NL1036121C - Directe benutting van betastraling voor electrische energie. - Google Patents

Description

Directe benutting van Betastraling voor electrische energie.

Introductie: 5 Tijdens nucleaire processen als kernsplitsing en de productie van medische isotopen worden materialen getransmuteerd ,die veelal straling uitzenden; door de vakman aangeduid als Radio Nucleiden.

In voorkomende gevallen bestaat deze straling uit Alfa- , Beta-en/of 10 Gamma straling . De genoemde stralingsvormen komen gezamenlijk voor, maar er zijn ook processen waarbij uitsluitend Beta straling voorkomt; door de vakman aangeduid als Pure Beta Emitters.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op deze Pure Beta Emitters. 15 Soms wordt naast de Beta- ook een zekere hoeveelheid Alfa straling geproduceerd. In het hierna volgende zal de Alfa straling buiten beschouwing gelaten worden omdat deze Alfa straling zeer goed af te schermen is..

20 Uitvinding:

Een voorbeeld van een Pure Beta Emitter is de Radionuncleide Strontium-90 met een halfwaardetijd van 28,8 jaar, en een energie van 2,28 MeV. ( Mega electron Volt ). Strontium-90 is een bijproduct van kernsplitsing en wordt getransmuteerd onder uitzending van Betastraling 25 in het radionuclide Yttrium-90 (90Y) met een halfwaardetijd van 64 uuren, de laatste wordt getransmuteerd in het stabiele element Zirconium-90 (90Zr).

1036121 2

Het is bij de vakman bekend dat de hierboven genoemde Betastraling aangewend wordt voor productie van electrische energie met name in de ruimtevaart. Hierbij wordt de ontstane warmte via een Thermo electrisch element, een zogenaamd Peltier element omgezet in electrische energie 5 met als kenmerk een lage efficiency in de orde van enkele procenten.

De onderhavige uitvinding kenmerkt zich doordat de Electronen van de Betastraling direct aangewend worden.

De uitdaging is om het hoge energieniveau van 2,2 MeV per geemiteerd 10 electron om te zetten in een in de praktijk praktisch aan te wenden electrische stroom. Hoe groot deze uitdaging is wordt geïllustreerd aan de hand van het volgende rekenvoorbeeld: Een elektron heeft een lading van 1.6e-19 Coulomb. Of omgekeerd, l/(1.6e-19) = 6.25el8 elektronen hebben samen een lading van 1 Coulomb. Een stroom van 1 ampere 15 vertegenwoordigd de verplaatsing van 1 Coulomb lading in 1 seconde. Bij een stroom van 1 ampere worden dus 6.25e 18 elektronen per seconde verplaatst. 1 gram Sr isotoop betreft ongeveer 1.15e-2 mol Sr atomen. Dit zijn 1.15e-2 mol Sr * 6.02e23 Sr atomen/mol = 6.9e21 Sr atomen. Hiervan vervallen in 14 jaar 6.9e21/2 = 3.45e21 atomen waarbij dus ook 20 in die periode van 14 jaar 3.45e21 elektronen worden geproduceerd. Deze hoeveelheid elektronen ontstaat in een tijdsinterval van 14 jaar. Dus per seconde komen 3.45e21 elektronen / (14*365*24*3600) = 7.8lel2 eletronen vrij. We kunnen nu uit voorgaande gegevens de gemiddeldestroom die de eerste 14 jaar gaat lopen door verval van het 25 strontiumisotoop uitrekenen. Deze bedraagt: Stroom in Ampere = Aantal elektronen dat per seconde vrijkomt / 6.25e 18 elektronen per seconde die bij een stroom van 1 ampere worden verplaatst volgens de definitie. We krijgen dan: I [A] = 7.81el2/6.25el8 = 1.25e-6 ampere - 1.25 microampere. Dit is een zeer kleine stroom, zeker als we bedenken dat 3 deze een zodanige energie-inhoud heeft dat een vermogen van 2.7 Watt vrijkomt, zie ook het rekenvoorbeeld verderop in deze aanvrage.

