DE7219216U

DE7219216U - Thermoelektrische radionuklidbatterie

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Publication number: DE7219216U
Application number: DE19727219216U
Authority: DE
Original assignee: Alkem GmbH
Current assignee: Alkem GmbH
Priority date: 1972-05-23
Filing date: 1972-05-23
Publication date: 1972-09-21
Also published as: FR2185836A1; BE799807A; FR2185836B1; GB1392891A; JPS49100996A

Description

⁹· MAI 1972

ALKEM GMBH Erlangen, den

Werner-von-Siemens-Str.50

VPA 72/8443 Gm Mü/Nit

Thermoelektrische Radionuklidbatterie /

Die vorliegende Neuerung betrifft eine thermoelektrische Radionuklidbatterie, die aus zwei hohlzy^inderförmigen Thermogeneratoren und einer Wärmequelle besteht, die von einem in einer kugelförmigen Kapsel eingeschlossenen Radionuklid gebildet ist. Die Wärmeübertragungsflächen der Thermogeneratoren stehen dabei mit einem ringförmigen Flansch der Kapsel in Verbindung.

Solche Radionuklidbatterien werden insbesondere als Energiequelle für Herzschrittmacher verwendet. Die durch den radioaktiven Zarfall des Radionuklids entstehende V/ärme wird durch den Thermogenerator direkt in elektrische Energie umgewandelt. Das Radionuklid als Wärmequelle 'nuß dabei gekapselt werden, da dasselbe stark radiotoxisch ist, die von ihm ausgehende Gammastrahlung abgeschirmt werden muß und die beim Zerfall entstehende Heliummenge nicht entweichen darf. Es baut sich daher im Laufe der Zeit ein erheblicher Innendruck auf, so daß die Kapselung des normalerweise tablettenförmigen Radionuklids sehr druckfest sein muß. Dies umso mehr, als aus Sicherheitsgründen verlangt werden muß, daß sie im Brandfalle Temperaturen von wenigstens 900 C ohne Beschädigung aushalten muß. Auch eine Betriebszeit von etwa 10 Jahren und mehr muß in Anbetracht des sich ausbildenden Überdruckes in der Größenordnung von 500 atü mit Sicherheit erreicht werden können. Der Ausbildung der Kapsel für das eigentliche Radionuklid, also die Wärmequelle, daher erhebliche Bedeutung zu. Nach dem bisherigen Stand der Technik, siehe die deutschen Offenlegungsschriften

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1 807 945 und 2 1C4 174, wurden diese zylindrisch gestaltet- ^!-^/ Diese Form hat jedoch den Nachteil, daß bei der thermoelettrischen Stromerzeugung ein verhältnismäßig großer Wärmestrom ungenutzt abfließen kann und daß die Umhüllung für die Aufnahme des während des Betriebes entstehenden Heliumdruckes verhältnismäßig dickwandig ausgelegt werden muß. Dies wirkt sich naturgemäß auch auf das Gewicht der gesamten Einrichtung aus. Gerade dieses sollte jedoch für Herzschrittmacher möglichst klein gehalten werden. In einer noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung (Aktenzeichen : P 21 24 465.5) ist daher schon der Vorschlag gedacht worden, die Kapsel kugelförmig zu gestalten und einen Ringflansch an zwei halbkugelförmigen Schalen für die Anlage der Thermogeneratoren vorzusehen. Die Thermogeneratoren bestehen dabei aus ainer zylinderförmig aufgewickelten Folie aus Isoliermaterial, auf der die Thermoelementschenkel aus Halbleitermaterialien me.inderförmig und in Reihenschaltung aufgedampft sind.

Zur Ergänzung dieser Vorschläge, insbesondere hinsichtlich der Unterbringung des Radionuklids waren jedoch weitere Überlegungen notwendig. Die3e führten zu einer technischen Lösung, die neuerungsgemäß uarin besteht, daß die Kapsel entlang einer zum Flanschring parallelen Linie geteilt ist und die dadurch gebildete Kugelkalotte einen nach innen vorstehenden Zentrierf lanscli zur Einspannung des mit einer Gammaabschirmung versehenen vorzugsweise tablettenförmigen Radionuklids besitzt.

Weiterhin soll die Gammaabschirmung aus einem Behälter bestehen, der so verschlossen ist, daß nur das beim radioaktiven Zerfall entstehende Helium in don Raum zwischen iieser Abschirmung und der Kapsel austreten kann. Zur Vufnahme des Heliumdruckes stoht folglich der gesamte .Innenraum der Kapsel zur Verfugung.

