RU2694362C1

RU2694362C1 - Method of converting nuclear energy (energy of radioactive decay and/or fission of atomic nuclei and/or energy of thermonuclear neutrons) into electrical energy and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2694362C1
Application number: RU2018134975A
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Стельмахович; Светлана Николаевна Криницкая; Валерий Владимирович Крюков
Original assignee: Евгений Михайлович Стельмахович; Светлана Николаевна Криницкая; Валерий Владимирович Крюков
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2019-07-12

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to device for production of low-voltage electricity. Nuclear particles pass through at least one layer of activated scintillator to obtain electromagnetic radiation and conversion into electrical energy due to internal photoelectric effect by transmitting radiation to semiconductor element. An activated scintillator is used in which atoms of one or more chemical elements of the matrix and/or activator are partially or completely replaced with isotopes of the same or chemically homogenous elements or molecules with such elements as nuclear fuel.

EFFECT: possibility of increasing efficiency of nuclear radiation energy conversion into electric energy.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для трансформации ядерной энергии (энергии частиц при радиоактивном распаде изотопов и изомеров и энергии осколков деления) в световой поток узкого спектра с последующим его использованием для производства низковольтного электричества за счет внутреннего фотоэффекта в полупроводниковых фотоэлементах с получением выхода электрической энергии с высоким КПД преобразования.The invention relates to quantum electronics and can be used to transform nuclear energy (particle energy during radioactive decay of isotopes and isomers and the energy of fission fragments) into a light flux of a narrow spectrum with its subsequent use to produce low-voltage electricity due to an internal photoelectric effect in semiconductor photocells with an output electrical energy with high conversion efficiency.

Наиболее близкими аналогами совокупности заявленной группы изобретений являются технические решения, раскрытые в заявке США №2011/0100439 от 05.05.2011 (1), а также в патенте РФ №2663971 от 14.08.2018 г. (2).The closest analogues of the aggregate of the claimed group of inventions are the technical solutions disclosed in US application No. 2011/0100439 of 05/05/2011 (1), as well as in RF patent No. 2663971 of August 14, 2018 (2).

В основе указанных известных решений лежит физический принцип генерации излучения активированных сцинтилляторов за счет прохождения сквозь него ядерных частиц. Так, в патенте (2) предусмотрена транспортировка полученного излучения по градиентному волноводу до устройства преобразования в электрическую энергию, вид ядерного топлива расширен за счет включения делящихся материалов, а также предусмотрен иной способ размещения ядерного топлива – в виде нановолокон или нанослоев. Указанное позволило добиться ряда существенных преимуществ по отношению к решению (1), как то:The basis of these well-known solutions is the physical principle of generation of radiation of activated scintillators due to the passage of nuclear particles through it. Thus, in the patent (2), the received radiation is transported along a gradient waveguide to a device converting into electrical energy, the type of nuclear fuel is expanded due to the inclusion of fissile materials, and also provides a different way to accommodate nuclear fuel - in the form of nanofibers or nanolayers. This has led to a number of significant advantages with respect to solution (1), such as:

физических - возможность применения радиоизотопов (включая ядерные изомеры) или ядер делящихся материалов (U-235, 233 и Pu – 239, 241) в качестве первичного источника энергии, получение высоких нейтронных потоков (вплоть до реакторных показателей) в случае реализации делящихся материалов в качестве источников первичной энергии);Physical - the possibility of using radioisotopes (including nuclear isomers) or nuclei of fissile materials (U-235, 233 and Pu - 239, 241) as the primary source of energy, obtaining high neutron fluxes (up to reactor parameters) in the case of fissionable materials as primary energy sources);

конструкционных - послойное размещение ядерного излучающего материала с чередованием значительно более толстых слоев чистого сцинтиллятора либо размещение ядерного материала в виде нановолокон, имеющих длину много больше диаметра и с малым коэффициентом диффузии сквозь материал сцинтиллятора; возможность использования градиентных волноводов в качестве средств доставки полезного излучения до фото-электро-преобразователя, что, в свою очередь, позволяет концентрировать плотность мощности входящего в волновод сцинтилляционного излучения из тонкого и большого по площади излучающего слоя сцинтиллятора в выходное излучение к преобразователю через свое узкое сечение, увеличивая яркость на несколько порядков;structural - layered placement of nuclear emitting material with alternation of much thicker layers of pure scintillator or placement of nuclear material in the form of nanofibers having a length much greater than the diameter and with a low diffusion coefficient through the scintillator material; the possibility of using gradient waveguides as a means of delivering useful radiation to a photoelectric converter, which, in turn, makes it possible to concentrate the power density of the scintillation radiation entering the waveguide from the thin and large area of the radiating layer of the scintillator into the output radiation to the converter through its narrow section , increasing the brightness by several orders of magnitude;

результативных - возможность получения устройств большей удельной мощности, получение более высокого КПД преобразования ядерной энергии в электрическую, сокращение выделения паразитного тепла, возможность выноса фотопреобразователя за пределы контакта с устройством первичного преобразования энергии (сцинтиллятора), сокращение износа наиболее уязвимых элементов конструкции устройств (полупроводниковых фотопреобразователей) и, как следствие, значительное продление срока службы приборов, возможность управления мощностью в устройстве-преобразователе (в случае использования делящихся материалов и/или термоядерных реакций) за счет регулирования потока нейтронов, возможность передачи товарной энергии потребителю не в виде электричества в сети, а в виде потока фотонов, что исключает необходимость трансформации (электроподстанций) и более безопасно в отсутствие высоких электрических потенциалов на линии.effective - the possibility of obtaining devices of higher specific power, obtaining a higher efficiency of converting nuclear energy into electrical energy, reducing the release of parasitic heat, the possibility of carrying out the photoconverter beyond the limits of contact with the device of the primary energy conversion (scintillator), reducing the wear of the most vulnerable structural elements of the devices and, as a result, a significant extension of the service life of devices, the ability to control the power in devices a transducer (in the case of using fissile materials and / or thermonuclear reactions) by regulating the neutron flux, the ability to transfer commercial energy to the consumer not in the form of electricity in the network, but in the form of a flow of photons, which eliminates the need for transformation (electrical substations) and is safer lack of high electrical potentials on the line.