5 De uitvinding betreft het direct met Betastraling opladen van Litium Ion batterijen. Hierdoor ontstaat een zichzelf opladende batterij. In modulaire vorm kunnen deze gecombineerd worden tot een systeem van grote capaciteit. Het is voor de vakman duidelijk dat, de grote hoeveelheid energie per geemitteerd elektron gekoppeld aan de relatief kleine stroom 10 die gaat lopen door het relatief gering aantal elektronen per Watt vrijgekomen energie, om een onconventionele technologie voor het opladen van de batterijen vraagt. Door gebruik te maken van supergeleiders voor elektrontransport dan wel gasiononisatie waarbij licht als energiedragend tussenprodukt wordt geproduceerd kan de energie-15 inhoud van de vrijkomende elektronen nuttig worden aangewend door omzetting in electriciteit. Voor de vakman is eveneens duidelijk dat bij transmutatie van het Sr isotoop negatieve lading vrijkomt, dit in tegenstelling tot klassieke elektrische processen waarbij elektronen worden rondgepompt met een potentiaalverschil als drijvende kracht. Het 20 is voor de vakman duidelijk dat deze problemen oplosbaar zijn door bijvoorbeeld een deel van de installatie voor elektriciteitsopwekking te aarden. Ook is het mogelijk het ladingsoverschot door gasionisatie af te voeren.

25

Een andere toepassingsvorm is het ioniseren van een vloeistof bijvoorbeeld water. Hierbij ontstaan radicalen die toegepast kunnen worden voor allerlei processen dan wel verbrandt of toegepast in een brandstofcel voor omzetting in elektrische energie.. Hierbij ontstaat 4 zuiver water. De onderhavige uitvinding kan toegepast worden voor het ontzilten van zeewater waarbij tevens energie vrijkomt.

Als variant op deze vorm van ontzilting kan men denken aan het produceren van de radicalen op grote diepte waardoor de radicalen onder 5 hoge druk ontstaan. Voordat de radicalen verbrand worden kan deze hoge druk nogeens extra omgezet worden in electrische energie via een pneumatische generator.

Een andere toepassingsvorm betreft het ioniseren van vaste en/of 10 gasvormige stoffen als halffabrikaat in chemische of andere processen.

Een ander toepassingsvorm betreft het bombarderen van een coating bijvoorbeeld een loodcoating als in een gasontladingslamp. Normaliter worden bij zo’n gasontladingslamp de electronen rondgepompt en 15 geleverd door een gloeidraad. In onderhavige toepassingsvorm worden de elektronen geleverd door de Pure Beta Emitter. Als resultaat zal de gasontladingslamp UV licht geven. Via een recente ontwikkeling kan UV solid state omgezet worden in normaal licht . Als men geen licht wenst kan dit licht via een zonnecel omgezet worden in electrische 20 energie. Toepassing van Sr isotoop in gasontladingslampen waaronder Hg lampen, Na lampen en Ne lampen om deze zonder externe elektrische aansluitingen te laten branden maakt nadrukkelijk deel uit van onderhavige vinding 25

Een andere toepassingsvorm is het afremmen dan wel spreiden van de geemitteerde elektronen via bijvoorbeeld en magnetisch veld tot een niveau dat de elektronenstroom direct toegepast kunnen worden in een elektronen absorber net zoals dat in een radiolamp gebeurt.

5

Een andere toepassingsvorm betreft het direct benutten van de hoogenergetische elektronenstroom via een supergeleiding.

5 En andere toepassingsvorm is het ioniserten van een gastroom die met hoge snelheid door een magneetveld geleid wordt. Door het Lorenz effect ontstaat een elektrische stroom loodrecht op het magneetveld en loodrecht op de stroomrichting van het geïoniseerde gas.

10 Een andere toepassingsvorm is het invangen van de elektronen in een cell bestaande uit halfgeleiders waarbij op het scheidingsvlak van p- en n- een voorkeursspanningsverschil ontstaat waardoor de Beta straling direct omgezet wordt in een electrische stroom. Deze uitvoeringsvorm is te vergelijken met een photovoltaische zonnecel die functioneert op 15 ingestraalde photonen. Bij de huidige uitvoeringsvorm geschiedt dit door instraling met elektronen.

