RU2595772C1

RU2595772C1 - Radioisotope photo-thermoelectric generator

Info

Publication number: RU2595772C1
Application number: RU2015129624/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Некрасов; Александр Фридрихович Паль; Валентин Пантелеймонович Смирнов; Андрей Никонович Старостин; Михаил Дмитриевич Таран; Анатолий Васильевич Филиппов; Владимир Евгеньевич Черковец; Сергей Алексеевич Колосков; Евгений Васильевич Скачков
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2016-08-27

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: device relates to radioisotope energy and can be used in power plants intended for long-term autonomous operation in remote and sparsely populated areas of the Earth, as well as in the space environment. Proposed device comprises a closed gas-dynamic circuit with working gas-xenon, a radioisotope radiator, photo- and thermoelectric converters, heat-eliminating plates and a radiator. In the photoconverter the energy of light quanta emitted by the working gas at its alpha- or beta-radiation is partially converted into electric energy. Due to availability of the closed gas-dynamic circuit and the thermoelectric converter the heat energy released in various structural units of the generator is also partially converted into electric energy. In the gas-dynamic circuit an impeller can be placed connected to the electric generator.

EFFECT: increased total efficiency of the nuclear battery.

10 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования энергии распада радионуклидов в электрическую энергию, а точнее к радиоизотопной энергетике, и может быть использовано в энергетических установках, предназначенных для длительной автономной работы в труднодоступных и малонаселенных районах Земли, а также в условиях космического пространства.The invention relates to the field of conversion of decay energy of radionuclides into electrical energy, and more specifically to radioisotope energy, and can be used in power plants designed for long-term autonomous operation in hard-to-reach and sparsely populated areas of the Earth, as well as in outer space.

Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор (РИФТЭГ) включает в себя фото- и термоэлектрический преобразователи. В фотопреобразователе энергия световых квантов, испускаемых рабочим газом при его альфа- или бета-облучении, частично превращается в электрическую энергию. В термоэлектрическом преобразователе тепловая энергия, выделяющаяся на всех этапах генерации фотоэлектричества (при распаде радионуклидов, при генерации УФ-излучения рабочим газом, при генераций электронов в полупроводниковой структуре фотоприемника) также частично превращается в электрическую энергию.A radioisotope photoelectric thermoelectric generator (RIFTEG) includes photo and thermoelectric converters. In a photoconverter, the energy of light quanta emitted by a working gas during its alpha or beta irradiation is partially converted into electrical energy. In a thermoelectric converter, the thermal energy released at all stages of photoelectricity generation (during the decay of radionuclides, during the generation of UV radiation by a working gas, during generation of electrons in the semiconductor structure of a photodetector) is also partially converted into electrical energy.

Известен радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), описанный в патенте РФ №2458420, содержащий герметичный корпус, радиоизотопный источник тепла, термоэлектрическую батарею, теплоизоляцию, выполненную в виде двух колец, и теплозащиту, установленную снаружи по периметру корпуса.Known radioisotope thermoelectric generator (RTG), described in RF patent No. 2458420, containing a sealed enclosure, a radioisotope heat source, thermoelectric battery, thermal insulation made in the form of two rings, and thermal protection installed outside the perimeter of the housing.

Недостатком такого генератора является его сравнительно низкий КПД, не превышающий, обычно, 8%.The disadvantage of this generator is its relatively low efficiency, not exceeding, usually, 8%.

Известен также радиоизотопный генератор, выбранный в качестве прототипа (см. статью В.Ю. Баранов, А.Ф. Паль, А.А. Пустовалов, А.Н. Старостин, Н.В. Суетин, А.В. Филиппов, В.Е. Фортов «Радиоизотопные генераторы электрического тока» в книге «Изотопы: свойства, получение, применение», в 2-х томах, под. ред. Баранова В.Ю., М.: Физматлит, 2005, т. 2, с. 271-276, рис. 17.1.13-17.1.15), содержащий герметичную камеру, в полости которой находятся радиоизотопный альфа- или бета-излучатель в виде тонкостенной пластины, рабочий газ ксенон и фотоэлектрический преобразователь, размещенный в виде пластины напротив радиоизотопного излучателя.Also known is a radioisotope generator selected as a prototype (see article by V.Yu. Baranov, A.F. Pal, A.A. Pustovalov, A.N. Starostin, N.V. Suetin, A.V. Filippov, V. .E. Fortov "Radioisotope generators of electric current" in the book "Isotopes: Properties, Preparation, Application", in 2 volumes, under the editorship of Baranov V.Yu., M .: Fizmatlit, 2005, v. 2, p. . 271-276, Fig. 17.1.13-17.1.15), containing a sealed chamber, in the cavity of which there is a radioisotope alpha or beta emitter in the form of a thin-walled plate, xenon working gas and a photoelectric converter, size enny the plate opposite the emitter radioisotope.