Вместе с тем, принципиальными факторами, которые оказывают существенное влияние на конечный результат использования технологий-аналогов: повышение удельной энергии преобразования и, как следствие, КПД устройства в целом, являются свойства активированного сцинтиллятора и топливной компоненты в смеси как таковых. However, the fundamental factors that have a significant impact on the end result of using analog technologies: an increase in the specific conversion energy and, as a result, the efficiency of the device as a whole, are the properties of the activated scintillator and the fuel component in the mixture as such.

Общеизвестно, что как органические, так и неорганические сцинтилляторы имеют ограниченную прозрачность в виду наличия эффекта самогашения, то есть поглощения своего собственного индуцированного излучения. Этот фактор, в свою очередь, накладывает жесткие ограничения на толщину сцинтиллятора - увеличение толщины слоя с целью разместить как можно больше топлива в одном элементе устройства для всех сцинтилляторов становится нецелесообразным по достижении некоторого предела. Кроме того, реальная толщина слоя сцинтиллятора должна складываться из толщины слоя, содержащего топливо и слоев чистого сцинтиллятора из условия не менее длины пробега ядерных частиц, которые создаются перед приемником полезного излучения для его защиты от негативного влияния высокоэнергетических ядерных частиц, в первую очередь, осколков деления и ядер гелия (альфа-частиц), а также электронов с энергиями выше нескольких десятков кэВ. Для большинства сцинтилляторов толщина такого защитного слоя в виду вышеозначенного условия находится в пределах от 0,05÷0,1 мм до 0,3÷0,5 мм. It is well known that both organic and inorganic scintillators have limited transparency due to the presence of self-extinguishing effect, that is, absorption of their own induced radiation. This factor, in turn, imposes severe restrictions on the thickness of the scintillator - increasing the thickness of the layer in order to place as much fuel as possible in one element of the device for all scintillators becomes impractical upon reaching a certain limit. In addition, the actual thickness of the scintillator layer should consist of the thickness of the layer containing the fuel and the layers of the clean scintillator from a condition of at least the mean free path of nuclear particles that are created in front of the receiver of the useful radiation to protect it from the negative effects of high-energy nuclear particles and helium nuclei (alpha particles), as well as electrons with energies above several dozen keV. For most scintillators, the thickness of such a protective layer in view of the above condition is in the range from 0.05 ÷ 0.1 mm to 0.3 ÷ 0.5 mm.

В свою очередь, фактор повышения удельной энергии устройств за счет наращивания плотности ядерного топлива определенного типа в сцинтилляторе ограничен массовой долей такого топлива приблизительно в пределах от долей до 1÷2 % - большинство веществ, являющихся для рассматриваемого типа устройств ядерным топливом, не прозрачны для индуцируемого в сцинтилляторе спектра, что, в свою очередь означает, что значительное их присутствие в среде сцинтиллятора (даже в виде нанообразований) начнет снижать его прозрачность и, следовательно, опять-таки снижать КПД преобразования и увеличивать паразитный нагрев. In turn, the factor of increasing the specific energy of devices due to increasing the density of a certain type of nuclear fuel in a scintillator is limited to the mass fraction of such fuel approximately from fractions up to 1 ÷ 2% - most substances that are nuclear fuel for the type of devices considered are not transparent for induced in the spectrum scintillator, which, in turn, means that their significant presence in the scintillator medium (even in the form of nanoformations) will begin to reduce its transparency and, therefore, again They reduce the conversion efficiency and increase parasitic heating.

С учетом вышеописанных недостатков наиболее близких аналогов, авторам настоящей заявки представляется, что с точки зрения увеличения максимальной энергоемкости и эффективности первичного преобразования (ядерной энергии в узкий спектр электромагнитного излучения) наиболее перспективным является размещение атомов-источников первичной ядерной энергии (будь то распад радиоизотопов или изомеров или деление ядер нейтронами, в том числе термоядерными) в виде составной части материала матрицы или активатора сцинтиллятора, что исключает влияние на оптические свойства сцинтиллятора и его эффективность при любой концентрации ядерного топлива в слое.Given the above disadvantages of the closest analogues, the authors of this application believe that from the point of view of increasing the maximum energy intensity and efficiency of the primary conversion (nuclear energy into a narrow spectrum of electromagnetic radiation), the most promising is the placement of atoms-sources of primary nuclear energy ( or nuclear fission by neutrons, including thermonuclear fusion) as an integral part of the matrix material or scintillator activator, which excludes iyanie scintillator in optical properties and its efficacy at any concentration in the fuel layer.

