DE2523863A1 - RADIO ISOTOPE HEAT SOURCE AND METHOD FOR PRODUCING IT - Google Patents

RADIO ISOTOPE HEAT SOURCE AND METHOD FOR PRODUCING IT

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DE2523863A1
DE2523863A1 DE19752523863 DE2523863A DE2523863A1 DE 2523863 A1 DE2523863 A1 DE 2523863A1 DE 19752523863 DE19752523863 DE 19752523863 DE 2523863 A DE2523863 A DE 2523863A DE 2523863 A1 DE2523863 A1 DE 2523863A1
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alloy
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DE19752523863
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Gary Jermyn Jones
Edward James Selle
Paul Eugene Teaney
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US Department of Energy
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    • G21HOBTAINING ENERGY FROM RADIOACTIVE SOURCES; APPLICATIONS OF RADIATION FROM RADIOACTIVE SOURCES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; UTILISING COSMIC RADIATION
    • G21H1/00Arrangements for obtaining electrical energy from radioactive sources, e.g. from radioactive isotopes, nuclear or atomic batteries
    • G21H1/10Cells in which radiation heats a thermoelectric junction or a thermionic converter
    • G21H1/103Cells provided with thermo-electric generators
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21GCONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G4/00Radioactive sources
    • G21G4/04Radioactive sources other than neutron sources
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Description

PATENTANWALTPATENT ADVOCATE

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PATLAW 8000 MUNICH 22 . (089)29 85PATLAW 8000 MUNICH 22. (089) 29 85

ST. ANNAPLATZ 6 (WEST GERMANY)ST. ANNAPLATZ 6 (WEST GERMANY)

R-474,548R-474,548

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Radioisotop-Wärmequelle sowie Verfahren zu deren Herstellung.Radioisotope heat source and process for its production.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radioisotop-Wärmequelle und auf ein Verfahren für einen langlebigen elektrischen Generator.The invention relates to a radioisotope heat source and to a method for a long-lived electric generator.

Radioisotop-Wärmequellen werden in vielen Anwendungsfällen benutzt, wo eine verhältnismäßig lange Lebensdauer erforderlich ist. Zu diesen Verwendungen gehört die Erzeugung von thermischer Energie für thermoelektrische Energieumwandlungsgeneratoren, Heizvorrichtungen und dergleichen auf dem Gebiet der Raumfahrt, des Militärs, der Medizin und bei ähnlichen Anwendungsfällen. Radioisotope heat sources are used in many applications where a relatively long life is required. These uses include the generation of thermal energy for thermoelectric Energy conversion generators, heating devices and the like in the field of space travel, military, medical and similar use cases.

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Wegen der radiologischen und toxischen Natur 'vieler in solchen Wärmequellen verwendeten Radioisotopen sind scharfe Sicherheitsbedingungen erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Radioisotope unter sämtlichen normalen Betriebsbedingungen und auch bei sämtlichen unnormalen möglicherweise auftretenden Bedingungen in der Wärmequelle enthalten bleiben. Wenn die Anforderungen hinsichtlich der thermischen Energie und/oder der verwendbaren Lebensdauer erhöht v/erden, so wird der Einschluß der Radioisotope ein größeres Problem. Dieses Einschließen wird ebenfalls schwieriger, wenn Radioisotope, wie beispielsweise Plutonium, verwendet werden, die unerwünschterweise mit zahlreichen Behältermaterialien reagieren, und ί,^άτ insbesondere bei der Betriebs- oder Konstruktionstemperatur und bei Umgebungsbedingungen, denen die Wärmequelle ausgesetzt sein kann.Because of the radiological and toxic nature of many of the radioisotopes used in such heat sources, strict safety conditions are required to ensure that the radioisotopes remain in the heat source under all normal operating conditions, including any abnormal conditions that may arise. As the thermal energy and / or useful life requirements increase, the inclusion of radioisotopes becomes a greater problem. This inclusion is also difficult when radioisotopes, such as are used plutonium that react undesirably with numerous container materials, and ί, ^ άτ especially when operating or construction temperature and under ambient conditions, which may be exposed to the heat source.

Plutonium-Radioisotope, und insbesondere Plutonium-238, sind als eine lange Lebensdauer aufweisende Radioisotop-Wärmequellen wegen der großen Halbwertszeit des Isotops attraktiv und wegen der Tatsache, daß diese vorherrschend ein Alphaemitter und nur ein begrenzter Emitter von- durchdringenderen Strahlungen sind. Plutonium ist jedoch für Menschen bei der Einatmung von selbst geringen Mengen äußerst giftig und jede Plutonium verwendende Wärmequelle muß so konstruiert sein, daß sie den internen Temperaturen oder Drücken, die durch das Radioisotop selbst erzeugt werden, ohne schädliche Reaktion widersteht, und darüber hinaus muß eine solche Wärmequelle jedem möglichen Stoß oder anderen Belastungen und Temperaturen standhalten, die von außerhalb der Wärmequelle kommen.Are plutonium radioisotopes, and particularly plutonium-238 attractive as long-life radioisotope heat sources because of the long half-life of the isotope and because of the fact that these are predominantly an alpha emitter and only a limited emitter of more penetrating radiations. However, plutonium is extremely poisonous to humans when inhaled even in small amounts and anyone who uses plutonium The heat source must be designed to withstand the internal temperatures or pressures generated by the radioisotope itself be withstood without a harmful reaction, and moreover, such a heat source must withstand every possible shock or withstand other loads and temperatures that come from outside the heat source.

Viele der üblichen Hochtemperatur- und/oder Hochfestigkeits-Metalle oder andere Materialien, die normalerweise für Behälter oder stoßbeständige Glieder verwendet werden, können in ihren Umschließungseigenschaften nachteilig dann beeinflußt werden, wenn sie in einem Radioisotop-Wärmequellenanwendungsfall benutzt werden, was sie für solche Anwendungsfälle ungeeignet macht. Darüber hinaus werden viele dieser MaterialienMany of the common high temperature and / or high strength metals or other materials normally used for containers or shock resistant members are adversely affected in their containment properties when in a radioisotope heat source application can be used, which makes them unsuitable for such applications. In addition, many of these materials are used

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nicht ohne weiteres verschweißt oder in anderer Weise in die gewünschte Wärmequellenform gebracht oder bestehen aus oder enthalten Materialien, die mit dem Radioisotop oder anderen üblicherweise zusammen damit verwendeten Materialien reagieren.not readily welded or otherwise brought into the desired heat source shape or consist of or contain materials that react with the radioisotope or other materials commonly used in conjunction with it.