Недостатком такого радиоизотопного генератора является то, что значительная часть энергии, выделяющейся при радиоизотопном распаде, не используется, а удаляется из генератора в виде тепла.The disadvantage of such a radioisotope generator is that a significant part of the energy released during radioisotope decay is not used, but is removed from the generator in the form of heat.

Задачей изобретения является перевод использования выделяющейся в радиоизотопном генераторе тепловой мощности для генерации в электрическую мощность.The objective of the invention is to translate the use of heat released in a radioisotope generator for generation into electrical power.

Техническим результатом изобретения является увеличение общего КПД радиоизотопного генератора.The technical result of the invention is to increase the overall efficiency of the radioisotope generator.

Поставленная задача решается следующим образом. В конструкцию радиоизотопного генератора, содержащего герметичную полость с теплоизолированными стенками, радиоизотопный альфа- или бета-излучатель, рабочий газ ксенон для преобразования радиоактивного излучения в световое излучение, и фотопреобразователь, размещенный напротив радиоизотопного излучателя, введены замкнутый газодинамический контур, теплоотводящие пластины, термоэлектрический преобразователь и радиатор. В замкнутом газодинамическом контуре предусмотрена циркуляция рабочего газа ксенона. Термоэлектрический преобразователь соединен одними своими тепловыми контактами, например, «положительными», с теплоотводящими пластинами, а другими, соответственно, «отрицательными», с радиатором. Кроме того, один из участков газодинамического контура выполнен в виде трубы, нижний и верхний концы которой расположены на разной высоте по вертикали, причем в полости трубы, вблизи ее нижнего конца, установлены радиоизотопный излучатель и фотоэлектрический преобразователь, а вблизи ее верхнего конца - теплоотводящие пластины.The problem is solved as follows. The design of a radioisotope generator containing a sealed cavity with insulated walls, a radioisotope alpha or beta emitter, a xenon working gas for converting radioactive radiation into light radiation, and a photoconverter placed opposite the radioisotope emitter include a closed gas-dynamic circuit, heat-removing plates, a thermoelectric converter, and radiator. In a closed gas-dynamic circuit, xenon working gas circulation is provided. The thermoelectric converter is connected by its own thermal contacts, for example, “positive”, with heat sink plates, and others, respectively, “negative”, with a radiator. In addition, one of the sections of the gas-dynamic circuit is made in the form of a pipe, the lower and upper ends of which are located at different vertical heights, moreover, a radioisotope emitter and a photoelectric converter are installed in the pipe cavity, near its lower end, and heat sink plates near its upper end .

При этом:Wherein:

- теплоотводящие пластины могут быть выполнены из меди или алюминия;- heat sink plates can be made of copper or aluminum;

- в качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье;- Peltier elements can be used as a thermoelectric converter;

- радиоактивным веществом могут быть стронций 90, плутоний 238 или америций 241;- the radioactive substance may be strontium 90, plutonium 238 or americium 241;

- альфа- или бета-излучатель может быть выполнен в виде тонкостенных пластин;- alpha or beta emitter can be made in the form of thin-walled plates;

- в полости газодинамического контура, перед нижним концом трубы, может быть размещена крыльчатка и электрогенератор, имеющие общий вал вращения.- in the cavity of the gas-dynamic circuit, in front of the lower end of the pipe, an impeller and an electric generator having a common rotation shaft can be placed.

На приведенной фигуре показана принципиальная схема такого радиоизотопного фото-термоэлектрического генератора.The figure shows a schematic diagram of such a radioisotope photo-thermoelectric generator.

Генератор содержит заполненный ксеноном газодинамический контур 1, трубу 2, радиоизотопный излучатель 3, фотоэлектрический преобразователь 4, теплоотводящие пластины 5, термоэлектрический преобразователь 6, радиатор 7, крыльчатку 8, электрический генератор 9 и внешнюю теплоизоляцию 10.The generator contains a xenon-filled gas-dynamic circuit 1, a pipe 2, a radioisotope emitter 3, a photoelectric converter 4, heat sink plates 5, a thermoelectric converter 6, a radiator 7, an impeller 8, an electric generator 9, and an external thermal insulation 10.