Так, например, для органических сцинтилляторов углерод и водород являются основными элементами матрицы. Для сохранения оптических свойств и повышения эффективности целесообразно не вводить в него примесные структуры, а заместить некоторое количество атомов природного углерода на изотоп С¹⁴ (Т_1/2 = 5760 лет, β^- → N¹⁴ + Q, сплошной спектр е^-, энергия электронов до 156 кэВ, получение N¹⁴ + n → C¹⁴ + H¹ – облучением в реакторе σ_т ~ 1,365 барн). Расчет показывает, что при 10% замещении атомов природного С на изотоп С¹⁴ в сцинтилляторах типа нафталов, пластмасс, ароматических УВ и т.д. можно рассчитывать на увеличение удельной мощности до порядка 0,3 мВт/см³. При этом, большой Т_1/2 говорит о довольно плавном снижении этой мощности в процессе эксплуатации (т.е. о, фактически, возможности получения стабильного элемента питания). Если же вместо углерода заместить водород (обычный протий) на тритий (Т_1/2 = 12 лет, β^- → He³ + 18 кэВ, сплошной спектр е^-, средняя энергия 5,7 кэВ, получение Li⁶ + n → He⁴ + H³ – облучением в реакторе) также на 10%, то начальная удельная мощность в сцинтилляторе может быть повышена до 54 мВт/см³ (подобная технология замещение атомов хорошо опробована при синтезе органических замедлителей нейтронов для атомных установок с замещением протия на дейтерий). Таким образом, возникает возможность получения нового класса мощных органических самоизлучающих сцинтилляторов – радиоизотопных источников электромагнитной энергии, без включения в тело сцинтилляторов сторонних примесей и элементов, ухудшающих оптические свойства и снижающих эффективность и удельную мощность.For example, for organic scintillators, carbon and hydrogen are the main elements of the matrix. To preserve the optical properties and increase the efficiency, it is advisable not to introduce impurity structures into it, but to substitute a certain amount of natural carbon atoms with the C ¹⁴ isotope (T _1/2 = 5760 years, β ^- → N ¹⁴ + Q, continuous e ^- spectrum, electron energy to 156 keV, obtaining N ¹⁴ + n → C ¹⁴ + H ¹ - by irradiation in the reactor σ _t ~ 1.365 barn). The calculation shows that with a 10% substitution of natural C atoms for the C ¹⁴ isotope in scintillators such as naphthals, plastics, aromatic hydrocarbons, etc. You can count on increasing the power density to about 0.3 mW / cm ³ . At the same time, a large T1 _{/ 2} indicates a fairly smooth decrease in this power during operation (i.e., about, in fact, the possibility of obtaining a stable battery). If instead of carbon, hydrogen (usual protium) is replaced by tritium (T _1/2 = 12 years, β ^- → He ³ + 18 keV, continuous spectrum e ^- , average energy 5.7 keV, production of Li ⁶ + n → He ⁴ + H ³ - by irradiation in the reactor) also by 10%, then the initial specific power in the scintillator can be increased to 54 mW / cm ³ (this technology replacing atoms is well tested in the synthesis of organic neutron moderators for atomic installations with protium replaced by deuterium). Thus, it becomes possible to obtain a new class of powerful organic self-emitting scintillators - radioisotope sources of electromagnetic energy, without the inclusion of third-party impurities and elements in the body of scintillators that impair optical properties and reduce efficiency and power density.

В свою очередь, для неорганических сцинтилляторов открывается еще более просторное поле для внедрения ядерной компоненты (топлива) на атомарно-ионном уровне. Так, для кристаллов сцинтиллятора на базе матрицы, активированной таллием (CsJ:Tl) целесообразно провести частичное замещение стабильных атомов цезия на изотоп Цезий-137. Изотопный состав в данном случае не оказывает влияния на сцинтилляционную функцию, но позволяет запасти и выделять большую мощность. Кроме того, цезий-137 является легко доступным высококалорийным видом радиоизотопного топлива, нарабатываемого в ядерных реакторах и имеющего большой период полураспада (более 30 лет). Аналогично, в сцинтилляторах LiJ:Sb или :Eu, где атом сурьмы можно заместить изотопом Сурьма-125 (Т_1/2 = 2,76 года) или доступными изотопами Eu (150, 152, 154), либо в нанопорошковых керамических неорганических сцинтилляторах, например, на базе гадолиния Gd₂O₂S: Eu, :Tb, :Ce, :Pr, с добавлением LiF, где возможно введение ядерной компоненты и в виде легирующих активаторов и в виде замещения самого гадолиния альфа-радиоактивным изотопом Gd-148 с энергией распада в 3,6 МэВ и периодом в (75 – 93 года по разным данным) и т.д.In turn, for inorganic scintillators, an even more spacious field opens up for the introduction of the nuclear component (fuel) at the atomic-ionic level. Thus, for scintillator crystals based on a matrix activated by thallium (CsJ: Tl), it is advisable to partially replace the stable cesium atoms with the Cesium-137 isotope. The isotopic composition in this case does not affect the scintillation function, but allows you to store and allocate more power. In addition, cesium-137 is an easily available high-calorie type of radioisotope fuel produced in nuclear reactors and has a long half-life (more than 30 years). Similarly, in LiJ: Sb or: Eu scintillators, where the antimony atom can be replaced with the Sb-125 isotope (T _1/2 = 2.76 years) or with the available Eu isotopes (150, 152, 154), or in nanopowder ceramic inorganic scintillators, for example, on the basis of gadolinium Gd ₂ O ₂ S: Eu,: Tb,: Ce,: Pr, with the addition of LiF, where it is possible to introduce the nuclear component in the form of doping activators and as a substitution of gadolinium itself with the alpha-radioactive isotope Gd-148 decay energy of 3.6 MeV and a period of (75 - 93 years according to various sources), etc.

