NO871281L - Anordning for direkte omformning av radioaktiv nedbrytningsenergi til elektrisk energi. - Google Patents

Abstract

Et kjernefysisk batteri 1 hvilket energien som gis til radioaktive nedbrytnlngsprodukter tinder de spontane dlsintegreringer av radioaktivt materiale anvendes til å opprettholde og forsterke oaclllasjonene 1 en med høy Q LC tankkrets (9a-9h,5,3) er tllveiebragt. Krets-lnduktansen omfatter en spole (5) viklet på en kjerne (7) bestående av radioaktive nukllder koplet 1 serie med primær viklingen (9a-9h) på en ef f ekttranformator. Kjernen fremstilles fra en blanding av tre radioaktive materialer som nedbrytes primært ved alfautsendelse og gir en større flux av radioaktive nedbrytnlngsprodukter enn den ekvivalente mengde av et enkelt radioaktivt. nukllde.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt anordning for den direkte omformning av energien i radioaktive nedbrytnlngsprodukter til elektrisk energi, og nærmere bestemt anvendelsen av en alfakilde til å opprettholde og forsterke oscillasjoner i en LC oscillatorkrets.

Et økende behov eksisterer idag for små, kompakte, pålitelig, lettvekts og selvstendige robuste krafttilførsler som gir elektrisk kraft i slike anvendelser som elektrisk kjøretøyer, hjem, industrielle, landbruks, rekreasjonsmessige og fjern-overvåkningssystemer og satelitter. Majoriteten av dagens satelitter drives av solceller og konvensjonelle kjemiske batterier og krever kun en liten effektmengde for å operere. Radar, avanserte kommunikasjonssatelitter og særlig høy-teknologi våpenplattformer vil kreve langt større kraftkilder enn dagens romkraftsystemer kan levere. For de meget høye kraftanvendelser, synes kjernereaktorer å være svaret. For det mellomliggende effektområdet, 10 til 100 kilowatt (kw) byr kjernereaktoren på formidable tekniske problemer. Gitt dagens virkningsgrader, ville det kreve mangfoldig tusen m<2>av solpaneler til å gitt 100 kw. Likeledes ville nok kjemisk brennstoff til å gi 100 kw for en hvilken som helst vesentlig tidsperiode bli for tungt og voluminøst for praktisk bruk.

Hittil har der vært kjent flere fremgangsmåter for omdannelse av radioaktiv energi som frigis under disintegreringen av naturlige radioaktive elementer til elektrisk energi. En radio-isotop termo-elektrisk generator av grapefruktstørrelse som anvendte den varmen som frembringes fra alfapartikler utsendt som plutonium-238 disintegreringer, ble utviklet under de tidlige 1950-årene. Imidlertid var utgangseffekten begrenset til noen få hundre watt. Andre fremgangsmåter for omdannelse av energien av radioaktiv disintegrering direkte til elektrisk energi, er omhandlet i US-patentene 3.290.522, 3.409.820 og 3.939.366.

US-patent nr. 3.290.522 med tittel "Nuclear Emission Electrical Generator", Robert Ginell, av 6. desember 1966, omhandler apparatur som gir elektrisk kraft ved å modulere tettheten i en sky av ladede partikler som er begrenset innenfor et lukket rom ved hjelp av et magnetfelt. Et radiaktivt material plasseres ved midten av en omsluttende hul kule som har sin innvendige overflate belagt med sølv. Kulen er sentralt plassert mellom polene på en permanent magnet. Variasjon av tetthet av skyen av ladete partikler bevirker en variasjon i magnetfeltet som skapes av skyen. Denne variasjon i magnetfeltet kutter et elektrisk ledende middel til å skape et elektrisk potensiale og strøm i dette. Tettheten av skyen av ladete partikler kan varieres ved å anvende et periodisk varierende elektrostatisk eller elektro-magnetisk felt til den begrensede skyen av ladete partikler. Den elektriske energien utledes fra den kinetiske energi som påføres de ladete partikler (nedbrytnlngsprodukter) ved opptredenen av spontan disintegreringshendelse under nedbryt-ningen av det radioaktive materialet. Med dette system er imidlertid- omformingsvirkningsgraden meget lav og mengden av elektrisk kraft som tilveiebringes er for liten for de fleste anvendelser.

US-patent 3.409.820 med tittel "Electric Power Apparatus", James 0. Burke, av 5. november 1968 omhandler en forsterkning av en elektrisk strøm ved å lede elektrisk strøm gjennom et radioaktivt materiale. Selv om der tilveiebringes noe strømf or sterkning, krever systemet en ekstern kraftkilde, slik som et vanlig batteri, og kan derfor ikke gi til-strekkelig effekt for de fleste anvendelser.