Durch Radioisotope betriebene thermoelektrische Generatoren werden derzeit in verschiedenen Raumfahrt- und ähnlichen Anwendungsfällen benutzt. Ein typischer Generator, wie er beispielsweise in U.S. Patent 3 388 008 beschrieben ist, kann ungefähr unter Verwendung von Draht-Thermoelementen eine elektrische Leistung von 1 Milliwatt erzeugen. Diese Generatoren können in ihrer elektrischen Energieausgangsgröße, in der durch ihre Wärmequelle erzeugten thermischen Energie und/oder in ihren Lebensdauern beschränkt sein. Wenn Versuche gemacht werden, um die elektrischen oder thermischen Energien zu erhöhen, so nehmen die Generator-Lebensdauern im allgemeinen ab, und zwar infolge der schwierigeren Umgebungsbedingungen, denen die das Radioisotop enthaltenden Materialien ausgesetzt sind. Der Anstieg der Lebensdauer, der thermischen Energie und der elektrischen Ausgangsgrößen schlägt allgemein die Verwendung äußerst seltener und teurer Materialien sowie Bearbeitungsverfahren bei der Herstellung der Vorrichtung vor, was die Kosten für die Wärmequelle übermäßig ansteigen läßt und alternative LeistungsVersorgungen attraktiver macht. Chemische Leistungsquellen können dabei betrachtet werden, besitzen aber im allgemeinen eine wesentlich kürzere Lebensdauer als dies erwünscht ist und sie müssen ersetzt werden oder aber sie können in solchen Anwendungsfällen nicht benutzt werden, wo die Leistungsquelle nicht ohne weiteres zugänglich ist. Darüber hinaus sind die chemischen Leistungsquellen im allgemeinen relativ groß und schwer verglichen mit vergleichbaren Radioisotop-Generatoren.Radioisotope powered thermoelectric generators are currently used in various aerospace and similar applications used. A typical generator, such as that described in U.S. U.S. Patent 3,388,008 can be approximately generate an electrical output of 1 milliwatt using wire thermocouples. These generators can be used in their electrical energy output, in the thermal energy generated by their heat source and / or in their Lifetimes be limited. If attempts are made to increase the electrical or thermal energies, so take it generator lifetimes generally decrease due to the more severe environmental conditions encountered by the radioisotope containing materials. The increase in service life, thermal energy and electrical output variables generally suggests the use of extremely rare and expensive materials and machining processes in manufacture the device, which increases the cost of the heat source excessively, and alternative power supplies makes it more attractive. Chemical power sources can be considered, but generally have an essential one shorter life than is desirable and they must be replaced or they can in such applications cannot be used where the power source is not readily accessible. In addition, the chemical power sources are generally relatively large and heavy compared to comparable radioisotope generators.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Plutoniumradioisotop-Wärmequelle mit einer langen Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit vorzusehen. Ferner bezweckt die Erfindung, eine Plutoniumradioisotop-Wärmequelle anzugeben, die in radiologischer und biologischer Hinsicht äußerst sicher ist.The present invention aims to provide a plutonium radioisotope heat source with a long life and to provide high reliability. Another object of the invention is to provide a plutonium radioisotope heat source which is extremely safe radiologically and biologically.

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Ferner sieht die Erfindung eine solche Wärmequelle vor, die in einem thermoelektrischen Generator benutzt werden kann. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmequelle.The invention also provides such a heat source that can be used in a thermoelectric generator. The invention also relates to a method for producing such a heat source.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, wobei die wichtigsten Merkmale insbesondere in den Ansprüchen angegeben sind.Further advantages, objects and details of the invention result from the description, the most important features being specified in particular in the claims.

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Radioisotop-Wärmequelle und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Quelle, in der Plutoniumdioxydstückchen mit Yttriumteilchen gemischt sind, und zwar innerhalb einer abgedichteten Tantallegierungsschicht oder -schichten, wobei eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 1570 K bis ungefähr 1720 K für mindestens ungefähr 1 Stunde erfolgt, worauf dann eine Umschließung in einem äußeren Nickellegierungsschichtkörper erfolgt.The invention thus relates to a radioisotope heat source and to a method for producing one Source in which bits of plutonium dioxide are mixed with particles of yttrium within a sealed layer of tantalum alloy or layers, with a heat treatment at a temperature of about 1570 K to about 1720 K. for at least about 1 hour, followed by encapsulation in an outer nickel alloy composite he follows.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:In the following the invention is described with reference to the drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 einen Querschnitt eines thermoelektrischen Generators, der die erfindungsgemäße Wärmequelle enthält;1 shows a cross section of a thermoelectric generator which contains the heat source according to the invention;

Fig. 2 einen Querschnitt der im Generatur der Fig. 1 verwendeten Radioisotop-Wärmequelle;FIG. 2 shows a cross section of the radioisotope heat source used in the generation of FIG. 1;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Härte der Tantallegierungsauskleidungswände ohne die durch die Erfindung vorgeschriebene Behandlung;Figure 3 is a graph of the hardness of the tantalum alloy liner walls without the treatment prescribed by the invention;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Härte der Tantallegierungsauskleidung über ihren Querschnitt hinweg, und zwar nachdem die Wärmequelle bestimmten Wärmebehandlungen und Vorgängen ausgesetzt wurde.Figure 4 is a graph of the hardness of the tantalum alloy liner across its cross-section, namely after the heat source certain heat treatments and Operations has been suspended.

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Die Erfindung bezweckt, einen thermoelektrischen Radioisotop-Generator mit einer Lebensdauer von bis zu ungefähr 15 bis 16 Jahren vorzusehen, und zwar mit einer elektrischen Ausgangsgröße von ungefähr 25 Milliwatt oder mehr in einer radiologisch sicheren Gestalt. Ein solcher Generator kann beispielsweise der in Fig. 1 gezeigte, durch Radioisotop betriebene thermoelektrische Generator 10 sein. Der Generator 10 kann eine Radioisotop-Wärmequelle 12 - die im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird - in geeigneter Weise gehaltert innerhalb eines Hohlraums in einem zylindrischen Isolatorblock 14 und einem Aussenmantel oder einer Aussenschicht 16 aufweisen. Die Wärmequelle 12 kan unter Druck gegen eine geeignete ebene Thermoelementanordnung oder Thermosäule (Thermopile) 18 durch ein Federvorspannglied 20 über einen Isolierstopfen 22 gehalten werden, der in einer Bohrung des Isolatorblocks 14 an einem Ende des Generators 10 gehaltert ist. Ein Übergangselement 24 ist zwischen der Wärmequelle 12 und der Thermosäule 18 angeordnet, um dazwischen einen guten thermischen Kontakt vorzusehen, wohingegen die Thermosäule von der Wärmequelle elektrisch isoliert ist. Die Thermosäule wird von einer Endwand 26, einem Befestigungsblock 28 und einem Übergangsglied 30 getragen, wobei die Endwand 26 in geeigneter Weise am Mantel 16 befestigt ist, um eine starre Halterung für den Befestigungsblock 28 und das Übergangsglied 30 zu bilden. Das Übergangsglied 3O erzeugt ebenso wie das Übergangsglied 24 eine gute thermische Leitfähigkeit zum Befestigungsblock 28, wohingegen es eine elektrische Isolierung der Thermosäule gegenüber dem Befestigungsblock hervorruft. Die elektrische Verbindung zu den Thermoelementen in der Thermosäule 18 kann durch eine geeignete elektrische Verbindung und Leiter 32 oder eine Schaltplatte 33 erfolgen. Das Innere des Generators 10 kann in geeigneter Weise evakuiert oder herabgepumpt sein und sodann wieder mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Xenon, angefüllt sein, um die thermischen Leitfähigkeiten durch Abquetschrohr 35 zu stabilisieren.The invention aims to provide a thermoelectric radioisotope generator with a life of up to about 15 to 16 years with an electrical output of about 25 milliwatts or more in a radiologically safe form. Such a generator can, for example the radioisotope operated thermoelectric generator 10 shown in FIG. The generator 10 For example, a radioisotope heat source 12 - which will be described in detail with reference to FIG. 2 - may be suitable supported within a cavity in a cylindrical insulator block 14 and an outer jacket or an outer layer 16 have. The heat source 12 can be pressurized against a suitable planar thermocouple assembly or thermopile (Thermopile) 18 are held by a spring biasing member 20 via an insulating plug 22, which is in a bore of the Isolator block 14 is supported at one end of the generator 10. A transition element 24 is between the heat source 12 and the thermopile 18 to provide good thermal contact therebetween, whereas the thermopile is electrically isolated from the heat source. The thermopile is supported by an end wall 26, a mounting block 28 and a transition member 30, with the end wall 26 suitably attached to the shell 16 to provide a rigid Form support for the mounting block 28 and the transition member 30. The transition link 3O generates just like that Transition member 24 has good thermal conductivity to the mounting block 28, whereas there is electrical insulation causes the thermopile opposite the mounting block. The electrical connection to the thermocouples in the Thermopile 18 can be made by a suitable electrical connection and conductor 32 or a circuit board 33. The inner of the generator 10 can be evacuated or pumped down in a suitable manner and then again with an inert gas, such as xenon, for example, to be filled in order to stabilize the thermal conductivities through the pinch tube 35.