Таким образом, задачей, решаемой при создании заявленного решения, является возможность использования самораспадающихся (радиоизотопов и ядерных изомеров) материалов, делящегося ядерного топлива и/или материалов делящихся сверхбыстрыми термоядерными нейтронами для получения электрической энергии, в частности, в возможности использования для этих целей сравнительно дешевых источников радиоактивной энергии, в том числе, отходов ядерного производства и прочих, непосредственно включая эти элементы в состав матрицы сцинтиллятора или его активатора вплоть до 100% замещения соответствующего элемента таблицы Менделеева нужным для выделения первичной ядерной энергии изотопом. Thus, the problem to be solved when creating the claimed solution is the possibility of using self-decaying (radioisotopes and nuclear isomers) materials, fissile nuclear fuel and / or materials fissioning ultrafast thermonuclear neutrons to produce electrical energy, in particular, the possibility of using relatively cheap for these purposes sources of radioactive energy, including nuclear waste and others, directly including these elements in the scintillator matrix or up to 100% replacement of the corresponding element of the Periodic Table with the one necessary for the release of primary nuclear energy with an isotope.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности увеличения КПД преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию, увеличения удельной мощности устройств и управления этой мощностью, при одновременной возможности существенного уменьшения размеров подобных преобразователей, увеличения срока их службы и снижения себестоимости.The technical result achieved when solving the task is to increase the efficiency of converting the energy of nuclear radiation into electrical energy, increasing the power density of devices and controlling this power, while simultaneously having a significant reduction in the size of such converters, increasing their service life and reducing costs.

Для достижения заявленного результата предлагается в способе получения электрической энергии, при котором обеспечивают прохождение ядерных частиц через, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора, с последующим получением электромагнитного излучения узкого спектра или нескольких узких спектров в диапазоне от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ) и преобразованием полученного излучения в электрическую энергию за счет внутреннего фотоэффекта посредством передачи излучения до полупроводникового элемента, расположенного на расстоянии от активированного сцинтиллятора, использовать активированный сцинтиллятор, в котором атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами, служащими ядерным топливом. To achieve the stated result, it is proposed in a method of producing electrical energy, in which nuclear particles pass through at least one layer of an activated scintillator, and then receive electromagnetic radiation of a narrow spectrum or several narrow spectra ranging from infrared (IR) to ultraviolet (UV ) and the conversion of the received radiation into electrical energy due to the internal photoelectric effect by transmitting radiation to the semiconductor element, dix activated at a distance from the scintillator, the scintillator use activated, wherein the atoms of one or more chemical elements of the matrix and / or activator is partially or fully substituted by isotopes of the same or chemically related elements or molecules with such elements serving as nuclear fuel.

Для достижения заявленного результата предлагается также преобразователь ядерной энергии (энергии радиоактивного распада и/или энергии деления атомных ядер и/или быстрых нейтронов ядерного синтеза) в электрическую энергию, содержащий, по меньшей мере, один слой активированного сцинтиллятора с, по меньшей мере, одной излучающей поверхностью, в контакте с которой расположен градиентный волновод, связанный с полупроводниковым фото-электрическим преобразователем, в котором в активированном сцинтилляторе атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами тех же или химически сродных элементов или молекулами с такими элементами, служащими ядерным топливом.To achieve the claimed result, a converter of nuclear energy (energy of radioactive decay and / or fission energy of atomic nuclei and / or fast neutrons of nuclear fusion) into electrical energy containing at least one layer of activated scintillator with at least one radiating energy is also proposed. surface, in contact with which is located a gradient waveguide associated with a semiconductor photoelectric converter, in which in the activated scintillator atoms of one or several chemists The elements of the matrix and / or activator are partially or completely replaced by isotopes of the same or chemically related elements or molecules with such elements as nuclear fuel.

По результатам вышеуказанной замены изотопы продолжают исполнять функцию преобразования ядерной энергии в качестве составной части сцинтиллятора на атомарном уровне, но при этом на уровне ядерной структуры сами же служат источником первичной энергии – источником ядерных частиц, то есть, являются ядерным топливом. Таким образом, предлагаемый, по существу, метод размещение ядерного топлива в молекулах сцинтиллятора, наряду с исключением прямого контакта преобразователя (полупроводникового фотоэлемента) с частицами ядерных материалов, позволяет создавать устройства преобразования ядерной энергии всех типов (энергии радиоактивного распада изотопов и изомеров, энергии деления ядер, энергии термоядерного синтеза с излучением нейтронов высоких энергий) и преобразования всех видов энергии ядерных излучений в электроэнергию посредством предварительного преобразования ядерной энергии в узкий спектр излучения активированного сцинтиллятора и транспортировки этого излучения градиентным волноводом до преобразователя-фотоприемника с соответствующей оптимальной частотной полосой поглощения. According to the results of the above replacement, isotopes continue to perform the function of converting nuclear energy as an integral part of the scintillator at the atomic level, but at the level of the nuclear structure they themselves serve as the primary energy source - the source of nuclear particles, that is, they are nuclear fuel. Thus, the proposed method of placing nuclear fuel in scintillator molecules, along with the exclusion of direct contact of the converter (semiconductor photocell) with particles of nuclear materials, allows creating devices for converting all types of nuclear energy (radioactive decay energy of isotopes and isomers, nuclear fission energy). energy of thermonuclear fusion with high-energy neutron radiation) and the conversion of all types of nuclear radiation energy into electricity by means of ceiling elements conversion of nuclear energy into the narrow range activated scintillator of radiation and transport this radiation to the gradient converter waveguide-photodetector with a corresponding optimum absorption frequency band.