Zwei Ausführungsmöglichkeiten des Gegenstandes dieser Neuerung sind in den Figuren 1 und _ dargestellt, wobei aus Ubersichtlichkeitsgründen der angeschlossene Thermogenorator nur strichpunktiert dargestellt ist.

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Nach Figur 1 besteht die au.* ere Kapsel aus den Teiler 1 and 2, die mit einer Schweißnaht 6 miteinander verbunden sind. Las Teil 2 stellt dabei einen kugelkalottenförmigen Abschnitt der Kapsel dar. Am Teil 1 der Kapsel ist ein ringförmiger Bund 11 angebracht, der in wärmeleitendem Kontakt mit den beiden Theruiogeneratoren 15 und 16 steht. Im Inneren der Kapsel befindet sich das tablettenförmige fiadionuklid 5, die eigentliche Wärmequelle. Sie bsteht beispielsweise aus

Q *7 Q Λ /"

Pu O₀, d.h. der Sauerstoffanteil besteht möglichst

¹6 vollständig aus dem Sauerstoffisotop ' 0. Diese Tablette 5 ist umgeben von einer Abschirmung 3 und 4 aus Tantal. Das Teil 4 ist dabei sozusagen als Deckel auf einen Napf 3 aufgesetzt. Zwischen beiden darf keine Gasdichtigkeit hergestellt werden, lediglich Plutoniumteilchen soller, nicht nach außen gelangen Können. Der Deckel ist also beispielsweise durch einen nicht gasdichten Preßsitz mit dem Napf 3 verbunden. Dieser Abschirmbehälter ist durch eine entsprechende innere Formgebung der Kapselteile 1 und 2 gefaßt und Ljteht dadurch in gut wärmeleitenden Kontakt mit dem Bund 11 und damit den Thermogeneratoren.

Zu diesem Zweck ist das Kapselteil 1 mit einor inneren Ausdrehung versehen und die Kugelkalotte mit einem vorstehenden Zentrierflansch. Der letztere sorgt gleichzeitig dafür, daß für das Ziehen der Schweißnaht 6 ein unverrückbarer Sitz der beiden Teile 1 und 2 gegeben ist. Die Schweiesung selbst kann beispielsweise mit Hilfe der Lichtbogentechnik oder auch der Elektronenstrahl- oder der Laesertechnik erfolgen.

Zur besseren Vorstjllung der Größenordnung diessr Teile sei erwähnt, daß der Außendurchmesser des Bundes 11 etwa 12 mm und seine Breite etwa 1 mm betragen kann. Der Durchmesser der Radionuklidtablette 5 beträgt etwa 5 mm, der Durchmesser der Abschirmung 3 etwa 7,5 mm. Die Wandstärke der kapsel 1 bzw. 2 betragen an ihren dünnsten Stellen ttwa 1,5 mm.

Als Material für die innere Abschirmung 3 kommen außer Tantal, auch Wolfram, Molybdän, Platin oder rostfreier Stahl in Frage.

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Die äußere Kapsei dagegen, die eigentliche Druckkapsel, besteht vorzugsweise aus einer Platin-Iridium-Legierung mit bis zu 40 % Iridiumgehalt.

In der Figuren 2a und 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses unterscheidet sich vom ersten im wesentlichen dadurch, daß es zusätzlich mit einer inneren Druckkapsel versehen ist. Wenn auch normalere 3ise mit einer einschaligen Kapsel gem. Fig. 1 die notwendige Truckfestigk t erreicht wrrden kann, so könnte dennoch eine doppelte Druckschale aus Sicherheitsgründen bevorzugten Einsatz in der Technik erlangen.

Im Innern dieser Kapsel befindet sich wiederum die Raüio-.. .klidtablette 5, die von der Abschirmung } und A. umgeben ist. Die Abschirmungsteile 3 und 4 sind mit einem nach außen ragenden Flansch 7 versehen, dsr in ien beiden Teilen 8 und der inneren Druckkapsel eingespannt ist. Diese innere Druckkapsel wird nach der Einspannur.* mit der Ringschweißnaht 10 verschlossen und bildet nunmehr ebenfalls ein kugelförmiges Gebilde. Als Material für diese innere Druckkapsel findet vorzugsweise Tantal oder eine Tantallegierung Verwendung. Es ist weiterhin zweckmäßig, die innere Drvckkapsel an der Schweißnaht so abzuarbeiten, daß sie an dieser Stelle eine zylindrische Form erhält und damit besser in der äußeren Schale 12 und 13 fixiert werden Kann.