US-patent 3.939.366 med tittel "Method of Converting Radio-active Energy to Electric Energy and Device for Performing the Same", Yasuro Ato et al., av 17. februar 1976, omhandler en anordning hvor radioaktiv energi omformes til elektrisk energi ved å bestråle et halvledermateriale med radioaktiv nedbrytningsprodukter til å frembringe et antall av elektron- hullpar i materialet. Et magnetfelt påføres over halvledermaterialet i en retning som er perpendikulær på diffusjons-retningen for elektron-hullparene og retningen av det påførte magnetfelt, hvorved elektronene og hullene oppsamles på elektrodene som er tilveiebragt på de respektive endeflater av halvledermaterialet til å frembringe et elektrisk poten-sial over halvledermaterialet. Selv om omformningsvirknings-graden for systemet omhandlet i sistnevnte US-patent er vesentlig høyere enn den som er omhandlet i de to forannevnte patenter, er utgangseffekten fra systemet ikke stor nok for anvendelser slik som elektriske kjøretøyer eller satelitter.

Det primære mål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for den direkte omforming av energien i radioaktiv nedbrytning til elektrisk energi.

Et annet formål er å tilveiebringe en elektrisk kraftkilde som er liten, kompakt, pålitelig av lav vekt, selvstendig og robust og derfor kan tilpasses bruk i automobiler, hjem, industrien, lanbruks og rekreasjonsmessige anvendelser samt satelitter.

Nok et annet formål er å tilveiebringe en elektrisk kraftkilde som er i stand til å tilveiebringe store kraftmengder over lange tidsperioder med lite eller intet vedlikehold eller påfylling av brennstoff nødvendig.

Ifølge prinsippene ved foreliggende oppfinnelse blir et kjernefysisk batteri, i hvilket energien som gis til radioaktive nedbrytnlngsprodukter under de spontane disintegreringer av radioaktivt materiale, anvendt til å opprettholde og forsterke oscillasjonene i en med høy Q LC tankkrets. Induktansen i tankkretsen omfatter primæren i en effekttransformator og er viklet om en kjerne sammensatt av en blanding av radioaktive materialer. En blanding av radioaktive materialer frembringer en større flux av radioaktive nedbrytnlngsprodukter enn bruken av et enkelt radio aktivt materiale i seg selv frembringer, hvorved tilveiebringes den nødvendige flux for stor utgangseffekt fra et lite kjernevolum. Bruken av isotoper med lang levetid, slik som radium, sikrer at det kjernefysiske batteriet vil ha en konstant utmatning i minst ti år.

Andre og ytterligere formål og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 er et skjematisk koplingsskjerna over en LC ekvivalent resonanskrets i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et koplingsskjerna for et kjernefysisk batteri som er konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelses prinsipper. Fig. 3 er et planriss av toppen av den radioaktive kjernen i

det kjernefysiske batteriet vist i fig. 2.

Fig. 4 er et planriss av toppen av det kjernefysiske

batteriet vist i fig. 2.

Fig. 5 er et sideriss tatt langs linjen A-A av det kjernefysiske batteriet som er vist i fig. 3.

Idet der nå vises til fig. 1, er der vist en elektrisk ekvivalentkrets av et kjernefysisk batteri konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelses prinsipper. En LCR krets 1 består av en kondensator 3, en induktor 5, transformator T primærvikling 9 og motstand 11 som er koplet i serie. Det antas at de elektriske lederne som forbinder de forskjellige kretselementene og som danner induktoren og primærviklingen 9 er perfekte ledere, dvs. ingen likestrøms-motstand. Motstanden 11 er en samlemotstand som er ekvivalent med den totale 1ikestrømsmotstand for de aktuelle kretskomponentene og lederne. Induktoren 5 er viklet på en kjerne 7 som er sammensatt av en blanding av radioaktive elementer som nedbrytes primært ved alfapartikkelutsendelse.

Når strøm flyter i en elektrisk krets, blir energi oppbrukt eller gå tapt i form av varme. Når således oscillasjoner innføres i en LCR krets, vil oscillasjonene gradvis avta p.g.a. energitapet i kretsen, såfremt ikke energi konti-nuerlig tilføres kretsen for å opprettholde oscillasjonene. I LCR kretsen som er vist i fig. 1 blir en del av energien som gis til nedbrytningsproduktene, slik som alfapartikler, under den radioaktive nedbrytning av materialene som utgjør induktorkj ernen 7, innført i kretsen 1 når nedbrytningsproduktene ér absorbert av lederen som danner induktor 5. Såsnart oscillasjonene er blitt indusert i LCR kretsen 1, vil den energi som absorberes av induktoren 5 fra den radioaktive nedbrytning av kjernens 7 materialer opprettholde oscilla-sj onene sålenge som mengden av energi som absorberes er lik mengden av energi som forbrukes i den ohmske motstand i kretsen lr Hvis den energi som absorberes er større enn den energimengde som tapes gjennom ohms oppvarmning, vil oscilla-sj onene bli forsterket. Denne overskuddsenergi kan leveres til en last 17 som er koplet over transformatorens T sekundærvikling 13.