Размещение ядерного материала (ядерного топлива) – источника первичной ядерной энергии – в сцинтилляторе может осуществляться на этапе его изготовления без изменения его оптических и химических свойств путем частичного или полного замещения атомов компонент матрицы и/или активатора этого сцинтиллятора изотопами того же элемента таблицы Менделеева, но с измененным нуклонным составом (радиоизотопами, ядерными изомерами или атомами ядерного делящегося материала), или изотопами химически сродных элементов или молекулами таких элементов со схожими свойствами, служащими одновременно ядерным топливом для устройства (на ядерном уровне) и преобразующими первичную энергию (на атомарном или молекулярном уровне) в узкий спектр электромагнитного излучения. The placement of nuclear material (nuclear fuel) - a source of primary nuclear energy - in the scintillator can be carried out at the manufacturing stage without changing its optical and chemical properties by partially or completely replacing the atoms of the matrix component and / or activator components of this scintillator with isotopes of the same element of the Periodic Table, but with a modified nucleon composition (radioisotopes, nuclear isomers or atoms of nuclear fissile material), or isotopes of chemically related elements or molecules of such elements s with similar properties that simultaneously serve as nuclear fuel for the device (at the nuclear level) and convert the primary energy (at the atomic or molecular level) into a narrow spectrum of electromagnetic radiation.

На фиг.1-3 представлены простейшие схемы реализации заявленного преобразователя ядерной энергии с первичным ее преобразованием в узкий спектр излучения с двусторонней схемой облучения и последующим направлением этого первичного излучения на приемное устройство через градиентный волновод. В частности, на фиг.1 изображен базовый элемент устройства в плоской (пластинчатой) геометрии, на фиг.2 – в аксиальной (цилиндрической), на фиг.3 – один из вариантов реализации.Figure 1-3 shows the simplest schemes for implementing the claimed nuclear energy converter with its primary conversion to a narrow emission spectrum with a double-sided irradiation scheme and the subsequent direction of this primary radiation to the receiving device through a gradient waveguide. In particular, figure 1 shows the basic element of the device in a flat (lamellar) geometry, figure 2 - in axial (cylindrical), figure 3 - one of the options for implementation.

Со ссылкой на указанные фигуры такой преобразователь может состоять из следующих элементов:With reference to the indicated figures, such a converter may consist of the following elements:

1 – слой активированного сцинтиллятора, где пунктиром ограничены «область 1», состоящая из сцинтиллятора с частичным или полным замещением атомов матрицы и/или активатора их изотопами – атомами ядерного топлива, и «область 2», состоящая из «чистого» сцинтиллятора, не содержащая изотопов ядерного топлива;1 - a layer of activated scintillator, where the dotted line is limited to “region 1” consisting of a scintillator with partial or full substitution of matrix atoms and / or an activator with their isotopes - atoms of nuclear fuel, and “region 2” consisting of “pure” scintillator not containing nuclear fuel isotopes;

2 – приемная поверхность – градиентный волновод с ростом показателя преломления перпендикулярно от поверхности контакта с излучающим сцинтиллятором для транспортировки и концентрации энергии узкого спектра первичного излучения до преобразователя (п/п фотоэлемента) или другого потребителя. 2 - receiving surface - gradient waveguide with an increase in the refractive index perpendicular to the contact surface with the radiating scintillator for transporting and concentrating the energy of a narrow spectrum of primary radiation to a converter (photocell) or other consumer.

Мультипликативный эффект по схеме согласно фиг.1 достигается как линейным увеличением размеров пластин любой формы, так и сложением таких пластин в пакет. Аналогично, по схеме согласно фиг. 2 возможно увеличение длины цилиндра, а также и увеличение числа слоев или витков спиральной скрутки (в данном варианте представляется целесообразным следить за радиусом изгиба волноводов, чтобы он не превысил критического значения, что приведет к «выпадению» полезного излучения из волновода). Таким образом, например, возможно изготовление устройства цилиндрической формы с выводом излучения как через боковую поверхность, так и с выводом излучения через торцы цилиндра.The multiplicative effect of the scheme according to figure 1 is achieved as a linear increase in the size of the plates of any shape, and the addition of such plates in the package. Similarly, according to the scheme of FIG. 2 it is possible to increase the length of the cylinder, as well as increase the number of layers or turns of the spiral twist (in this embodiment, it is advisable to monitor the bending radius of the waveguides so that it does not exceed the critical value, which will lead to “loss” of the useful radiation from the waveguide). Thus, for example, it is possible to manufacture a cylindrical device with a radiation output both through the side surface and with a radiation output through the ends of the cylinder.

При сборке устройства в пакет в плоской или по слоям в аксиальной геометрии волноводы каждого элемента плотно соприкасаются поверхностями с максимальным показателем преломления. Для сокращения потерь крайняя поверхность, не граничащая с другим волноводом, может покрываться отражающим слоем (зеркалом) для отражения фотонов, проходящих волновод под малыми углами к перпендикуляру к его поверхности. В целях концентрации выходящего излучения на определенном направлении также возможна зеркальная отсечка в поперечном сечении градиентных волноводов. When assembling a device in a package in flat or in layers in the axial geometry, the waveguides of each element are in close contact with surfaces with the maximum refractive index. To reduce losses, the extreme surface not bordering another waveguide may be covered with a reflective layer (mirror) to reflect photons passing the waveguide at small angles to the perpendicular to its surface. For the purpose of concentrating the outgoing radiation in a certain direction, a mirror cut-off in the cross section of gradient waveguides is also possible.