Труба 2 является частью контура 1, при этом ее нижний и верхний концы расположены на разной высоте по вертикали (на приведенном чертеже труба расположена вертикально). Радиоизотопный излучатель 3 и фотоэлектрический преобразователь 4 установлены в нижней части полости трубы 2, а теплоотводящие пластины 5 - вблизи ее верхнего конца (вне ее полости). Теплоотводящие пластины 5 механически соединены с тепловыми одноименными контактами (например, положительными) термоэлектрического преобразователя 6, при этом другие одноименные тепловые контакты преобразователя 6 (соответственно, отрицательные) механически соединены с тепловыми контактами радиатора 7. Кроме того, вал крыльчатки 8 механически связан с валом электрического генератора 9.The pipe 2 is part of the circuit 1, while its lower and upper ends are located at different heights vertically (in the drawing, the pipe is located vertically). The radioisotope emitter 3 and the photoelectric converter 4 are installed in the lower part of the cavity of the pipe 2, and the heat-removing plates 5 are located near its upper end (outside its cavity). The heat-releasing plates 5 are mechanically connected to the thermal contacts of the same name (for example, positive) of the thermoelectric converter 6, while the other thermal contacts of the same name 6 (respectively, negative) are mechanically connected to the thermal contacts of the radiator 7. In addition, the impeller shaft 8 is mechanically connected to the electric shaft generator 9.

Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор работает следующим образом.Radioisotope photo-thermoelectric generator operates as follows.

В результате облучения ксенона потоком альфа- или бета-частиц, испускаемых радиоизотопным излучателем 3, ксенон возбуждается и генерирует УФ излучение, которое, воздействуя на фотоэлектрический преобразователь 4, генерирует, в свою очередь, электрическую мощность. При этом в радиоизотопном излучателе 3, в рабочем газе ксеноне и в фотоэлектрическом преобразователе выделяется тепло, которое при наличии теплоизоляции трубы 2 практически полностью идет на нагрев ксенона, находящегося в трубе 2 в непосредственной близости от излучателя и фотоэлектрического преобразователя. Поднимающийся по трубе за счет естественной конвекции нагретый ксенон отдает приобретенную им тепловую энергию теплоотводящим пластинам 5. За счет теплопроводности пластин 5 и материала термоэлектрического преобразователя 6 это тепло отводится на радиатор 7 и рассеивается в окружающем пространстве. В процессе отвода тепла на контактах преобразователя 6 возникает градиент температуры и, соответственно, разность электрических потенциалов, вызывающая генерацию электрической энергии.As a result of irradiation of xenon with a stream of alpha or beta particles emitted by a radioisotope emitter 3, xenon is excited and generates UV radiation, which, acting on the photoelectric converter 4, generates, in turn, electric power. In this case, heat is generated in the radioisotope emitter 3, in the xenon working gas, and in the photoelectric converter, which, when the pipe 2 is insulated, is almost completely used to heat the xenon located in the pipe 2 in the immediate vicinity of the emitter and the photoelectric converter. The heated xenon rising through the pipe due to natural convection gives off the heat energy it acquired to the heat-removing plates 5. Due to the heat conductivity of the plates 5 and the material of the thermoelectric converter 6, this heat is removed to the radiator 7 and dissipated in the surrounding space. In the process of heat removal at the contacts of the Converter 6, a temperature gradient and, accordingly, the difference in electrical potentials, causing the generation of electrical energy.

Приведенная выше схема распределения тепловых потоков в узлах генератора является «идеальной» с точки зрения достижения максимального преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. В действительности, через корпус радиоизотопного генератора всегда, в той или иной мере, происходят «утечки» тепла в окружающее пространство, в результате чего эффективность преобразования тепла в электричество снижается. Для уменьшения тепловых «утечек» необходимо наружные стенки контура 1 делать теплоизолированными.The above diagram of the distribution of heat fluxes in the nodes of the generator is "ideal" from the point of view of achieving the maximum conversion of thermal energy into electrical energy. In fact, through the body of the radioisotope generator, there are always, to one degree or another, “leakage” of heat into the surrounding space, as a result of which the efficiency of converting heat to electricity is reduced. To reduce thermal "leaks" it is necessary to make the outer walls of circuit 1 thermally insulated.