Prosessene som er involvert i omdanningen av energien som frigis av den spontane disintegrering av et radioaktivt materiale til elektrisk energi, er tallrike og kompliserte. Materialer som er naturlig radioaktiv nedbrytes ved utsendel-sen av enten en alfapartikkel eller en betapartikkel, og gammastråler kan ledsage den ene eller annen prosess. Radioaktive materialer som nedbrytes primært ved alfapartikkelutsendelse foretrekkes som materiale for induktorkj ernen 7. Alfapartikler utsendes med meget høyhastigheter, av størrelsesorden 1,6 x IO<7>meter pr. sekund (m/s), og har følgelig meget høy kinetisk energi. Alfapartikler utsendt når eksempelvis radiumnedbrytninger finnes å bestå av to grupper, de med en kinetisk energi lik 48,79 x IO<5>elektron-volt (ev) og de som har en energi lik 46,95 x IO<5>elektron-volt. Denne kinetiske energi må forsvinne når alfapartiklene absorberes av den leder som danner induktoren 5. Under absorpsjonsprosessen vil hver alfapartikkel kollidere med et eller flere atomer i lederen som slår elektroner fra deres baner og gir en viss kinetisk energi til elektronene. Dette resulterer i økt antall av ledingselektroner i lederen, hvorved dens ledeevne økes.

Ettersom alfapartikkelen er et positivt ladet ion vil alfapartikkelen mens den beveger seg ha et tilhørende magnetfelt. Når alfapartikkelen stoppes av lederen, vil magnetfeltet kolapse, hvorved induseres en strømpuls i lederen som frembringer en nettoøkning i den strøm som flyter i kretsen 1. Dessuten vil der være ytterligere elektroner som strippes fra bane p.g.a. ionisering frembragt ved positivt ladete alfapartikler.

Idet der nå vises til fig. 2, er det kjernefysiske batteriet 20 konstruert i en sylindrisk utformning. Induktoren 5 er konstruert av koppertråd som er viklet i et enkelt lag rundt den radioaktive kjernen 7. Nedbrytnlngsprodukter, slik som alfapartikler, utsendes radielt utad fra kjernen 7, som angitt med piler 2 for å bli absorbert av kopperlederen som danner induktoren 5. Åtte transformatorer 15 er anordnet i et sirkulært mønster til å danne en sylinder som er konsen-trisk med og omgir induktoren 5. Transformatoren 15 har primærviklinger 9a - 9h koplet i serie som så er koplet i serie med induktoren 5 og kondensatoren 3 til å danne en LCR krets. Den sentrale kjernen 7, induktoren 5 og de åtte transformatorene 15 er plassert innenfor en sylindrisk formet beholder 19. Koppertråd er viklet i et enkelt lag på ytterveggen og innerveggen av sylinderen 19 til å danne henholdsvis viklinger 23 og 21. Transformatorens 15 sekun-dærviklinger 13a - 13h og viklingene 21 og 23 er koplet i serie til utgangsterminaler 25 og 27. Konfigurasjonen av induktoren 5 er utformet til å sikre maksimum bestråling av kopper lederen ved hjelp av den radioaktive kjernekilden 7. Den sylindriske konfigurasjon av effekttransformatoren sikrer maksimum tranformatorvirkningsgrad med minimum magnetiske flux-lekkasj e.

Idet der vises til fig. 3, omfatter den radioaktive kilden 7 en radiumnål 39 som er omgitt av en sylinder av eksitert torium 31 som har en flerhet av uranstaver 33 plassert innenfor nevnte torium 31. Det eksiterte torium avgrenses av konsentriske sylindervegger 35 og 37. Bruken av en blanding av disse radioaktive materialer for kjernen 7 frembringer en synergistisk effekt ved at en større flux av alfapartikler frembringes enn ved hjelp av et hvilket som helst av materialene overfor p.g.a. at ytterligere induserte disintegrer-ingshendelser opptrer.