Со ссылкой на фиг. 3, в случае, когда источником первичной ядерной энергии служит радиоизотоп, излучающий электроны с невысокой начальной энергией (до нескольких десятков кэВ) нет необходимости в защитном слое активированного сцинтиллятора без топлива и если нет необходимости в толстом слое активированного сцинтиллятора с замещенными на топливные изотопы атомами, то есть не нужна высокая удельная мощность, в целях миниатюризации устройства, для сбора излучения достаточно использования градиентного волновода на одной излучающей поверхности. При этом вторая поверхность покрывается отражателем (зеркалом) 3.Referring to FIG. 3, in the case when the source of primary nuclear energy is a radioisotope emitting electrons with a low initial energy (up to several tens of keV), there is no need for a protective layer of an activated scintillator without fuel and if there is no need for a thick layer of an activated scintillator with atoms replaced by fuel isotopes, that is, a high power density is not needed, in order to miniaturize the device, to collect radiation, it is sufficient to use a gradient waveguide on one radiating surface. In this case, the second surface is covered with a reflector (mirror) 3.

Примеры наиболее перспективных (по мнению авторов) радиоизотопов для замещения в сцинтилляторах атомов матрицы и/или активатора собственными изотопами представлены в нижеследующей таблице 1.Examples of the most promising (according to the authors) radioisotopes for the substitution of matrix and / or activator atoms in scintillators with their own isotopes are presented in the following table 1.

Возможность реализации заявленной совокупности изобретений посредством использования сцинтилляторов, в которых атомы одного или нескольких химических элементов матрицы и/или активатора частично или полностью замещены изотопами химически сродных элементов или молекулами таких элементов, служащими ядерным топливом, может быть рассмотрен на примере сцинтилляторов, работающих на основе реакции деления урана, плутония или иного делящегося изотопа, например лития-6 термоядерными нейтронами в бланкете ТЯР. На данный момент не известны разработки сцинтилляторов, куда уран, например, входил бы как элемент матрицы или активатора. Это связано с тем, что в основном сцинтилляторы служат для детектирования частиц и естественная радиоактивность актиноидов для этих целей является помехой. Однако широко известно об использовании уранилов и других соединений урана в создании флуоресцирующих стекол, керамик и эмалей. В настоящее время прозрачные керамические материалы на базе нанопорошковой технологии получают, например, для изготовления линз, сцинтилляторов и матриц фотонных (квантовых) генераторов и др. на базе оксидов Al₂O₃ (Лукалокс), Y₂O₃ (Иттралокс) и производных оксидов Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃, а также MgO, BeO, а также на базе оксидов Lu₂O₃ и Y₂O₃. Уран имеет степени окисления от +3 до +6, близок к бериллию в ряду активности, взаимодействует со всеми неметаллами и образует интерметаллические соединения с Al, Be, Bi, Со, Сu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn и Zn. Наиболее активно и быстро протекают реакции урана с разбавленной и концентрированной HNO₃ с образованием нитрата уранила UO₂(NO₃)₂. В присутствии НСl уран быстро растворяется в органических кислотах, образуя органические соли урана. В зависимости от степени окисления уран образует несколько типов солей (наиболее важные среди них с U⁴⁺, одна из них UCl₄ - легко окисляемая соль зеленого цвета); соли уранила (радикала UO₂ ²⁺) типа UO₂(NO₃)₂ имеют желтую окраску и флуоресцируют зеленым цветом. Соли уранила образуются при растворении амфотерного оксида UO₃ (желтая окраска) в кислой среде. В щелочной среде UO₃ образует уранаты типа Na₂UO₄ или Na₂U₂O₇. Последнее соединение («желтый уранил») применяют для изготовления фарфоровых глазурей и в производстве флуоресцентных стекол. Известно, что флуоресценция урановых стекол достигает максимума при концентрации по массовой доле 0,3 – 1,8 % в присутствии UO₂ и 4 – 6 % в присутствии UO₃ (по Na₂UO₄). Пример: фосфатное стекло 3C7 – 2,8% UO₃. Введение подобного количества посторонней примеси в сцинтиллятор со своим активатором даже в виде химически нейтральных наночастиц способно серьезно изменить его оптические свойства: снизить прозрачность, изменить спектр и даже блокировать полезное излучение. Массовая доля активаторов в сцинтилляторах обычно составляет от 0,01% до 2%. В этом смысле керамика на базе BeO:UO₂ или :UO₃, принимая во внимание сродство атомов урана к бериллию, может сама выполнять и функцию ядерного топлива с замедлителем нейтронов и преобразователя выделяемой ядерной энергии в излучение в зеленом узком спектре. В данном контексте целесообразно рассматривать не только керамические сцинтилляторы, но и кристаллические. Например, NaF: UF₃ или :UF₄, :UCl₄. Здесь также может быть применено легирование кристаллов фторида натрия галогенидами урана, где уран будет выступать излучающим активатором. Это вариант с замещением в сцинтилляторе атомов элементов матрицы и/или активатора химически сродными изотопами элементов, служащими ядерным топливом.The possibility of implementing the claimed combination of inventions through the use of scintillators in which the atoms of one or more chemical elements of the matrix and / or activator are partially or completely replaced by isotopes of chemically related elements or molecules of such elements that serve as nuclear fuel can be considered on the basis of reaction-based scintillators fission of uranium, plutonium, or another fissile isotope, such as lithium-6 by fusion neutrons in the TNT blanket. At the moment, the development of scintillators, where uranium, for example, would enter as an element of the matrix or activator, is not known. This is due to the fact that scintillators mainly serve for the detection of particles and the natural radioactivity of actinides for these purposes is a hindrance. However, it is widely known about the use of uranyls and other uranium compounds in the creation of fluorescent glasses, ceramics and enamels. Currently, transparent ceramic materials based on nanopowder technology are obtained, for example, for the manufacture of lenses, scintillators and matrices of photon (quantum) generators, etc., based on oxides Al ₂ O ₃ (Lukaloks), Y ₂ O ₃ (Ittraloks) and derivatives of oxides Y ₃ Al ₅ O ₁₂ and YAlO ₃ , as well as MgO, BeO, as well as on the basis of Lu ₂ O ₃ and Y ₂ O ₃ oxides. Uranium has an oxidation state of +3 to +6, is close to beryllium in a series of activities, interacts with all non-metals and forms intermetallic compounds with Al, Be, Bi, Co, Cu, Fe, Hg, Mg, Ni, Pb, Sn and Zn . The reactions of uranium with dilute and concentrated HNO ₃ with the formation of uranyl nitrate UO ₂ (NO ₃ ) ₂ proceed most actively and quickly. In the presence of HCl, uranium is rapidly dissolved in organic acids, forming organic salts of uranium. Depending on the degree of oxidation, uranium forms several types of salts (the most important among them are with U ⁴⁺ , one of them is UCl ₄ — an easily oxidized green salt); Uranyl salts (radical UO ₂ ²⁺ ) of the type UO ₂ (NO ₃ ) ₂ are yellow in color and fluoresce in green. Uranyl salts are formed when the amphoteric oxide UO ₃ (yellow color) is dissolved in an acidic medium. In alkaline medium, UO ₃ forms uranates of the type Na ₂ UO ₄ or Na ₂ U ₂ O ₇ . The latter compound ("yellow uranyl") is used for the manufacture of porcelain glazes and in the production of fluorescent glasses. It is known that the fluorescence of uranium glasses reaches a maximum at a concentration by mass fraction of 0.3–1.8% in the presence of UO ₂ and 4–6% in the presence of UO ₃ (in Na ₂ UO ₄ ). Example: phosphate glass 3C7 - 2.8% UO ₃ . The introduction of a similar amount of impurities into the scintillator with its activator, even in the form of chemically neutral nanoparticles, can seriously change its optical properties: reduce transparency, change the spectrum and even block the useful radiation. Mass fraction of activators in scintillators is usually from 0.01% to 2%. In this sense, ceramics based on BeO: UO ₂ or: UO ₃ , taking into account the affinity of uranium atoms for beryllium, can itself perform the function of nuclear fuel with a neutron moderator and a converter of released nuclear energy into radiation in a green narrow spectrum. In this context, it is advisable to consider not only ceramic scintillators, but also crystalline ones. For example, NaF: UF ₃ or: UF ₄ ,: UCl ₄ . Here, doping of sodium fluoride crystals with uranium halides can also be used, where uranium will act as a radiating activator. This is a variant with the substitution in the scintillator of the atoms of the elements of the matrix and / or the activator with chemically akin to the isotopes of the elements that serve as nuclear fuel.