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Um den Anforderungen hinsichtlich der 25 Milliwatt elektrischer Leistung zu genügen, können die in der Thermosäule verwendeten Thermoelemente ein extremes Seitenverhältnis (d.h. Querschnittsfläche zu Längenverhältnis) erforderlich machen, wie dies durch den spezifischen Widerstand, die Seebeck-Koeffizienten, das Temperaturdifferential, die Lastspannung und die elektrischen Leistungsanforderungen bestimmt ist Eine typische Thermosäulenanordnung 18 ist in der U.S. Patentanmeldung Serial No. 290,685 vom 20. September 1972 gezeigt. In dieser Thermosäule sind die Thermoelemente einen hohen spezifischen Widerstand aufweisende Silizium-Germanium-Legierungen, die in Plättchen (wafers) von ungefähr 0,18 mm Dicke und 2,5 χ 3,8 mm Größe geformt sind. Die Plättchen sind miteinander in einem Stapel durch ein geeignetes Glasmaterial verbunden, und zwar unter Verwendung geeigneter Zwischenverbindungen an entgegengesetzten Enden der Plättchen, um die gewünschte Anzahl von Thermoelementen auszubilden. Im beschriebenen Generator 10 können jeweils ein oder zwei Stapel von ungefähr 26 Plättchen verwendet und miteinander verbunden werden, um 25 Milliwatt elektrische Energie von jedem Stapel zu liefern, und zwar bei einem thermischen Differential von ungefähr 700°K.In order to meet the requirements with regard to the 25 milliwatts of electrical power, the thermocouples used require an extreme aspect ratio (i.e. cross-sectional area to length ratio) do this, as is the case with the resistivity, the Seebeck coefficient, the temperature differential, the load voltage and electrical power requirements are determined. A typical thermopile assembly 18 is shown in U.S. Pat. Patent application Serial No. 290,685 dated September 20, 1972. In this thermopile, the thermocouples are a tall one silicon-germanium alloys exhibiting resistivity, which are formed into wafers approximately 0.18 mm thick and 2.5 3.8 mm in size. The tiles are with each other connected in a stack by a suitable glass material using suitable interconnections at opposite ends of the platelets to form the desired number of thermocouples. In the described Generator 10 can use one or two stacks of approximately 26 wafers at a time and bond them together to provide 25 milliwatts of electrical power from each stack at a thermal differential of about 700 ° K.

Wie bereits oben erwähnt, ist die Wärmequelle 12 in festen Kontakt mit der Thermosäule 18 durch Übergangsglied 24 und das Federvorspannglied 20 gepreßt. Um den richtigen thermischen Kontakt über die Lebensdauer des Generators 10 hinweg zwischen der Wärmequelle und der Thermosäule aufrechtzuerhalten, sollte das Federvorspannglied 20 so ausgebildet sein, daß ein relativ konstanter Federdruck selbst dann aufrechterhalten bleibt, wenn der Isolatorstopfen 22 in seinen Dimensionen in einem gewissen Grad unstabil sein sollte. Es können auch andere Vorspannanordnungen verwendet werden, wie beispielsweise eine Spannungsstange oder eine Kombination von Spannungsstangen, die um die Wärmequelle 12 herum angeordnet und mit dieser und der Basisplatte 26 mechanisch gekoppelt sind, um die gewünschten Druckkräfte zu erzeugen, die über die Generatorlebensdauer hinweg konstant sind. Die Übergangsglieder 24 undAs mentioned above, the heat source 12 is in firm contact with the thermopile 18 through transition member 24 and the Spring biasing member 20 pressed. To ensure the correct thermal contact over the life of the generator 10 between To maintain the heat source and the thermopile, the spring biasing member 20 should be designed so that a relative constant spring pressure is maintained even when the isolator plug 22 in its dimensions in a should be unstable to some degree. Other biasing arrangements can also be used, such as one Tension rod or a combination of tension rods arranged around the heat source 12 and with it and the base plate 26 are mechanically coupled to generate the desired compressive forces over the life of the generator are constant across The transition members 24 and

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30 können Scheiben aus Bornitrid, Glas oder Keramikstoffen sein, welche die gewünschte thermische Leitfähigkeit und elektrische Isolierung erzeugen. Bornitrid kann als ein Block verwendet werden oder auf ein geeignetes Substrat, wie beispielsweise dünne Plättchen aus Gold, Kupfer oder Legierungen von Nickel oder dergleichen, und ähnliche Anordnungen dampfabgeschieden sein.30 disks made of boron nitride, glass or ceramic materials which produce the desired thermal conductivity and electrical insulation. Boron nitride can be used as a block or on a suitable substrate, such as thin platelets of gold, copper or alloys of nickel or the like, and similar arrangements.

Die elektrischen Zwischenverbindungen zwischen der Thermosäule 18 und der Verbindung 32 können durch geeignete Drahtleiter aus Materialien wie beispielsweise Gold oder goldplattierten Legierungen hergestellt sein oder sie können unter Verwendung von einer Zwischenverbindung in Form einer gedruckten Schaltung und eines Leitersystems vorgesehen sein, welches beispielsweise Aluminiumoxydsubstrate mit Chrom-Goldoder Platin-Gold-Leitern verwendet. Der Isolatorblock 14 und der Stopfen 22 können aus geeignetem Hochtemperatur-Thermoisoliermaterial bestehen, wie beispielsweise Mischungen aus 75% Siliziumoxydpulver, 9% Siliziumoxydfaser und 16% Titaniumoxydundurchsichtigmacher. Der Aussenmantel 14 und die Endplatte 26 können aus geeigneten rostfreien Stählen oder dergleichen bestehen, die mit den Umgebungsbedingungen, denen der Generator 10 ausgesetzt werden soll, kompatibel sind.The electrical interconnections between the thermopile 18 and the connection 32 can be formed by suitable wire conductors made of materials such as gold or gold-plated Alloys can be made or they can be made using an interconnect in the form of a printed circuit and a conductor system can be provided, which, for example, aluminum oxide substrates with chrome-gold or Platinum-gold ladders used. The insulator block 14 and the plug 22 can be made of suitable high temperature thermal insulating material such as blends of 75% silica powder, 9% silica fiber, and 16% titanium oxide opacifier. The outer jacket 14 and the end plate 26 can be made of suitable stainless steels or the like exist that are compatible with the environmental conditions to which the generator 10 is to be exposed.