Кроме того, максимальная эффективность работы термоэлектрического генератора возможна лишь в том случае, если стенки трубы 2 выполнены из теплоизоляционного материала, а сама труба занимает в газодинамическом контуре вертикальное положение.In addition, the maximum efficiency of the thermoelectric generator is possible only if the walls of the pipe 2 are made of heat-insulating material, and the pipe itself occupies a vertical position in the gas-dynamic circuit.

При установившемся движении ксенона по замкнутому контуру 1, более холодный, и, соответственно, более «тяжелый» ксенон, находящийся в контуре, но вне трубы 2, будет непрерывно вытеснять более нагретый и, соответственно, более «легкий» ксенон, находящийся в трубе 2. На приведенной схеме генератора движение газа по контуру происходит «против» часовой стрелки. Средняя скорость движения ксенона по трубе 2 (и, соответственно, средняя температура ксенона в трубе 2) определяется суммарными гидравлическими потерями вдоль всего контура 1. Величина теплового потока и рабочий перепад температуры на термоэлектрическом преобразователе 6 зависят от мощности радиоизотопного излучателя, площадей поперечного сечения пластин 5 и преобразователя 6, особенностей отвода тепла от ребер радиатора 7, а также от некоторых других параметров, При оптимальном подборе этих параметров можно добиться максимального преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и, таким образом, получить максимальный КПД радиоизотопного генератора в целом.With the steady movement of xenon in closed loop 1, the cooler and, accordingly, more “heavy” xenon located in the circuit but outside of pipe 2 will continuously displace the warmer and, correspondingly, more “light” xenon in the pipe 2 In the generator diagram shown, the gas moves along the circuit “counterclockwise”. The average xenon speed along the pipe 2 (and, accordingly, the average xenon temperature in the pipe 2) is determined by the total hydraulic losses along the entire circuit 1. The heat flux and the working temperature difference at the thermoelectric converter 6 depend on the power of the radioisotope emitter and the cross-sectional area of the plates 5 and converter 6, features of heat removal from the fins of the radiator 7, as well as from some other parameters. With the optimal selection of these parameters, you can achieve maximum generation of thermal energy into electrical energy and, thus, to obtain the maximum efficiency of the radioisotope generator as a whole.

В качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье.Peltier elements can be used as a thermoelectric converter.

В качестве источников альфа- или бета-частиц могут быть использованы такие радиоактивные вещества, как стронций 90, плутоний 238 и америций 241, у которых период полураспада превышает 10-15 лет (характерное время автономной работы РИТЭГов), а удельная излучающая мощность сравнительно большая, равна, соответственно, 925, 556 и 115 мВт/г, что позволит рассчитывать на создание относительно компактных и легких радиоизотопных генераторов.As sources of alpha or beta particles, radioactive substances such as strontium 90, plutonium 238 and americium 241 can be used, in which the half-life exceeds 10-15 years (typical battery life of the RTGs), and the specific emitting power is relatively large, equal, respectively, 925, 556 and 115 mW / g, which allows us to count on the creation of relatively compact and lightweight radioisotope generators.

При таком комбинированном способе преобразования световой и тепловой энергии в электрическую энергию суммарный КПД фото-термоэлектрического генератора η_Σ определяется формулой:With this combined method of converting light and thermal energy into electrical energy, the total efficiency of the photo-thermoelectric generator η _Σ is determined by the formula:

где η₁=W₁/W₀ и η₁=W₁/W_Q - КПД, соответственно, фотопреобразователя и термоэлектрического преобразователя, W₁ - мощность, генерируемая фотопреобразователем, W₂ - мощность, генерируемая термоэлектрическим преобразователем, W₀ - мощность радиоизотопного источника, W_Q - суммарная тепловая мощность, отводимая из полости батареи через теплопроводящие пластины, W_т.п. - тепловые потери мощности за счет утечек через стенки атомной батареи.where η ₁ = W ₁ / W ₀ and η ₁ = W ₁ / W _Q are the efficiency of the photoconverter and thermoelectric transducer, W ₁ is the power generated by the photoconverter, W ₂ is the power generated by the thermoelectric transducer, W ₀ is the power of the radioisotope source, W _Q is the total heat output from the battery cavity through heat-conducting plates, W _etc. - thermal power loss due to leaks through the walls of the atomic battery.