In alle bovengenoemde uitvoeringsvomren is het van belang om te beseffen dat er hier elektronen gevormd worden terwijl bij traditionele 20 elektriciteit elektronen slechts rondgepomt worden. Het is dus van belang om dit te beseffen en bijvoorbeeld een connectie met de aarde te maken.

In alle bovengnoemde toepassingsvormen wordt een energiebron verkregen die zeer langdurig meegaat. Onderstaand wordt de orde van 25 grootte gekwantificeerd.

Strontium heeft een molmassa van ongeveer 90 g/mol.;per gram Strontium is dit dus 1.19e-2 mol Sr.

Het energie niveau van de Betastraling van Strontium is 2,2 MeV De definitie van 1 electronvolt is de hoeveelheid energie die een vrij 6 electron opneemt indien dit electron zich in een elektrisch veld van punt A naar punt B verplaatst waarbij het potentiaalverschil tussen A en B 1 volt bedraagt. De eenheid van spanning is Volt = Joule / Coulomb. De lading van een electron = 1.6e-19 Coulomb. Indien een elektron zich van 5 A naar B verplaatst dan kost dit 1.6e-19 J.

Indien zich 1.19e-2 mol electronen van A naar B verplaatsen dan kost dit 1.19e-2 mol *6.02e23 elektronen / mol * 1.6e-19 Joule.

Indien 1 electron, dat door verval van een Sr isotoop ontstaat, een energie van 2.2 MeV heeft dan wordt door verval van 1 gram strontium de 10 volgende hoeveelheid energie geleverd: 1.19e-2 mol electronen * 6,02e23 electronen per mol * 2.2e6 electron volt per electron * 1.6e-19 Joule per electronvolt = 2.48e9 Joule.

Echter Sr heeft een halfwaardetijd van 28 jaar. Dit betekent dat in 14 jaar een hoeveelheid energie van 1.2e9 Joule vrijkomt per gram Sr isotoop.

15 Dus het over de eerste 14 jaar gemiddelde vermogen P = 1.24e9 /(14 jaar * 365 dagen / jaar * 24 uur / dag * 3600 s /uur) = 2.8 Watt per gram Sr. Dit is best veel. Stel je hebt een kg Sr isotoop en je kunt 50% van de uitgestraalde energie in electriciteit omzetten dan levertje dat 1.4 kWatt voor een periode van 14 jaar.

20 Met een aantal modules van 1,4 kW kan dus een huishouden zelfvoorzienend worden.

Als we uitgaan van een mobiele toepassing als bijvoorbeeld een automotor van 75 kW dan zou deze motor 75/1,4 is orde van groote 50 kG wegen. Bovenstaande berekening en conclusies dienen uitsluitend om 25 de relevantie van de uitvinding te demonstreren.

Bovenbeschreven uitvoeringsvormen en toepassingsgebieden hebben betrekking op zuivere Beta stralers. Het is echter ook mogelijk om zwaardere vormen nuclear afval te benutten door de bestaande opslag 7 van radioactief afval dusdanig in te richten dat de elektronen afgevangen worden. De meest optimale vorm lijkt de toepassing van halfgeleiderschermen tussen het afval in te plaatse dan wel te integreren in de opslagmodules.

5

Als alternatief voor bovenbeschreven uitvoeringsvormen kan ook gebruik gemaakt worden van in de natuur gewonnen zuiver Strontium en dit op te werken tot Sr 90. Dit zou kunnen geschieden in installaties waar nu radionucleiden gemaakt worden voor medische tepassingen.bijvoorbeeld 10 bij NRG in Petten. De batterij vorm kan dusdanig ontworpen worden dat tevens opladen mogelijk is als de batterij na een groot aantal jaren productievermindering geeft.. Dit opladen kan in genoemde type installatie als boven genoemd.

15 | 20 | 25 | 1036121

Claims (1)

1. Werkwijze of inrichting voor directe benutting van Betastraling voor electrische energie met de kenmerken zoals beschreven in de tekst. | \ io | 15 | 20 | 25 | _* 1036121