DE19957669A1 - Superkompakte Radionuklidbatterie mit stabiler Mikrobetaquelle - Google Patents

Abstract

Radionuklidbatterie, bei der die Energie von Betaelektronen aus festen Materialien von geringer Tiefe oder geringem Durchmesser nahezu verlustfrei in einem umgebenden Exzimergas in optische Energie umgewandelt wird, wie in DE 19738066.2, dessen schmales optisches Frequenzband mit hohem Wirkungsgrad in einer photovoltaischen Schicht in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei die festen Materialien in Form von Fäden von weniger als 0,1 mm Durchmesser oder als Schichten von weniger als 0,1 mm Dicke Radioisotope wie Strontium-90 und/oder andere vorzugsweise von Gammastrahlung freie Nuklide eingebettet haben.

Description

Batterien zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Kernenergie sind seit langem als Radionuklidbatterien bekannt und im technischen Einsatz. Wegen der Dringlichkeit solche Quellen von Elektroenergie mit ihrer über viele Jahre gehenden wartungsfreien Langlebigkeit und wegen der prinzipiell sehr hohen Energiedichte von nuklearen Energiequellen sind eine Reihe von technischen Lösungen verwirklicht worden, obwohl in den meisten Fällen der energetische Wirkungsgrad extrem klein ist. Man denke z. B. an solche Radionuklidbatterien, bei denen das Radionuklid in einem Material eingebettet ist, in dem auch lumineszierende Stoffe vorhanden sind, so dass die Alpha- Beta- oder Gammastrahlen des Radioistotopes mit sehr schlechtem Wirkungsgrad ire Energie in optische Strahlung umwandeln und dann die optische Strahlung in Photozellen nach dem äusseren lichtelektischen Effekt mit ebenfalls geringem Wirkungsgrad in Elektroenergie umwandeln. Noch geringer sind die Wirkungsgrade, wenn die Kernenergie als thermische Energie weitergegeben wird und mit thermüonischen Mitteln oder nach dem Seebeckeffekt in Elektroenergie umgewandelt wird.

Diese niedrigen Wirkungsgrade sind von besonderem Nachteil, wenn die Batterien in Satelliten eingesetzte sind, wobei das Gewicht pro erzeugter elektrischer Leistung sehr hoch ist. Nichtsdestoweniger sind Kernbatterien die einzige Lösung - wenn nicht Kerreaktroenen gebraucht werden - falls der Satellit eine Stromquelle von mehr als einem Kilowatt benötigt, was die Grenze für Solarenergiequellen bei den gegenwärtig genutzten photovoltaischen Quellen mit eiern Nutzerlimit von fünf Jahren ist bei Betrieb im Bereich des Erdbahnradius'. Für größere Entfernungen als dem Erdbahnradius ist die Benutzung von Solarzellen noch ungünstiger.

Wie schon erwähnt, ist der Bedarf solcher Energiequellen für abgelegene Nutzung wie in Satelliten, in entlegenen Gegenden oder im Meer so bedeutend, dass trotz des hohen Preises und trotz des geringen Wirkungsgrades derartige Radionuklidbatterien unentbehrlich sind und in beträchtlicher Zahl im Einsatz sind.

Zur Verbesserung des energeitschen Wirkungsgrades sind verschiedene Vorschläge bekannt. So ist in den Deutschen Patentnameldungen 197 38 066.2 und 189 32 908.9 und der PCT-Patentanmeldung PCT/US 98/18193 (790072.401PC) der Verlust der Kernenergie bei Einbettung des Radionuklides in ein kondensiertes Material auf ein absolutes Minimum reduziert, indem zur Einbettung Staubteilchen ab etwa 1 mikrometer Durchmesser verwendet werden, die in einem Plasma als Staubplasma eine Suspension bilden, so dass dann die radioaktive Stahlung im umgebenden Plasma in optische Strahlung umgewandelt wird zur weiteren Umwandlung in Elektroenergie in photovoltaischen Schichten. Diese Methode ist besonders für Betastrahler interessant, kann aber auch auf Alphastrahler etwas weniger effizient angewandt werden. Ferner sind solche Beta- (oder Alpha-) Strahler interessant, die keine Gammastrahlung emittieren, deren hohes Durchdringungevennögen für die Handhabung der Batterien oder selbst in menschenfernen Bereichen für die biologische Umgebung oder für benachbarte Hochleistungselektronik prohibitiv ist. Das Einbetten in feste materialien erlaubt z. B. die Verwendung des vergleichsweise preisgünstigen Strontium-90 aus dem Abfall von Kernspaltreaktoren.

