DE2152767A1 - Stabilisierung der Temperatur einer Radioisotopen Wärmequelle vermittels einer Warmeubertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

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Atomic Energy of Canada Ltd.

Commercial Products

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Stabilisierung der Temperatur einer Radioisotopenwärmequelle vermittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stabilisierung der Temperatur einer Badioisotopen-Wärmequelle vermittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der siedendes Quecksilber als übertragungsmittel von einem Wärmeblock zu einem Kühlkörper vorgesehen ist. Insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, betrifft die Erfindung verhältnismässig geringe Temperaturdifferentiale, wie sie in Wärmequellen mit radioisotopen Brennstoff auftreten.

Es ist bekannt, ein siedendes Quecksilberbad als Temperatur-

reguliermittel zu verwenden. Eine solche Regulierung ist sehr genau, vorausgesetzt, dass das siedende Quecksilber durch einen genau festgesetzten Druck gesteuert wird. Die übertragene Wärme wird so durch einen einzigen Parameter gesteuert, alle anderen Faktoren bleiben gleich.

Die Erfindung sieht einen geeigneten Zusatz an Steuermitteln vor, der dazu verwendet werden kann, die Wärmeübertragungseigenschaften der Wärmeübertragungsvorrichtung mit siedendem Quecksilber "abzugleichen" oder "abzustimmen". Die Erfindung bietet einen sehr nützlichen Vorteil dadurch, dass Wärmeübertragungseinheiten, in der Form von abgeschlossenen hohlen Rohren, die eine geringe Menge von Quecksilber und ein Edelgas

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enthalten, gefüllt und schliesslich reguliert werden können, ohne dass die Dichtungen der Rohre unterbrochen werden müssen, um eine gewünschte übertragungscharakteristik zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmeübertragungs-

ι mittel vorzusehen, die es erlauben, die Menge der zu übertra-

\ genden Wärme für ein gegebenes Temperaturdifferential durch ! einfache und verlässliche Mittel zu ändern.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass mindestens ein dünnes hohles Rohr aus einem Werkstoff niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, von dem das eine Ende in guter thermischer Kopplung mit dem radioisotop erhitzten Wärmeblock und das andere Ende in guter thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper steht, dass gasdichte Verschlüsse für die beiden Enden des Rohres angeordnet sind, dass eine verhältnismässig geringe Menge Quecksilber nahe dem einen Ende des Rohres vorgesehen ist, dass eine Edelgasfüllung für das Rohr einen vorbestimmten Druck hat, dass eine wärmeleitende Muffe in guter thermischer Kopplung zwischen dem Rohr und dem Kühlkörper angeordnet ist, und dass die Muffe sich von Kühlkörper aus entlang einem wählbaren Teil des Rohres erstreckt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung steht mit einer radioisotop beheizten Wärmequelle in Verbindung, wobei Strahlungsenergie von einer Kobaltmenge 60 radioaktives Isotop in einem dichten Metallschild oder Wärmeblock absorbiert wird.

Es ist erwünscht, die Temperatur des Wärmeblocks in bestimmten vorgeschriebenen Bereichen für eine Zeitdauer aufrechtzuerhalten, die gleich ist der halben Brenndauer des Kobalt 60 radioaktiven Isotopspaltstoffes. Es ist daher erforderlich,

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einen Überschuss an Spaltstoff bei Beginn der Arbeitsdauer vorzusehen, so dass genügend eingeleitete Leistung noch am Ende der abgeleiteten Arbeitsperiode verfügbar ist, die den Zerfall des radioaktiven Isotops berücksichtigt.

