordnung von 10 V/cm liegen und erzeugen dann einen Verluststrom durch das Plasma, der andererseits auch für die Plasmaerzeugung von Nutzen sein kann. In dem erfindungsgemäßen Fall, daß keine außerer Entladungsstrom oder ein eingeschossener Elektronenstrom notwendig ist wegen der erfindungsgemäß verwendeten Betastrahler in den Staubteilchen, ist der die Gravitation kompensierende Strom J_e aufgrund des elektrischen Feldes ein Verlustfaktor.

Die zur Kompensation bei Anwesenheit von Gravitationskräften mit der mechanischen Beschleunigung g in m/s² innerhalb der Reaktionskammer benötigte elektrische Feldstärke E durch (in V/m) ist gegeben ist durch folgende Arbeitsparameter

E < 1_d ²ρ_dg(12ε_oΦ)

wobei P_d die Dichte der Teilchen (des Trägermaterials) ist und die Richtung des elektrischen Feldes E gleich der der Graviationskraft ist. ε_o ist die elektrische Konstante (Influenzkonstante), l_d ist der Durchschnittsdurchmesser der Staubteilchen und Φ ist das offene Potential der Staubteilchen, das größer als 1,5 Volt ist.

Bei Verwendung der Batterien in Raumfahrzeugen befindet sich das Staubplasma allerdings im schwerefreien Raum, so daß dann der Strom J_e beim Betrieb im Weltraum gleich Null wird und gegebenenfalls nur bei Betrieb der Batterie in der Phase vor dem schwerefreien Flug benötigt wird.

In Bild 1 ist ein Beispiel für eine superkompakte Radionuklidbatterie beschrieben. Der linke Bildteil besteht aus einem rechteckig gezeichneten Behälter in dem sich Xenongas (punktierter Teil) befindet, das als Plasma angeregt wird in in dem staubförmige Teilchen von Strontium-90 (elementar oder als Verbindung) enthalten sind. Ferner befinden sich in dem Behälter die dick schwarz gezeichneten Elektroden die ein elektrisches Feld erzeugen, dessen Richtung antiparallel zum Schwerfefeld liegen soll. Zwischen dem Staubplasma befinden sich zylindrische oder plattenförmige Teile, die im rechten Teil der Abbildung gesondert beschrieben sind. Das Innere davon ist ein Metallstab bzw. eine Metallplatte, die mit einen photovolatischen Schicht bedeckt ist, vorzugsweise im CVP- oder PVC- Verfahren hergestellte Diamantschichten (siehe Hora und Prelas, Diamond and Related Materials, 4, 1376 (1995)) oder Aluminiumnitridschichten (H. Hora, R Höpfl, M.A. Prelas, "Theoretical aspects of AIN and Diamond in view of laser and photovoltaic action", NATO Advanced Workschop on wide Band Electronic Material, Minsk 1944, p 487-502) mit p-n-Übergang. Diese Diamand- (oder AIN-)Schichten sind mit einem optisch teildurchlässigen elektrisch leitendem Belag (Metallfilm oder einem gut leitenden optisch transparenten Halbleiter) überzogen als elektrischen Kontakt für den Minuspol bei einem Pluspol am inneren Metallteil für die photoelektrische Zelle.

Die Betaelektronen e aus den strontium-90-haltigen Staubteilchen erzeugen im Xenongas Photonen mit den Energie E_ph = hν, die hauptsächlich im Bereich des schmalen Excimerbandes liegen. Photonen dieses Bereiches sind optimal auf die Halbleiter- Bandbreite vom Diamand oder AIN abgestimmt, so daß mindestens 60% der Photonenenergie in photovoltaische elektrische Energie übergeht. Die photovoltaischen Elemente sind - wie im linken Teil der Abbildung ersichtlich - hintereinander geschaltet und ergeben die elektrische Ausgangsleistung. Bei gewünschter niedrigerer Batteriespannung kann auch komplette oder teilweise Parallelschaltung verwendet werden.

Über die Dimensionierung des Gefäßes, seine Druckbeständigkeit und Abstrahlungsfähigkeit von immer noch entstehender, aber vergleichsweise stark reduzierter Verlustwärme wird auf ähnliche, vorausgehend beschriebene Dimensionierungen (DE 196 02 875 A1) zurückgegriffen.

Bei Betrieb der Batterie im schwerefreien Raum kann das elektrische Feld reduziert oder vollständig ausgeschaltet werden.

Das Strontium-90 in den Staubteilchen wandelt sich bei der Betaemission ohne Gammaemission in Indium um, das durch seine Festkörpereigenschaften in den Staubteilchen enthalten bleibt und nicht wie das resultierende Rubidium z. B. in der Kr-85 Batterie in einem besonderen Verfahren eliminiert werden muß.

Claims

1) Radionuklidbatterie gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid sich in Gas oder Plasma supendierten Staubpartikeln befindet, dessen radioaktiv erzeugte Strahlung in photovoltaischen Schichten in der Behälterwand der Anrodnung in elektrische Energie umgewandelt wird;

2) Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß das Plasmazustand des Gases durch eine äussere Gleichstromentladung erzeugt wird;

3) Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 gekennzeichent dadurch, daß der Plasmazustand des Gases durch eine Wechselstromentladung einschliesslich des Hochfrequenz oder Mikrowellenbereiches erzeugt wird;

4) Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadruch, daß der Plasmazustand des Gases durch Beschuß mit Elektronenstrahlen von mindestens keV Energie erzeugt wird.

5) Radionuklidbatterie nach den Ansrüchen 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß die Staubpartikel fest oder flüssig sind und einen Durchmesser von 0,01 bis 100 µm haben.

6) Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß keine äussere Energiequelle für die Entladung gebraucht wird;

7) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 6 gekennzeichnet dadurch, daß die Staubteilchen ein stabiles Aerosol sind;

8) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnet dadurch, daß eine partielle Plasmatisierung des Gases zwischen den Staubpartikeln stationär durch die radioaktive Emission aus dem Radionuklid in den Staubpartikeln erzeugt wird;

9) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8 gekennzeichnet dadurch, daß die Innenwand des Gefässes der Anordnung aus einem Isolator besteht, der für die optische Strahlung aus dem Plasma mindestens partiell transparent ist;

10) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid ein Betastrahler ist;

11) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 10 gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid ein Betastrahler ohne Gammaemission ist;

12) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid ein Alphastrahler ist;

13) Radionuklidbatterie nach den Anspüchen 1 bis 12 gekennzeichnet dadurch, daß der photovolatische Umwandler ein Breitbandhalbleiter ist;

14) Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 13 gekennzeichnet dadurch, daß das Gas zwischen den Staubpartikeln Atome oder Moleküle mit schmalen Excimerlinien enthält.