Die im einzelnen in Fig. 2 gezeigte Wärmequelle 12 umfaßt ein Radioisotop enthaltendes Wärmequellenmaterial oder eine Brennstoffmischung 34, die innerhalb einer abgedichteten Auskleidung oder eines Behälters 36 eingeschlossen sein kann, wobei ein zusätzliches Verstärkungsglied 38 vorgesehen ist oder nicht. Der Behälter 36 und das Verstärkungsglied 38 können ihrerseits in einem abgedichteten äußeren Mantel 40 eingeschlossen und darin eingesetzt sein, um eine vollständige Wärmequelle 12 zu bilden, die in der Lage ist, das radioaktive Material für ausgedehnte Zeitperioden, beispielsweise für bis zu 16 Jahren und mehr, zu enthalten, und zwar ohne die Freigabe von radioaktivem Material infolge der Zersetzung des Behälters bei normalen BetriebsbedingungenThe heat source 12 shown in detail in Figure 2 comprises a radioisotope-containing heat source material or Fuel mixture 34, which may be enclosed within a sealed liner or container 36, with an additional reinforcing member 38 being provided or not. The container 36 and the reinforcement member 38 may in turn be enclosed in a sealed outer jacket 40 and inserted therein to provide a complete To form heat source 12 capable of keeping the radioactive material for extended periods of time, for example for up to 16 years and more, to contain without the release of radioactive material as a result of the decomposition of the container under normal operating conditions

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oder bei irgendwelchen Unfallsbedingungen, die möglicherweise auftreten können. Der Behälter 36, das Verstärkungsglied 38 und der Mantel 40 können in der gleichen allgemeinen Gestalt und Form mit einem im ganzen hohlen zylindrischen Körperteil 42 ausgebildet sein, welches an einem Ende durch ein bogenförmiges oder halbkugelförmiges Endteil 44 abgeschlossen ist, welches - wenn gewünscht - etwas abgeflacht sein kann, und wobei der Verschluß am anderen Ende durch eine ebene Endkappe erfolgt, die in geeigneter Weise mit dem zylindrischen Körperteil 42 verschweißt ist. Die dargestellte Form minimiert die Anzahl der vorzusehenden Schweissungen und gestattet es, daß der zylindrische Teil 4 2 und die bogenförmigen oder halbkugelförmigen Teile 44 durch relativ einfache und billige Hydroformungs- oder Tiefzieh-Verfahren mit wenigen Bearbeitungsvorgängen hergestellt werden. Eine solche Form und die richtige Ausbildung derselben kann auch die Arbeits- und mechanischen Beanspruchspunkte minimieren, die normalerweise in bearbeiteten oder in anderer Weise ausgebildeten Gliedern auftreten und die oftmals als Ausfallpunkt bei langfristiger Verwendung in Hochtemperaturumgebungen wirken, und zwar bei Materialien, die das Bestreben haben, die Behältermaterialien zu oxydieren, zu reduzieren oder in anderer Weise anzugreifen.or any accident conditions that may arise. The container 36, the reinforcement member 38 and shell 40 may be of the same general shape and form with a generally hollow cylindrical body portion 42 be formed, which at one end by an arcuate or hemispherical end part 44 is closed, which - if desired - can be somewhat flattened, and the other end being closed by a flat end cap which is suitably connected to the cylindrical body part 42 is welded. The shape shown minimizes the number of welds to be provided and allows that the cylindrical part 4 2 and the arcuate or hemispherical parts 44 by relatively simple and cheap hydroforming or deep-drawing processes can be produced with just a few machining operations. Such a shape and the right one Training the same can also minimize the work and mechanical stress points that are normally machined in or otherwise trained limbs and which often act as a point of failure in long-term use in High temperature environments are effective with materials that tend to oxidize the container materials reduce or otherwise attack.

Wegen der möglichen Nähe der Wärmequelle 12 gegenüber strahlungsempfindlichen Materialien, wie beispielsweise elektronischen Schaltungen, und gegenüber Menschen ist es zweckmäßig, ein Radioisotop zu verwenden, welches wenig - wenn überhaupt radioaktiver Abschirmung bedarf. Ein alphaemittierendes Isotop, wie beispielsweise Plutonium-238, wird infolge seiner geringen oder nicht vorhandenen Betaemission und Gammastrahlung bevorzugt und ferner wegen seiner relativ hohen Leistungsdichte und Halbwertszeit. Plutonium-238 hat eine Halbwertszeit von ungefähr 88,4 Jahren und in der Dioxydform kann es eine spezifische Leistung von ungefähr 0,4 Watt/Gramm besitzen. Um die Reaktivität des Plutonium-238 Radioisotops mit Schutzmaterialien zu vermindern, wird vorgezogen, daß das Isotop sich in einer Cermet- oder keramischen Form befindet. Es wurde festgestellt, daß eine Hochleistungsdichte durch VerwendungBecause of the possible proximity of the heat source 12 to radiation-sensitive Materials, such as electronic circuits, and towards people it is useful to have a To use a radioisotope that requires little, if any, radioactive shielding. An alpha emitting isotope, such as plutonium-238, is due to its low or nonexistent beta emission and gamma radiation, and also because of its relatively high power density and half-life. Plutonium-238 has a half-life of approximately 88.4 years, and in the dioxide form it can have a specific power of approximately 0.4 watts / gram. To check the reactivity of the plutonium-238 radioisotope with protective materials To reduce it, it is preferred that the isotope be in a cermet or ceramic form. It was found that a high power density by using

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von Plutoniumoxyden, hauptsächlich - mindestens anfänglich in der Form von Plutoniumdioxyden erreicht werden kann, obwohl Karbide und Nitride unter einigen Betriebsbedingungen ähnliche Leistungsdichten liefern.of plutonium oxides, mainly - can be obtained at least initially in the form of plutonium dioxides, though Carbides and nitrides provide similar power densities under some operating conditions.

Sollte die Integrität der Schutzschichten der Wärmequelle 12 in Gefahr geraten, so ist es erwünscht, daß sich das Isotopmaterial 34 in einer Form befindet, welche das Entstehen von kleinen Teilchen, d.h. Teilchen von weniger als ungefähr 3,4 Mikrometern in Größe, minimiert, da diese Teilchen besonders gefährlich für Menschen sind, weil sie möglicherweise zufällig eingeatmet werden könnten. Der Plutoniumoxydbrennstoff im Material 34 kann in der Form eines festen gepreßten Pellets oder in Form unregelmäßig geformter Teilchen ausgebildet sein, wobei letztere als Stückchen oder Splitter (Shards) bezeichnet werden, die Zufallsgrößen (bestimmt durch das Sieben) von ungefähr 50 bis 500 Mikrometer aufweisen. Diese Stückchen können durch wesentlich weniger Verarbeitung und infolgedessen wesentlich geringeren Kosten hergestellt werden als andere Plutonium-Brennstoff-Formen. Es wurde festgestellt, daß diese Stückchen oder Shards, obwohl sie sich in Teilchenform und nicht in solider Form befinden, nicht mehr der oben erwähnten feinen Teilchen bilden als einzelne Pellets oder pelletisierter Brennstoff, und sie sind darüber hinaus leichter auszubilden und in die Wärmequelle 12 einzubringen. Plutoniumoxydbrennstoff, der 80% angereichert im Plutonium-238 Isotop ist, kann typischerweise ungefähr 14000 Neutronen/Gramm Sekunde und gamma bei einer Spitze von ungefähr 6 rad/Jahr emittieren. Der Neutronenfluß kann auf ungefähr 3500 bis 4000 Neutronen/GrammShould the integrity of the protective layers of the heat source 12 be compromised, it is desirable that the isotopic material 34 is in a form that allows for the formation of small particles, i.e. particles of less than about 3.4 microns in size, minimized as these particles are especially dangerous to humans because they can be could be inhaled accidentally. The plutonium oxide fuel in material 34 may be in the form of a solid pressed Pellets or in the form of irregularly shaped particles, the latter as pieces or splinters (Shards) that have random sizes (determined by sieving) of approximately 50 to 500 micrometers. These Bits can be made with much less processing and, as a result, much less cost than other forms of plutonium fuel. It was determined, that these bits or shards, although in particulate rather than solid form, are no longer the ones above The above-mentioned fine particles form as individual pellets or pelletized fuel, and they are also lighter and to be introduced into the heat source 12. Plutonium oxide fuel, which is 80% enriched in the plutonium-238 isotope, can typically do about 14,000 neutrons / gram second and emit gamma at a peak of about 6 rad / year. The neutron flux can be approximately 3500 to 4000 neutrons / gram

Sekunde durch Sintern der Plutoniumoxydstückchen in einer Strömung von Sauerstoff-16 reduziert werden.Second by sintering the plutonium oxide pieces in a stream of oxygen-16.