Die Handhabung der Staubplasmen ist jedoch nicht einfach, wenn damit eine auf . Jahre hinaus stabile Batterie betrieben werden soll, obwohl hierzu mit Betastrahlern leistungsfähige Anordnungen erzeugt wurden insbesondere im schwerefreien Raum im Zusammenhang mit Experimenten in der MIR-Raumstation, siehe V.E. Fortov et al. Physics of Plasmas, Maiheft 1999, um positiv aufgeladene Staubpartikel in Staubplasmen zu studieren ähnlich denen mit starker thermi-ionischer Elektronenemission im thermischen Gleichgewicht vom Raketenauspuff.

Wenn diese Schwierigkeiten mit Staubplasmen für einen einwandfreien und störungsfreien Betrieb über viele Jahre nicht überwunden werden können oder einen vergleichsweise kostspieligen technischen Aufwand erfordern, wird eine Lösung in der folgenden erfindungsgemässen Anordnung erreicht.

Die Einbettung der (vorzugsweise:) gammafreien Betastrahler in feste Materialien erfolgt in der Weise, dass diese Trägermaterialien aus dünnen Fäden oder dünnen Schichten bestehen von einigen Mikrometer bis 0.1 mm Durchmesser bzw. Dicke. Diese Fäden oder Schichten werden gespannt in einem geschlossenen Gefäß aufgehängt innerhalb eines Gases, das die Energie der Betaelektronen in optische Strahlung umwandelt, wobei vorzugsweise die Exzimerstrahlung von schmaler spektraler Bandbreite verwendet wird, wie z. B. Edelgase.

Diese optische Strahlung wird in einer photovoltaischen Schicht mit gegenseitig angepasster Halbleiter-Bandbreite und Excimer-Bandbreite in Elektroenergie umgewandelt.

Die photovoltaische Schicht braucht nicht den gesamten Innenraum des Gefässes mit dem Gas und den Fäden bzw. Schichten auszukleiden. Ein Teil davon genügt z. B. wenn alle übrigen Innenwände sowie alle Oberflächen der Fäden bzw. Schichten mit den Radionukliden einen optisch hochreflektierenden Überzug von weniger als 300 nanometer Dicke besitzen, der für die Betaelektronen praktisch keinen Verlust bedeutet aber fast 100prozentig die optische Stahlung zur photovoltaischen Schicht befördert.

Eine Schutzschicht mit genau umgekehrter Eigenschaft wird über der Oberfläche der photovoltaischen Schicht verwendet, soweit diese nicht Diamant mit einem p-n- Übergang ist. Normalerweise zerstören die Betaelektronen die Leistungsfähigkeit der photovoltaischen Schicht. Wenn die Schutzschicht aus einem Material, z. B. Lithiumfluorid besteht, absorbiert diese die Betaelektronen, lässt aber die optische Strahlung des beta-angeregten Gases hindurch zur photovoltaischen Schicht. Eine Vereinfachung dieser Schutzfunktion ohne die Schutzschicht wird alternativ oder in einem gemischten Verfahren erreicht, wenn zwischen den Fäden oder den dünnen Schichten mit den eingebetteten Betastrahlern und der photovoltaischen Schicht im Gas ein solcher Abstand A gewählt wird, dass die Betaelektronen im Gas eine kürzere Bremslänge haben als der Abstand A beträgt.