Отдельно стоит указать возможности использования органических сцинтилляторов для устройств на реакции деления. Размещение в их матрице наноразмерных топливных элементов из того же урана или его соединений чревато описанными выше недостатками: диффузией к волноводу самих элементов, продуктов распада, невозможностью блокировки и преобразования гамма-излучения, потерей прозрачности при высоких концентрациях топлива и экранированием первичной энергии соседними элементами. В этом смысле интерес представляют органические соединения урана. В уран-органических соединениях уран имеет степень окисления +3 или +4. Электронная плотность связи U-C смещена в сторону органической группы: U^δ+→R^δ-, а в образовании связи с заметной ковалентной составляющей участвуют также f-электроны атома урана. Химическая связь U-R принадлежит к π- или σ-типу. Наиболее изученными являются π-комплексы урана, в которых лигандом выступает циклопентадиен и его производные: U(C₅H₅)₃, U(C₅H₅)₄, U(C₅H₅)₃X, U(C₅H₅)₂X₂, U(C₅H₅)X₃, где X — это σ-связанные органические группы или ацидные лиганды, а также π-комплексы урана с циклооктатетраеновыми лигандами U(C₈H₈)₂ (ураноцен), U(C₈H₈)X₂Sol₂, где X — ацидный лиганд, а Sol — молекула растворителя с n-донорными атомами. Существуют также уранорганические соединения Li₂UR₆, Li₃UR₈, содержащие σ-связанные группы, и тетрааллильные комплексы. В целом свойства уранорганических соединений схожи со свойствами аналогичных соединений лантаноидов. Это сходство позволяет полагать применимость этих соединений в качестве активатора органического сцинтиллятора. Это вариант замещения в органических сцинтилляторах элементов матрицы и/или активатора в виде как отдельных химически сродных изотопов ядерного топлива, так и молекулами, содержащими эти изотопы.Separately it is necessary to indicate the possibility of using organic scintillators for devices on the fission reaction. Placing nano-sized fuel cells from the same uranium or its compounds in their matrix is fraught with the disadvantages described above: diffusion of the elements themselves, decomposition products, inability to block and convert gamma radiation, loss of transparency at high concentrations of fuel and screening of primary energy by neighboring elements to the waveguide. In this sense, organic compounds of uranium are of interest. In uranium-organic compounds, uranium has a degree of oxidation of +3 or +4. The electron density of the UC bond is shifted towards the organic group: U ^{δ +} → R ^δ- , and the f-electrons of the uranium atom also participate in the formation of the bond with the noticeable covalent component. The chemical bond of the UR is of the π or σ type. The most studied are π-complexes of uranium, in which the ligand is cyclopentadiene and its derivatives: U (C ₅ H ₅ ) ₃ , U (C ₅ H ₅ ) ₄ , U (C ₅ H ₅ ) ₃ X, U (C ₅ H ₅ ) ₂ X ₂ , U (C ₅ H ₅ ) X ₃ , where X is σ-linked organic groups or acidic ligands, as well as π-complexes of uranium with cyclooctatetraene ligands U (C ₈ H ₈ ) ₂ (uranocene), U (C ₈ H ₈ ) X ₂ Sol ₂ , where X is the acid ligand, and Sol is the solvent molecule with n-donor atoms. There are also organo-uranium compounds Li ₂ UR ₆ , Li ₃ UR ₈ containing σ-bonded groups, and tetraallyl complexes. In general, the properties of organo-uranium compounds are similar to those of similar compounds of lanthanides. This similarity suggests the applicability of these compounds as an activator of an organic scintillator. This is a variant of substitution in the organic scintillators of the elements of the matrix and / or activator in the form of both individual chemically-related isotopes of nuclear fuel and the molecules containing these isotopes.