Idet der nå vises til fig. 4 og 5, er topp og siderlss av et kjernefysisk batteri konstruert i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse vist. Induktorkjernen 7 består av radiumnål 39 plassert langsgående i midten av en sylinder av eksitert torium 31. Det eksiterte torium 31 avgrenses av konsentriske sylindervegger 35 og 37 (et materiale slik som lett kartong kan anvendes for dette formål). Induktoren 5 er dannet av to lag av American Wire Gage (AWG) #8 koppertråd, et lag 41 viklet på den innovervendende veggen 37 som omgir radiumnålen 39 og det andre laget 43 viklet på utsiden av veggen 35, hvorved det eksiterte torium 31 og uranstavene 33 omgis. Induktorkjernen 7 har en diameter lik 3,175 cm og er 15,24 cm lang, med en total diameter lik 4,1275 cm for induktoren 5. De åtte transformatorene 15 har hver en kjerne 45 av laminert silisium stål med kvadratsider lik 1,905 cm og lengde lik 15,24 cm. Primærviklingene 9a - 9h består hver av fire lag av AWG #18 koppertråd og sekundærviklingene 13a-13h består hver av to lag AWG #12 koppertråd. Transformatorene 15 har en total ytterdiameter lik 3,175 cm. Den ytre sylinderen 19 er laminert silisiumstål og en indre vikling 21 av AWG #12 koppertråd og en ytre vikling 23 av AWG #12 koppertråd. Endeplater 47 og 49 bestående av 1,27 cm tykke ringformete ringer av laminerte silisiumstål som har en innerdiamer lik 6,985 cm og en ytterdiameter lik 12,065 cm anvendes til å gi en lav reluktansbane til å fullføre den magnetiske kretsen som vist med den stiplede linjen 51.

Når det kjernefysiske batteriet er sammenstilt, nedsenkes det i en oljefylt boks (ikke vist) som er utstyrt med varme-avledere (ikke vist) til å gi den nødvendige avkjøling for effekt transformatoren. Kondensatoren 3 som anvendes i LCR kretsen er en høy Q energiutladningsresonans kondensator av den oljefylte typen.

Under anvendelse av en radiumnål 39 av en millicuri, 200 gram uran, 33 og 100 gram av eksitert torium 31 i den konfigurasjon som er vist i figurene 2 og 3, er ved 86 kHz en konti-nuerlig utmatning av 23 ampere ved 400 volt inn i en mot-standslast blitt oppnådd. En konfigurasjon som anvender ytterligere radiumnåler 53, som vist i fig. 4, kan brukes til å oppnå høyere effektutmatninger.

Selv om der er vist og beskrevet den foretrukne utførelses-form av oppfinnelsen, skal der forstås for fagfolk at oppfinnelsen ikke er begrenset til den bestemte struktur som er beskrevet her og at tallrike endringer og variasjoner kan foretas i oppfinnelsen uten å avvike fra oppfinnelsens idé eller å gå utover omfanget av de etterfølgendende patentkrav.

Claims (6)

1. Anordning for å omdanne radioaktiv energi til elektrisk energi, karakterisert ved : en elektrisk leder viklet på en kjerne til å danne en induktor som har en første induktans, idet nevnte kjerne er av radioaktivt materiale, en kondensator som har en forutbestemt kapasitans C, en transformator som har en primærvikling og en sekundærvikling og en transformatorkjerne, idet nevnte primærvikling og nevnte sekundærvikling er viklet på nevnte transformatorkjerne, idet nevnte primærvikling har en andre induktans, og nevnte sekundærvikling er for kopling av elektrisk energi til en arbeidslast, og elektrisk ledermiddel for å kople nevnte induktor, nevnte kondensator og nevnte primærvikling i serieform til å danne en serie LCR krets, hvor L er summen av nevnte første induktans og nevnte andre induktans, og R er den totale fordelte likestrømsmotstand i nevnte LCR krets.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte kjerne består av en blanding av en flerhet av forskjellige radioaktive materialer.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte radioaktive materialer nedbrytes primært ved alfapartikkelutsendelse.

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte transformator består av en flerhet av transformatorer, idet nevnte flerhet av transformatorer er anbragt i en generelt sirkulær konfigurasjon til å danne en sylinder, idet nevnte kjerne er anbragt innenfor nevnte sylinder, idet den langsgående aksen av nevnte kjerne er sammenfattende med nevnte sylinders langsgående akse, idet hver av nevnte flerhet av transformator har en primærvikling og en sekundærvikling, idet hver av nevnte flerhet av primærviklinger er koplet på seriemessig måte til de øvrige viklinger, og idet hver av nevnte flerhet av sekundær-viklinger er koplet på seriemåte med de øvrige sekundær-viklinger.

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte kjerne består av tre radioaktive materialer .

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte tre radioaktive materialer omfatter radium, uran og torium.