Zusätzlich zu den Plutoniumoxyden im Material 34 kann damit ein Gettermaterial gemischt werden, und zwar beispielsweise Yttrium-oder Hafnium-Metallteilchen, die die stabilsten OxydIn addition to the plutonium oxides in material 34, a getter material can be mixed therewith, for example Yttrium or hafnium metal particles, which are the most stable oxide

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bildenden Agenzien sind, die mit den für den Behälter 36 und das Verstärkungsglied 38 verwendeten Materialien kompatibel sind. Die Plutoniumoxyde können als Plutoniumdioxyd zwischen ungefähr 96,8 und 92,9 Gewichtsprozent und zwischen ungefähr 3,2 und 7,1 Gewichtsprozent für das Gettermaterial liegen. Yttrium wird als Gettermaterial bevorzugt, da es einfach in Luft zu handhaben ist, und da es als Getter für Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, was in kleinen Mengen als organische Verunreinigungen im Brennstoffmaterial 34 vorliegen kann, effektiver ist. Das Gettermaterial· sollte vorzugsweise in Teilchen-oder Stückchenform vorliegen und die Abmessungen sollten ungefähr 3,0 χ 3,0 χ 0,25 mm oder kleiner sein. Größere Stücke oder Metallfolien aus dem Gettermaterial können möglicherweise nicht eine hinreichende Reduktion des Plutoniumoxydbrennstoffs bewirken.forming agents are compatible with the materials used for container 36 and reinforcing member 38 are. The plutonium oxides can be used as plutonium dioxide between about 96.8 and 92.9 percent by weight and between about 3.2 and 7.1 percent by weight for the getter material. Yttrium is preferred as the getter material because it is simply in Air is to be handled, and since it acts as a getter for hydrogen, carbon and nitrogen, what in small amounts is called organic There may be impurities in the fuel material 34, is more effective. The getter material should preferably be in particulate or Be in chunk shape and the dimensions should be approximately 3.0 3.0 0.25 mm or smaller. Bigger pieces or metal foils from the getter material may not be able to sufficiently reduce the plutonium oxide fuel cause.

Materialien für den Behälter 36, das Verstärkungsglied 38 und den Mantel 40 müssen den Korrosions- und Oxydations-Widerstand der Materialien in den besonderen Umgebungen in Betracht ziehen, in denen sie verwendet werden, wobei auch die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen (oberhalb 12000K) und Schlagwiderstand, Herstellbarkeit und Schweißbarkeit zu berücksichtigen sind. Der Behälter und das Verstärkungsglied 38 müssen gegenüber Korrosion und Oxydation beständig sein, die durch das Wärmequellenmaterial und die darin eingeschlossenen Verunreinigungen bewirkt werden, wohingegen der Mantel 40 gegenüber Korrosion oder anderen Angriffen beständig sein sollte, die von Materialien oder Umgebungen kommen, die sich außerhalb der Wärmequelle 12 befinden, wie beispielsweise gegenüber Frischwasser und Seewasser, Luft, usw. Im Hinblick darauf sotten die Behältermaterialien in der Lage sein, für die Lebensdauer der Wärmequelle arbeitsfähig zu bleiben, und zwar bei den Betriebstemperaturen der Wärmequelle und auch bei darüber hinausgehenden Temperaturen, die durch Feuer, Wiedereintritt aus dem Weltraum und dergleichen hervorgerufen werden, und wobei darüber hinaus ein hoher Schlag-Materials for the container 36, reinforcement member 38 and jacket 40 must take into account the corrosion and oxidation resistance of the materials in the particular environments in which they will be used, including mechanical properties such as tensile strength at high temperatures ( above 1200 0 K) and impact resistance, manufacturability and weldability must be taken into account. The container and reinforcement member 38 must be resistant to corrosion and oxidation caused by the heat source material and the contaminants trapped therein, whereas the jacket 40 should be resistant to corrosion or other attack coming from materials or environments outside of the Heat source 12 are located, such as against fresh water and sea water, air, etc. In view of this, the container materials must be able to remain operational for the life of the heat source, namely at the operating temperatures of the heat source and also at temperatures in excess of that caused by fire, reentry from space and the like, and in addition, a high impact

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1 ι -1 ι -

widerstand vorhanden sein sollte und zwar für den Fall, daß die Wärmequelle 12 mit hoher Geschwindigkeit auf ein Objekt auftrifft, und zwar selbst nach Verwendung über seine Lebensdauer bei normalen Betriebsbedingungen hinweg und zusätzlich zu der Tatsache, daß unnormale oder Unfallsbedingungen auftraten .resistance should be present in the event that the heat source 12 hits an object at high speed even after use over its lifetime under normal operating conditions and in addition to the fact that abnormal or accident conditions have occurred .

Der Behälter 36 kann als "Opfer"-Schicht dienen, die eine hinreichende Stärke besitzt, um mit jeglichen Verunreinigungen oder anderen Materialien zu reagieren, die innerhalb der Wärmequelle im Radioisotopbrennstoffmaterial 34 eingeschlossen sein können, und zwar über die Lebensdauer der Wärmequelle 12 hinweg, so daß für alle schädlichen Effekte, die sich aus solchen Reaktionen ergeben können, immer nur der Behälter 36 nachteilig beeinflußt wird. Der Behälter 36 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Verstärkungsglied 38, um die Kompatibilität zu vereinfachen, oder kann in einem einzigen Behälter (Container) ausgebildet sein. Es wurde festgestellt, daß ein Material, welches die für die Wärmequelle erwünschten Langlebensdauer-Eigenschaften besitzt, auf Tantal basierende Festlösungslegierungen sind, und zwar insbesondere die Tantal-Wolfram-Hafnium-Legierung von ungefähr 90 Gewichtsprozent Tantal, 8 Gewichtsprozent Wolfram und 2 Gewichtsprozent Hafnium. Andere ähnliche Legierungen sind in Wärmequellen verwendbar, aber mit etwas geringeren Festigkeiten, Lebensdauern und dergleichen. Es wurde erkannt, daß, obwohl solche Tantallegierungen das Bestreben haben, Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen zu absorbieren, somit verspröden, die Schwierigkeit dann überwunden wird, wenn die Ausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt, wobei sie dann über ausgedehnte Zeitperioden hinweg verwendet werden können ohne eine signifikante Degradierung durch die Brennstoffmischung. Der Behälter (Auskleidung) 36 aus diesem Material ist typischerweise auf eine Stärke von ungefähr 0,5 mm in der dargestellten Form tiefgezogen und ist mit einem Deckel. 36a von ähnlicher Stärke und aus dem gleichen Material versehen, wobei der Deckel damit verschweißt ist. Das Verstärkungsglied 38 kann in vergleichbarer Weise in eine ähnliche Form gebracht werden,The container 36 can serve as a "sacrificial" layer, the one has sufficient strength to react with any contaminants or other materials contained within the Heat source may be included in the radioisotope fuel material 34 for the life of the heat source 12 away, so that only the container 36 is adversely affected. The container 36 is preferably made of the same material as the reinforcing member 38, to simplify compatibility, or can be formed in a single container (container). It was determined, that a material which has the durability properties desired for the heat source is based on tantalum solid solution based alloys, particularly the tantalum-tungsten-hafnium alloy of approximately 90 percent by weight Tantalum, 8 percent by weight tungsten and 2 percent by weight hafnium. Other similar alloys can be used in heat sources, but with somewhat lower strengths, lifetimes and the like. It was recognized that although such tantalum alloys have the tendency to absorb oxygen at elevated temperatures, thus embrittling, the difficulty is then overcome when the training is carried out according to the present invention, and then over extended Can be used for periods of time without significant degradation by the fuel mixture. Of the Container (liner) 36 of this material is typically down to a thickness of about 0.5 mm in the illustrated Form deep drawn and comes with a lid. 36a of similar thickness and made of the same material, the Lid is welded to it. The reinforcing member 38 can be brought into a similar shape in a comparable manner,

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in die der Behälter 36 eingesetzt ist, wobei die Stärke aber ungefähr 1 bis ungefähr 1,5 nun beträgt und das Verstärkungsglied 38 seinerseits durch eine Endkappe 38a von ähnlicher Stärke und aus dem gleichen Material verschlossen ist, und zwar ist die Kappe 38a mit dem Glied 38 verschweißt.in which the container 36 is inserted, but the thickness is about 1 to about 1.5 now and that Reinforcing member 38 in turn closed by an end cap 38a of similar thickness and made of the same material is, namely the cap 38a is welded to the member 38.