Diese äußere Schale 12 und 13 besveht wiederum aus einer Platin-Iridium-Le^ierung und kann dünnwandiger als die Innere gehalten werden. Ähnlich wie die inne -i Kapsel werden auch die beiden äußeren Halbsc^alen 12 und 13 miteinander verschweißt. Da das zylindrische Stück xr uer Nähe der Schweißnaht eine höhere Wandstärke gegenüber dem Kugelförmigen äußeren Teil hat, tritt durch die Schweiß^erbindungkeine festigkeitsmäßige Schwächung der äußeren Druckkapsel ein. Der Bund 14 an dem ^ie Thermogeneratoren 15 und 16 anliegen, kann ebenfalls durch Schweißung, einfacher jedoch durch Hartlö cung oder sogar durch einen Preßsitz mit der äußeren Druckschale 12/13 verbünden werden.

721921621.9.72 -⁵-

- b - VPA 72/8443 Gm ί

Selbstverständlich wäre es auch möglich, bei dieser Konstruktion die Trennfuge der äußeren Schale nicht gegen die äquatoriale Ebene zu legen, sondern ähnlich wie bei Figur 1 anzuordnen. Dann könnte Bund 14 und Schale 12 aus einem Stück gefertigt werden.

Aus diesen Beispielen geht hervor, daß neben der Druckfestigkeit der Radionuklidkapsel eine optimale Wärmezuführung zu der Thermogeneratoren gegeben ist. Außerdem ist genügend Raum für die Aufnahme des beim Zerfall des Radionuklide entstehenden Heliums und des sich dabei bildenden Druckes gegeben. Auch die Wärmeleitung zwischen der Abschirmung des Radionuklids und der Druckkapsel ist infolge der gewählten Einspanntechnik - der Einspanndruck und damit die Wärmeleitung werden durch die entstehende Wärme noch vergrößert - optimal.

Selbstverständlich können leichte Abweichungen von der Kugelform in Kauf genommen werden, wenn die üblichen Notwendigkeiten der Wärmeleitung zu den Thermogheratoren erhalten bleiben.

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Claims

- fi - VPA 7Ρ/Θ44-3 (<m

S c |iu_tz ansprüche

1. Thernoelektrische Radionuklidbatterie, bestehend aus zwei hohlzylinderfbrmigen Thermogeneratoren und einer Wärmequelle, die von einem in einer kugellärmiger Kapsel eingeschlossenen Radionuklid gebildet i 3t und die Wärmeübertragungsflächen der Theriuogenerat ,ren mit einem ringförmigen Plansch der Kapsel in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel entlang einer siuiu Flancchring parallelen Linie gdteilt ist und die dadurch gebildete Kugelkalotte einen nach innen vorstehenden Zentrierflansch zur Einspannung des mit einer Gammaabschirmung versehenen vorzugsweise tablettenförmigen Radionuklide besitzt.

2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammaabschirmung aus einem Behälter besteht, der so verschlossen ist, daß nur das beim radioaktiven Zerfall entstehende Helium in den Ranm zwischen dieser Abschirmung und dar Kapsel austreten kann.

3. Radiomiklidbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkalotte mit der übrigen Kapsel nach an sich bekannten Verfahren verschweißt ist.

4. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel symmetrisch geteilt ist, eino zusätzliche innere Druckkapsel mit darin symmetrisch gehalteners mit einer Gammaabschirmung versehener Radionuklidbatterie umgibt, an ihrer Teilungsfuge verschweißt ist und einoivcrzugsweise aufgelöteten ringförmigen Plansch besitzt.

'5. Radionuklidbatterie nach Anepruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kapsel aus einer Platin-Iridium-Legierung und der zusätzliche innere Druckbehälter aus Tantal ouar einer Tantallegierung besteht.

- 7 - VPa 7j/3443 Gm

6. Radioni'klidbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rr.uionuklrd au ei einem Oxyd des
Plutoniumisotops 238 besteht, dessen Sauerstoffanteil \orzugswei_e nur das Saut stoffisotop 0 enthält.