Solch ein Brennstoffüberschuss könnte zu einer überhitzung des Systems führen und die thermoelektrisehen Vorrichtungen zerstören, wenn nicht Mittel vorgesehen sind, um die überschüssige Energie im frühen Stadium der Inbetriebnahme zu verteilen. Die Erfindung sieht daher Mittel vor, die die überschüssige Energie verteilen, während die'Wärmequelle nahe der optimalen Temperatur gehalten wird, unabhängig von Veränderungen der Aussentemperatur. Im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Verfahren, wie bei mechanischen Wärmeableitungen, ist das Verfahren der Erfindung nicht umkehrbar und lässt nicht zu, dass äussere Wärme in das System gelangen kann, ein wichtiger Faktor bei der Abschätzung der Sicherheit des isotopen Leistung systems im Brennzustand. Im übrigen weist das System keine beweglichen Teile auf und kann auch durch die Strahlung nicht zerstört werden, wodurch die Zuverlässigkeit des störungsfreien Arbeitsvorganges noch vergrössert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert:
Es zeigen ■ ■

Figur 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte An

sicht eines Wärmeblocks, eines Kühlkörpers und einer Wärmeübertragungsvorrichtung zwischen diesen beiden Teilen,

Figur 2 eine grafische Darstellung einer typischen

Funktion der heissen Endtemperatur von der Wärmezufuhr in Watt.

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Die Figur 1 zeigt einen Wärmeblock 1, der eine Wärmestabilisierung erfordert, in guter thermischer Kopplung mit einer Kupferklemmhülse 2, in die ein Rohr 3 eingepresst ist. Das untere Ende des Rohres ist durch einen Stöpsel 4 abgeschlosj sen. Das untere Ende des Rohres kann auch ohne Verwendung der Klemmhülse 2 in direkter thermischer Kopplung mit dem Wärmeblock stehen.

Das obere Ende des Rohres endet in einer Muffe 5, die in einen Kühlkörper 6 od. dgl. eingepresst ist, um in guter thermischer Kopplung zu stehen. Das obere Ende des Rohres ist durch einen Stöpsel 7 abgeschlossen und das Rohr ist gefüllt mit einem Edelgas, wie Argon oder Helium, sowie mit einer geringen Menge flüssigen Quecksilbers 8. Wenn auf die Muffe 5 verzichtet wird, muss das obere Ende des Rohres in guter thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper 6 stehen. Das Rohr 3 kann von einem wärmeisolierenden Material umgeben sein. Das Einfüllen des Edelgases wird unter einem vorher bestimmten Druck vorgenommen.

Das Rohr 3 weist dünne Wände auf, hat eine geeignete Länge und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass nur geringe Wärmemengen vom unteren heissen zum oberen kalten Ende übertragen werden können,bis die Temperatur am heissen Ende den Siedepunkt des Quecksilbers erreicht hat. Die Verwendung von einem Materia mit niedriger Wärmeleitfähigkeit für das Rohr verringert schädliche Verluste. Wenn das Quecksilber siedet, fliesst ständig Dampf zum kalten Ende des Rohres, wo es kondensiert und zum unteren Ende wieder zurückfliesst mit einer daraus folgenden beträchtlichen Zunahme in der Wärmeübertragung. Das Sieden des Quecksilbers erfolgt nur dann, wenn der Dampfdruck denselben Wert erreicht wie der innere Gasdruck im Rohr 3, und da sich der Dampfdruck des Quecksilbers sehr schnell mit der Temperatur ändert, kann der tibergang zwischen der niedrigen Wärmeleitung (nicht siedend) und der hohen Wärmeleitung (sie-

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dend) in einem geringen Temperaturbereich vorgenommen werden.

In der Praxis wird der Druck des Edelgases im Rohr 3 so gewählt, dass das Quecksilber im Fall einer isotopischen Wärmequelle bei einer maximal gewählten Temperatur sieden wird. Jeder Oberschuss an Leistunqsaufnähme, die erforderlich ist, j um die gewünschte Temperatur aufrechtzuerhalten, lässt das j

i Quecksilber kräftig sieden, wobei die überschüssiqe Wärme zum j

Kühlkörper 6 übertragen und ein weiterer Temperaturanstieg · verhindert wird. Der richtige Fülldruck in einem gegebenen j

System kann durch Versuche leicht bestimmt v/erden. !