Das Schicht- oder Auskleidmaterial für den Mantel bzw. die Auskleidung 40 kann ein bei hohen Temperaturen korrosionsbeständiges Material oder eine Legierung sein, wie beispielsweise bestimmte Nickelbasis-Legierungen, welche die gewünschte Formfähigkeit und Schweißbarkeit besitzen. Es wurde festgestellt, daß eine geeignete Legierung mit diesen gewünschten Eigenschaften ungefähr 14,5 bis 16,5 Chrom, 15 bis 17% Molybdän, 3 bis 4,5% Wolfram, 4 bis 7% Eisen, 2,5% Kobalt mit kleinen Mengen an Mn, Si, V, C, P und S aufweisen kann, wobei der Rest von ungefähr 55% Nickel ist. Der Mantel kann in die im ganzen hohle zylindrische und ein geschlossenes bogenförmiges, halbkugelförmiges Ende aufweisende Form durch Tiefziehen gebracht werden, wobei da hinein das Verstärkungsglied 38 eingesetzt werden kann und das offene Ende durch eine Endkappe 40a abdichtend verschlossen wird, welche aus einem ähnlichen Material wie der Mantel 40 besteht. Die Mantelstärke kann typischerweise von ungefähr 0,5 bis 1,5 mm stark sein.The layer or lining material for the jacket or the lining 40 can be one which is corrosion-resistant at high temperatures Material or an alloy, such as certain nickel-based alloys, which have the desired formability and weldability. It was found that a suitable alloy with these desired properties would be approximately 14.5 to 16.5 chromium, 15 to 17% molybdenum, 3 to 4.5% tungsten, 4 to 7% iron, 2.5% cobalt with small amounts of Mn, Si, V, C, P and S. with the balance of about 55% being nickel. The jacket can be cylindrical and hollow throughout having a closed arcuate hemispherical end Form are brought by deep drawing, in which the reinforcing member 38 can be used and the open end is sealingly closed by an end cap 40a which is made of a material similar to the jacket 40 exists. The jacket thickness can typically be from about 0.5 to 1.5 mm.

Die beschriebene dreischichtige Kapsel oder Wärmequellenanordnung ist nicht nur aus Sicherheitsgründen erwünscht, sondern auch aus Gründen der Herstellung und der Handhabung. Bei einer Dreischichtwärmequelle liegen zwei Schichten zwischen der äußeren Umgebung und der Verunreinigungen entfernenden Aussenoberflache des Behälters (Auskleidung) 36. Dies kann vorzuziehen sein, obwohl die genannten Materialien einen hohen Widerstandsgrad gegenüber Verunreinigung oder einem Angreifen durch andere Materialien und der Umgebung besitzen, dem die Wärmequelle 12 ausgesetzt sein kann, wenn sie in der oben beschriebenen Weise behandelt ist. Wenn die Materialien selbst mit einer verminderten oder geringen Rate über die Lebensdauer der Heizquelle angegriffen werden, soThe three-layer capsule or heat source arrangement described is not only desirable for safety reasons, but also for reasons of manufacture and handling. With a three-layer heat source, there are two layers in between the external environment and the contaminant-removing external surface of the container (liner) 36. This may be preferable, although the said materials have a high level of resistance to contamination or have attack by other materials and the environment to which the heat source 12 may be exposed if it is treated in the manner described above. When the materials themselves at a decreased or low rate be attacked over the life of the heating source, so

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kann dies durch eine hinreichende Stärke der Behältermaterialien (Containermaterialien) kompensiert werden, um sämtliche potentiellen Umgebungen zu überleben, denen der Behälter ausgesetzt sein kann. Die oben angegebenen Stärken erzeugen eine mehr als ausreichende Menge an Schutzmaterialien, um den Betrieb der Heizquelle über eine 16-jährige Lebenszeit vorzusehen. this can be compensated for by a sufficient thickness of the container materials (container materials) to accommodate all survive potential environments to which the container may be exposed. Generate the strengths given above a more than sufficient amount of protective materials to allow the heating source to operate for a 16-year lifetime.

Bei der Anordnung der Heizquelle 12 werden, nachdem jedes der Behälterelemente und der Endkappen in geeigneter Weise ausgebildet sind, die gewünschte Mischung aus Gettermaterialstückchen oder -teilchen und Plutoniumoxydshards in den oben angegebenen Mengen und der Form vermischt. Sodann wird die Brennstoffmischung 34 in den Behälter (Auskleidung) 36 eingegossen oder in anderer Weise eingebracht und eine Scheibe 4 aus dem gleichen Material wie der Behälter 36 wird zur Abdeckung der Brennstoffmischung 38 während des Schweissens verwendet. Das Einsetzen der Scheibe 48 in den Körper des Behälters 36 hat das Bestreben, einen Teil der Innenoberfläche des Behälters 36 von restlichem Brennstoffmaterial abzuwischen, was die Schweißintegrität unterstützt und einen Raum 50 am offenen Ende des Behälters 36 erzeugt. Sodann kann die Endkappe 36a an ihrer Stelle über dem offenen Ende des Behälters angeschweißt werden. Der Raum 50 erzeugt eine Zone, in der Helium vom radioaktiven Zerfall des Plutoniumbrennstoffs oder andere Gase über die Lebensdauer der Heizquelle hinweg gesammelt werden können. Dieses Volumen sollte für eine Wärmequelle mit ungefähr 12 Gramm Plutonium ungefähr 2,7 ecm betragen. Daraufhin kann der Behälter 36 und seine Endkappe 36a durch geeignete Mittel gereinigt werden, um seine Aussenoberfläche gründlich von Verunreinigungen jeglichen Brennstoffmaterials 34 oder anderer Verunreinigungen zu befreien. Daraufhin kann der versiegelte Behälter 36 in das Verstärkungsglied 38 eingesetzt und darin durch Endkappe 38a versiegelt werden und der Behälter 40 und die Endkappe 40a können in geeigneter Weise darum herum angeordnet werden. Die verschiedenen Endkappen können an ihrem Platz in geeigneter Weise zurWhen arranging the heating source 12, after each of the container elements and the end caps are suitably formed, the desired mixture of pieces of getter material or particles and plutonium oxides mixed in the amounts and in the form indicated above. Then the Fuel mixture 34 poured into container (liner) 36 or introduced in another way and a disk 4 made of the same material as the container 36 is used as a cover the fuel mixture 38 is used during welding. The insertion of the disc 48 into the body of the container 36 has the tendency to part of the inner surface of the container 36 to wipe off any remaining fuel material, which will aid weld integrity and create a space 50 am open end of the container 36 is generated. The end cap 36a can then be in place over the open end of the container be welded on. The space 50 creates a zone in which the radioactive decay of plutonium fuel or helium other gases can be collected over the life of the heating source. This volume should be for a heat source with about 12 grams of plutonium are about 2.7 ecm. Then the container 36 and its end cap 36a be cleaned by suitable means to its outer surface thoroughly from contamination of any fuel material 34 or other impurities. The sealed container 36 can then be inserted into the reinforcement member 38 and sealed therein by end cap 38a and the container 40 and end cap 40a can be placed around it in any suitable manner. The different End caps can be put in place in any suitable manner

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Erzeugung einer gasdichten Abdichtung Wolfram-Gasbogengeschweißt sein..Creation of a gas-tight seal using tungsten gas arc welding.

Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die in der oben genannten Weise hergestellte Wärmequelle 12 bei einer Temperatur von ungefähr 1170°K 60 Tage lang benutzt wird, der Behälter 36 an der Behälter-Brennstoff-Zwischenschicht beginnt,Sauerstoff in das Behältermaterial zu absorbieren und in seiner Härte ansteigt, wie dies durch die Kurven 52 und 54 in Fig. 3 angedeutet ist. Wenn die Verwendung der Wärmequelle fortgesetzt wird, so schreitet die Absorption von Sauerstoff in das Behältermaterial durch den Behälter hinweg fort, wodurch fortlaufend seine Ziehfähigkeit vermindert wird. Dieser Sauerstoff wird vom Brennstoffmaterial 34 freigegeben und von jeglichen Verunreinigungen, die darin verblieben sein können.It has been found that when the heat source 12 manufactured in the above manner is at a temperature of about 1170 ° K is used for 60 days, the container 36 at the container-fuel interface starts oxygen to absorb into the container material and increases in its hardness, as indicated by the curves 52 and 54 in FIG is. As the use of the heat source continues, the absorption of oxygen into the container material proceeds away through the container, which progressively diminishes its drawability. This oxygen is released from the fuel material 34 and any contaminants that may have remained therein.

Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Sauerstoffabsorption und die Behältermaterial-Ziehfähigkeitverminderung drastisch durch eine Vorbehandlung vermindert werden kann, welche das Erhitzen des zusammengebrachten Brennstoffmaterials 34 mit dem Behälter 36 und/oder dem Verstärkungsglied 38 bei einer Temperatur von ungefähr 1570 K bis ungefähr 1720 K für ungefähr 1 Stunde vorsieht. Die erwünschten Wirkungen dieser Vorbehandlung fangen an, sich bei Temperaturen unterhalb ungefähr 1570 K und oberhalb ungefähr 1720 K zu vermindern. Die Vorbehandlung unterhalb 1570 K erfordert übermäßig große Zeitperioden, was ein übermäßiges und unerwünschtes Kornwachstum der Behälter (Container)-Materialien zur Folge haben kann. Oberhalb 1720 K könnte die Temperaturschwankung zum Schmelzen des Getters führen. Die verbesserte Arbeitsweise ist in Fig. 4 dargestellt, wo Kurve 5 6 die Härte des Auskleidungs- oder Behältermaterials über seinen Querschnitt hinweg darstellt, und zwar nachdem die Wärmequelle bei 1670 K eine Stunde lang wärmebehandelt wurde. Die Kurve 58 veranschaulicht die Härte einer ähnlichen Auskleidung, die bei 1720 K-eine Stunde lang wärmebehandelt und sodann 60 Tage lang bei 1170K betrieben wurde. Die Kurve 60 veran-However, it was found that this oxygen absorption and the container material drawability reduction can be drastically reduced by a pretreatment which includes the Heating the brought together fuel material 34 with the container 36 and / or the reinforcement member 38 at a Provides a temperature of about 1570 K to about 1720 K for about 1 hour. The desired effects of this Pretreatment begins to degrade at temperatures below about 1570K and above about 1720K. The pretreatment below 1570 K requires unduly long periods of time, resulting in excessive and undesirable grain growth the container (container) materials can result. The temperature fluctuation could be above 1720 K. lead to the melting of the getter. The improved operation is shown in Fig. 4, where curve 5 6 shows the hardness of the Representing lining or container material across its cross-section, namely after the heat source at 1670 K was heat treated for one hour. The curve 58 illustrates the hardness of a similar liner that is heat treated at 1720K for one hour and then 60 Operated at 1170K for days. The curve 60 causes

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schaulicht eine weitere Auskleidung, die bei 1570 K eine Stunde lang wärmebehandelt wurde, und die sodann 60 Tage lang bei 1170°K betrieben wurde. Kurve 62 zeigt eine Auskleidung (Behälter), die bei 1670 K eine Stunde behandelt und sodann 60 Tage lang bei 1170K betrieben wurde. Diese Vorbehandlung reduziert - wie gezeigt - in wirksamer Weise die Sauerstoffreaktivität innerhalb der Kapsel, bevor der Sauerstoff Zeit hat, in die Auskleidung 36 und andere Behälter (Container)-Materialien hineinzudiffundieren.Zudem veranschaulicht die Kurve 56, daß eine geringe oder gar keine Sauerstoffabsorption sich durch die Vorbehandlung selbst ergibt. -shows another lining, which at 1570 K a Was heat-treated for one hour, and then operated for 60 days at 1170 ° K. Curve 62 shows a liner (Container) treated at 1670K for one hour and then operated at 1170K for 60 days. This pretreatment effectively reduces - as shown - the oxygen reactivity within the capsule before the Oxygen has time to diffuse into the liner 36 and other container materials Curve 56 illustrates that little or no oxygen absorption results from the pretreatment itself results. -

Eine Wärmequelle mit einer thermischen Leistung von ungefähr 6 Watt aus 10,4 Gramm Plutonium-238 kann ungefähr 25 elektrische Milliwatt pro Kanal oder 50 Milliwatt Gesamtausgangsgröße über eine 16-jähre Betriebslebensdauer hinweg erzeugen, wobei die Wärmequelle bei einer Nenntemperatur von ungefähr 700 K arbeitet. Die Wärmequelle 12 kann ungefähr 2,3 cm im Durchmesser sowie ungefähr 2,3 cm lang sein und ein Gewicht von ungefähr 70 Gramm besitzen. Der Plutonium-238-Isotopbrennstoff ist anfänglich PuO in der Form von irregulären keramischen Stückchen (Shards), die einen Größenbereich von ungefähr 50 bis 500 Mikrometer besitzen. Unter Verwendung der genannten Materialien für die Auskleidung 36 und das Verstärkungsglied 38 können Betriebstemperaturen von sogar 9000K für ähnliche Lebenszeiten mit einigen Abwandlungen oder anderen Generatormaterialien und -formen verwendet werden.A heat source with a thermal output of approximately 6 watts from 10.4 grams of plutonium-238 can produce approximately 25 electrical milliwatts per channel or 50 milliwatts of total output over a 16-year operating life with the heat source operating at a nominal temperature of approximately 700K. The heat source 12 can be about 2.3 cm in diameter, about 2.3 cm long, and weigh about 70 grams. The plutonium-238 isotopic fuel is initially PuO in the form of irregular ceramic shards that range in size from approximately 50 to 500 micrometers. Using the recited materials for the liner 36 and the reinforcing member 38, operating temperatures as high as 900 ° K can be used for similar lifetimes with some modifications or other generator materials and shapes.

Wärmequellen der beschriebenen Art ließ man auf aus gehärtetem Werkzeugstahl bestehendenOberflachen unter Winkeln von 45° oder mehr und mit Geschwindigkeiten von 100 m pro Sekunde bis 300 m pro Sekunde auftreffen, wobei keine Freigabe von Brennstoff aus dem Inneren der Wärmequellen auftrat. Zudem wurden Wärmequellenverstärkungsglieder einem 1270 K-Feuer für 1 Stunde ausgesetzt, ohne daß irgendein Bruch auftrat, und zwar selbst dann nicht, wenn das Innere unter dem Druck von Helium stand, wie er sich aus Konzentrationen am Ende der Lebensdauer ergibt.Heat sources of the type described were left on hardened tool steel surfaces at angles of 45 ° or more and at speeds of 100 m per second to 300 m per second, with no release of fuel from inside the heat sources. In addition, heat source reinforcement members were used for a 1270 K fire Exposed for 1 hour without any breakage, even when the inside was under the pressure of helium as it results from concentrations at the end of the service life.