Таким образом, устройство на основе преобразования ядерной энергии реакций деления в электрическую имеет аналогичную конструкцию основного элемента преобразования, аналогичный способ размещения топлива в сцинтилляторе, но имеет отличие в том, что работает в условиях нейтронного потока, формируемого внешними и/или внутренними ядерными источниками – ядерным топливом в виде делящегося материала.Thus, the device based on the conversion of nuclear energy of fission reactions into electrical energy has a similar design of the main conversion element, a similar method of placing fuel in the scintillator, but has a difference in that it operates under neutron flux conditions generated by external and / or internal nuclear sources - nuclear fuel in the form of fissile material.

Подытоживая, в рамках рассматриваемой заявки, во всех типах устройств, функционирующих на основе заявленного способа преобразования ядерной энергии, основными элементами являются: 1) активированный сцинтиллятор с частично или полностью замещенными изотопами ядерного топлива атомами матрицы и/или активатора – первичный преобразователь энергии ядерных частиц из собственной структуры в первичное излучение узкого спектра в зависимости от вида активатора в диапазоне от ИК до УФ; 2) приемник фотонной энергии – это может быть непосредственно среда ее дальнейшего преобразования или передачи на расстояние: поглощающий материал для разогрева, активная среда лазера с соответствующими уровнями накачки, фотоэлемент для преобразования в электроэнергию или волновод для транспортировки этого излучения. При этом волновод используется во всех типах приборов многоразового или длительного использования, а также в целях концентрации энергии сцинтилляционного излучения (яркости); а также 3) зеркальные покрытия – при создании мультипликативных устройств как внешняя оболочка в целях сокращения потерь, в особых случаях для замены волновода с одной из излучающих плоскостей с целью разворота светового потока на единственный собирающий волновод, а также для продольного ограничения светового потока в волноводе (направление к устройству-потребителю излучения).Summing up, within the framework of the application under consideration, in all types of devices operating on the basis of the claimed method of converting nuclear energy, the main elements are: 1) an activated scintillator with partially or completely replaced isotopes of nuclear fuel with atoms of a matrix and / or an activator — the primary energy converter of nuclear particles from own structure in the primary radiation of a narrow spectrum depending on the type of activator in the range from IR to UV; 2) photon energy receiver - it can be directly the medium for its further conversion or transmission at a distance: absorbing material for heating, the active medium of the laser with appropriate pumping levels, a photocell for converting into electricity or a waveguide for transporting this radiation. When this waveguide is used in all types of devices reusable or long-term use, as well as in order to concentrate the energy of scintillation radiation (brightness); and 3) mirror coatings - when creating multiplicative devices as an outer shell to reduce losses, in special cases to replace the waveguide from one of the radiating planes in order to turn the light flux to a single collecting waveguide, as well as to longitudinal limit the light flux in the waveguide ( direction to the device-consumer of radiation).

Claims

1. A method of producing electrical energy in which nuclear particles pass through at least one layer of an activated scintillator, and then receive electromagnetic radiation of a narrow spectrum or several narrow spectra in the range from infrared (IR) to ultraviolet (UV) and convert the received radiation into electrical energy due to the internal photoelectric effect by transmitting radiation to a semiconductor element located at a distance from the activated scintillator a, characterized in that an activated scintillator is used, in which the atoms of one or several chemical elements of the matrix and / or activator are partially or completely replaced by isotopes of the same or chemically related elements or molecules with such elements as nuclear fuel.

2. The converter of nuclear energy (energy of radioactive decay and / or fission energy of atomic nuclei and / or fast neutrons of nuclear fusion) into electrical energy containing at least one layer of an activated scintillator with at least one radiating surface in contact with which the gradient A waveguide associated with a semiconductor photoelectric converter, characterized in that the atoms of one or several chemical elements of the matrix and / or activator are part of the activated scintillator. are completely or completely replaced by isotopes of the same or chemically related elements or molecules with such elements as nuclear fuel.