I Der Quecksilber-Dampffluss innerhalb des Rohres 3 hat die Wirkung, dass sich das Edelgas am kalten Ende während des j Betriebes konzentriert. Es ist erforderlich, einen Kondensation bereich vorzusehen, und das Gas ausserhalb des Ouecksilber-Kondensierbereichs aufzunehmen, um eine Beeinträchtigung mit dem Kondensierprozess zu vermeiden. In dem gezeigten Beispiel ist das Rohrvolumen innerhalb der Muffe 5 diesem Zweck entsprechend angepasst. Wenn die Muffe 5 in dem Kondensationsbereich angeordnet ist, könnte eine Ausdehnung des oberen Teils des Rohres ausserhalb des Kühlkörpers vorgesehen werden. '

In einer von der Anmelderin konstruierten Radioisotopen-Ener- ;

giequelle werden drei qleichartige Warmeübertraqunqsrohre 3 j

mit siedendem Quecksilber dazu verwendet, die Temperatur des j Wärmeblocks zu stabilisieren. Die Rohre sind an Mittelpunkten mit qleichem Abstand an der,Aussenseite des Wärmeblocks 1 an

den

den unteren Enden und an dem/Kupferflansch bildenden Teil des Kühlkörpers am oberen Ende befestigt. Drei Rohre werden dazu verwendet, die Gleichförmigkeit der Wärmeblocktemperaturverteilung zu verbessern und die Zuverlässiqkeit zu sichern, indem eine hinreichende Redundanz vorgesehen ist.

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Dipl.-Inq. Heini Lesser Patentanwalt D — 8 Münzen 81. Cosimastrnfje 81 Telefon- (0811) 483820

Jedes Rohr 3

Bohrung

Wanddicke Werkstoff

Abschluss an den Enden

Quecksilberinhalt

Füllgas

Fülldruck (kaltes Rohr)

Wärmekontakt am unteren Ende

kalter Kontakt am oberen Ende

Wärmeisolierung

hat die folgenden charakteristischen Merkmale: 152,4 mm 12,7 mm

5,08 mm

reines Tantal (gewählt für einen hohen Widerstand gegen Quecksilberkorrosion)

schmelzgeschweisste Tantalkappen

2,0 cc Helium

20 Torr

Kupferklemmhülse 25,4 mm tief

fest sitzende Kupfermuffe, hart gelötet, 50,8 mm am oberen Ende des Rohres und am Kühlkörper angeschweisst

aufgefülltes Edelgas wie Xenon mit hoher microporiger Leistung und geringer Leitfähigkeit.

Figur 2 zeigt die typische Arbeitsweise eines einzigen Rohres. Zum besseren Verständnis ist die Wärmeleistung für den Wärmeblock 1 in Watt angegeben. Die Kurve zeigt die entsprechende Temperatur am warmen Ende in Grad C auf. Aus dieser Kurve kann entnommen werden, dass mit einer Änderung der Leistungsaufnahme von 30 auf 1OO Watt sich die Temperatur am warmen Ende nur von etwa 250 auf etwa 300 Grad C verändert.

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Claims (1)

1. Dipl. Ing. Heinz lesser, Patentanwalt D— β München 81. Cosimastrafc* 81 Telefon: ((»11) 483820

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   PATENTANSPRUCH

   Stabilisierung der Temperatur einer Radioisotopen-Wärmequelle vermittels einer Wärmeübertragungsvorrichtung, bei der siedendes Quecksilber als übertragungsmittel von einem Wärmeblock zu einem Kühlkörper vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein dünnes hohles Rohr (3) aus einem Werkstoff niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, von dem das eine Ende in guter thermischer Kopplung mit dem radioisotop erhitzten Wärmeblock (1) und das andere Ende in guter thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper (6) steht, dass gasdichte Verschlüsse für die beiden Enden des Rohres (3) angeordnet sind,

   dass eine verhältnismässig geringe Menge Quecksilber nahe dem einen Ende des Rohres vorgesehen ist,

   dass eine Edelgasftillung für das Rohr (3) einen vorbestimmten Druck hat,

   dass eine wärmeleitende Muffe {5} in guter thermischer Kopplung zwischen dem Rohr (3^s ) und dem Kühlkörper (6) angeordnet ist, und

   dass die Muffe (5) sich vom Kühlkörper (6) aus entlang einem wählbaren Teil des Rohres (3) erstreckt.

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