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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS (jly Verfahren zur Erzeugung einer radioisotopischen Wärmequelle gekennzeichnet durch Mischen von ungefähr 96,8 bis 92,9 Gewichtsprozent Plutoniumdioxydstückchen von ungefähr 50 bis 500 Mikrometern Größe mit von ungefähr 3,2 bis. 7,1 Gewichtsprozent Yttrium-Gettermaterial, worauf die Mischung abdichtend in einem ersten Behälter eingeschlossen wird, der aus ungefähr 90 Gewichtsprozent Ta, 8 Gewichtsprozent W und 2 Gewichtsprozent Hf Legierung besteht, worauf dann dieser erste abgedichtete Behälter und die Mischung auf eine Temperatur von ungefähr 1570 K bis ungefähr 172O°K ungefähr 1 Stunde lang erhitzt werden, worauf dann der erste Behälter in einen zweiten Behälter aus einer Legierung von ungefähr 55% Ni, 16% Cr, 16% Mo, 4% W, 5% Fe und 2,5% Co Legierung eingesetzt und abdichtend verschlossen wird.(jly method of generating a radioisotopic heat source characterized by mixing about 96.8 to 92.9 weight percent plutonia chips of about 50 to 500 micrometers in size with from about 3.2 to. 7.1 weight percent yttrium getter material, followed by sealing the mixture in a first container made of approximately 90 percent by weight Ta, 8 weight percent W and 2 weight percent Hf alloy, then this first sealed container and heating the mixture to a temperature of from about 1570 K to about 172O ° K for about 1 hour, whereupon the first container into a second container made of an alloy of approximately 55% Ni, 16% Cr, 16% Mo, 4% W, 5% Fe and 2.5% Co alloy is used and sealed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial Stückchen von ungefähr 3 χ 3 χ 0,25 mm Größe aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the getter material has pieces of approximately 3 3 0.25 mm in size. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Behälter in einen weiteren Behälter aus der gleichen Legierung wie der erste Behälter eingesetzt wird, und daß die beiden, der erste und der zusätzliche Behälter der erwähnten Erwärmung ausgesetzt werden, und daß dieser zusätzliche Behälter zusammen mit den ersten Behältern eingesetzt und abdichtend verschlossen wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the first container in a further container of the same Alloy as the first container is used, and that the two, the first and the additional container of the mentioned Are exposed to heating, and that this additional container is used together with the first container and is sealingly closed. 4.. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Brennstoffmischung in den ersten Behälter ein dazwischen passendes Halteglied aus der ersten Behälterlegierung in den ersten Behälter eingesetzt wird, um die Brennstoffmischung von den Innenoberflächen des ersten Behälters wegzuwischen und das Halteglied darin zurückgehalten wird, um einen Leerraum oberhalb des Halteglieds zu erzeugen.4 .. The method according to claim 1, characterized in that according to placing the fuel mixture in the first container an interposed holding member made of the first container alloy is inserted into the first container to the Wipe fuel mixture from the interior surfaces of the first container and retain the retaining member therein to create a void above the support member. 509851/0768509851/0768 5. Radioisotopische Wärmequelle, gekennzeichnet durch einen äußeren abgedichteten Behälter von ungefähr 55% Ni, 16% Cr, 16% Mo, 4%W, 5% Fe, 2,5% Co Legierung,und einem inneren abgedichteten Behälter von ungefähr 90 Gewichtsprozent Ta, 8 Gewichtsprozent W, 2 Gewichtsprozent Hf Legierung, wobei der letztgenannte Behälter in den äußeren Behälter eingesetzt ist, und wobei eine Mischung aus ungefähr 96,8 bis 92,9 Gewichtsprozent Plutoniumdioxydstückchen mit einem Yttrium-Gettermaterial mindestens teilweise den inneren Behälter anfüllt, und wobei die Innenwände des inneren Behälters die verbesserten Eigenschaften aufweisen, die sich dadurch ergeben, daß man den Innenbehälter und die Mischung der Erwärmung auf eine Temperatur von ungefähr 1570 K bis ungefähr 1720 K für eine Zeitdauer von ungefähr 1 Stunde aussetzt.5. Radioisotopic heat source, characterized by an outer sealed container of approximately 55% Ni, 16% Cr, 16% Mo, 4% W, 5% Fe, 2.5% Co alloy, and one inner sealed container of approximately 90 weight percent Ta, 8 weight percent W, 2 weight percent Hf Alloy, the latter container being inserted into the outer container, and being a mixture of approximately 96.8 to 92.9 weight percent plutonium dioxide chips with a yttrium getter material at least partially fills the inner container, and wherein the inner walls of the inner container have the improved properties have, which result from the fact that the inner container and the mixture of heating on exposing to a temperature of about 1570 K to about 1720 K for a period of about 1 hour. 6. Wärmequelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter einen hohlen zylindrischen Teil aufweisen, der in einem bogenförmigen Ende und einem ebenen Ende endet, welches mit dem zylindrischen Teil verschweißt ist.6. Heat source according to claim 5, characterized in that the containers have a hollow cylindrical part, which ends in an arcuate end and a flat end which is welded to the cylindrical part is. 7. Wärmequelle nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Behälter aus einer 90 Gewichtsprozent Ta, 8 Gewichtsprozent W, 2 Gewichtsprozent Hf Legierung, der innerhalb des äußeren Behälters zwischen den inneren und äußeren Behältern angeordnet ist.7. Heat source according to claim 5, characterized by an additional container made of a 90 percent by weight Ta, 8 weight percent W, 2 weight percent Hf alloy that is inside the outer container between the inner ones and outer containers is arranged. 8. Wärmequelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Mischung das ganze bogenförmige Ende und einen Teil des Zylinderteils des Innenbehälters füllt und ein Halteglied aus einer 90 Gewichtsprozent Ta, 8 Gewichtsprozent W, 2 Gewichtsprozent Hf Legierung aufweist, die zwischen das Zylinderteil und gegen die Mischung paßt.8. Heat source according to claim 7, characterized in that said mixture the entire arcuate end and a part of the cylinder part of the inner container fills and a retaining member made of a 90 weight percent Ta, 8 weight percent W, 2 weight percent Hf alloy that fits between the barrel portion and against the mix. 509851/0768509851/0768 9. Wärmequelle nach Anspruch 8 zur Verwendung in einem thermoelektrischen Generator mit einer Lebensdauer von ungefähr 16 Jahren, wobei die Mischung ungefähr 12 Gramm Plutonium enthält, und wobei der äußere Behälter eine Wandstärke von ungefähr 0,5 mm, der Zwischenbehälter eine Wandstärke von ungefähr 1,0 mm und der erwähnte Innenbehälter eine Wandstärke von ungefähr 0,5 mm besitzt. 9. Heat source according to claim 8 for use in one thermoelectric generator with a service life of about 16 years old, the mixture being about 12 grams Contains plutonium, and the outer container has a wall thickness of approximately 0.5 mm, the intermediate container a wall thickness of approximately 1.0 mm and the inner container mentioned has a wall thickness of approximately 0.5 mm. 10. Wärmequelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Gettermaterial Stückchen von ungefähr 3 mm χ 3 mm χ 0,25 mm aufweist.10. Heat source according to claim 5, characterized that the getter material has bits of approximately 3 mm 3 mm 0.25 mm. 509851/0768509851/0768
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