Bei Verwendung von parallel angeordneten Schichten zur Einbettung des Betastrahlers wird vorzugsweise die photovoltaische Schicht wenigstens an einem Ende der Schichtenreihe angeordnet, derart dass ein Maximum an optischer Energie aus dem Gas mittels der Verspiegelung der Schichten und der Gefässwand in der photovoltaischen Schicht wirksam wird.

Bei Verwendung von Diamant mit p-n-Übergang als photovoltaische Schicht ist nicht immer die Verhinderung des Eindringens von Betastrahlung nötig, wie in verschiedenen Testversuchen gezeigt wurde, wobei Diamantschichten bei langer sehr intensiver Bestrahlung im Kern von nuklearen Spaltreaktoren genügend wenig verändert wurden.

Bei der Wahl des Materials der Fäden oder dünnschen Schichten, in die die radionuklide eingebettet werden, ist auch Diamant das bevorzugte Material nicht nur wegen seiner mechanischen Festigkeit, sonderen auch wegen seiner geringen Empfindlichkeit gegen alle radioaktive Strahlung. Die Niederdruckherstellung dieser Diamantschichten oder -Fäden erfolgt preisgünstig nach dem CVD oder PVD (chemical vapor deposition bzw. physical vapor deposition) -Verfahren, wie es ursprünglich in folgenden Patenten beschrieben wurde: H. Hora, Japanisches Patent 472771 (16 Juli 1965); Britisches Patent 1,001,308, siehe auch H. Hora und M.A. Prelas, Diamond and Related Materials, 4, 1376 (1995). Bei diesem Verfahren kann das Radionuklid ebenfalls aus einer Verbindung in der Gasphase oder durch Verdampfen mit in die Diamantschicht eingebettet werden.

Claims (13)

1. Radionuklidbatterie mit Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie, gekennzeichnet dadurch dass die Energie von Teilchenstrahlen durch Abbremsen in umliegenden Gasen zur Umwandlung in optische Energie und weiterer Umwandlung der optische Energie in Elektroenergie durch Einbettung der Radionuklide in Fäden oder Schichten erfolgt.

2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Teilchenstrahlen Alphateilchen sind.

3. Radionuklidbaterie nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Teilchenstrahlen Betaelektronen sind.

4. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass zum Abbremsen der Teilchen umliegende Gase mit der Eigenschaft der Exzimerstrahlung verwendet werden.

5. Radionuklidbaterie nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichent dadurch, dass die Umwandlung der optischen Energie der angeregten Gase in photovoltaischen Schichten erfolgt.

6. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Bandbreite der photovolatischen Schichten der Exzimerstrahlung für höchsten Wirkungsgrad angepasst ist.

7. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass als Exzimergas Edelgase verwendet werden und die optimale Anpassung der optimalen Bandbreite durch Verwendung von Diamant p-n-Schichten erfolgt.

8. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die teilchenstrahlenden Radioisotope in Fäden von weniger als 0.1 mm Durchmesser eingebettet sind.

9. Radionuldidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadruch, dass die Radioisotope in Schichten von weniger als 0.1 mm Dicke eingebettet sind.

10. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Einbettungsfäden oder -schichten parallel innerhalb des umgebenden Exzimergases angeordnet sind.

11. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Einbettungsfäden oder -schichten mit einer optisch reflektierenden Oberfläche versehen sind.

12. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schutzschicht über der photovoltaischen Schicht mit optischer Durchlässigkeit für Photonen mit grösserer Energie als der Bandbreite für die Vermeidung von Betastrahlenbelastung der photovoltaischen Schicht verwendet wird.

13. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Schutzschicht in einem Abstand mit Zwischenraum zur photovoltaischen Schicht zur Abbremsung von Betaelektronen der höchstmöglichen Energie angebracht wird.