Если W_т.п./W₀<<1, а значения η₁ и η₂ не очень большие, например, в пределах 10%, тоIf W _etc. / W ₀ << 1, and the values η ₁ and η _{2 are} not very large, for example, within 10%, then

Дополнительную электрическую мощность в фото-термоэлектрическом генераторе можно получить, если в газодинамическом контуре 1 установить крыльчатку, например, осевую или центробежную, соединенную с электрогенератором, как показано на приведенной фигуре. В этом случае преобразование кинетической энергии движущегося ксенона в электричество будет происходить подобно тому, как это происходит в ветряных электрогенераторах. Предпочтительным местом для размещения крыльчатки является вход в трубу 2 со стороны ее нижнего конца. За счет сравнительно большого КПД крыльчатки (70% и выше), а также большого КПД электрического генератора (90% и выше) такая конструкция в некоторых случаях, например, при достаточно большом отношении длины фото-термоэлектрического генератора к его поперечному размеру, может оказаться энергетически выгодной.Additional electric power in the photo-thermoelectric generator can be obtained if an impeller is installed in the gas-dynamic circuit 1, for example, an axial or centrifugal impeller connected to an electric generator, as shown in the figure. In this case, the conversion of the kinetic energy of the moving xenon into electricity will occur similar to how it happens in wind power generators. The preferred location for placing the impeller is the entrance to the pipe 2 from the side of its lower end. Due to the relatively high efficiency of the impeller (70% and higher), as well as the high efficiency of the electric generator (90% and higher), such a design in some cases, for example, with a sufficiently large ratio of the length of the photo-thermoelectric generator to its transverse size, can be energetically profitable.

При генерации электрической мощности сразу от всех трех типов одновременно работающих преобразователей (фотовольтаического, термоэлектрического и механического) и оптимизации их совместной работы путем программного управления каждым из них можно в целом получить более высокий КПД преобразования мощности радиоизотопного источника в электрическую мощность.When generating electric power directly from all three types of simultaneously working converters (photovoltaic, thermoelectric and mechanical) and optimizing their joint work by programmatically controlling each of them, one can generally obtain a higher efficiency of converting the power of a radioisotope source into electrical power.

Следует также отметить, что в ряде случаев такие радиоизотопные генераторы целесообразно изготовлять в виде протяженных цилиндров с возможностью их последовательной установки в одну вертикальную колонну и гальванического объединения в один более мощный генератор. Такая колонна может быть размещена, например, в буровой скважине, что делает такой генератор труднодоступным при попытке несанкционированного проникновения к его элементам.It should also be noted that in some cases it is advisable to manufacture such radioisotope generators in the form of extended cylinders with the possibility of their sequential installation in one vertical column and galvanic integration into one more powerful generator. Such a column can be placed, for example, in a borehole, which makes such a generator difficult to access when attempting unauthorized entry to its elements.

Claims

1. Radioisotope photo-thermoelectric generator containing a sealed cavity with insulated walls, a radioisotope alpha or beta emitter, xenon working gas for converting radioactive radiation into light radiation, and a photoconverter placed opposite the radioisotope emitter, characterized in that the generator design is introduced closed gas-dynamic circuit with the possibility of xenon circulation through it, heat-removing plates, thermoelectric converter and radiator, while heat the lead-in plates are mechanically connected to the thermal contacts of the thermoelectric converter, the other thermal contacts of which, in turn, are mechanically connected to the thermal contacts of the radiator, and in addition, one of the sections of the gas-dynamic circuit is made in the form of a pipe, the lower and upper ends of which are located at different heights vertical, moreover, in the cavity of the pipe, near its lower end, a radioisotope emitter and a photoconverter are installed, and near the upper end are heat-removing plates.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the material of the heat-removing plates is copper or aluminum;

3. The generator according to claim 1, characterized in that the thermoelectric converter consists of Peltier elements;

4. The generator according to claim 1, characterized in that the radioisotope substance is strontium 90.

5. The generator according to claim 1, characterized in that the radioisotope substance is plutonium 238.

6. The generator according to claim 1, characterized in that the radioisotope substance is americium 241.

7. The generator according to claim 1, characterized in that the alpha or beta emitter is made in the form of thin-walled plates.

8. The generator according to claim 1, characterized in that in the cavity of the gas-dynamic circuit, in front of the lower end of the pipe, there is an impeller and an electric generator having a common rotation shaft.

9. The generator according to claim 1, characterized in that it is an integral part of exactly the same generators, sequentially mechanically interconnected along one vertical axis and, as a result of galvanic connection, forms a generally more powerful generator.

10. The generator according to claim 8, characterized in that it is an integral part of exactly the same generators, sequentially mechanically interconnected along one vertical axis and forming a more powerful generator as a result of galvanic connection.