27.08.2016
216.015.50d5

РАДИОИЗОТОПНЫЙ ФОТО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Устройство относится 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. Устройство содержит замкнутый газодинамический контур с рабочим газом - ксеноном, радиоизотопный излучатель, фото- и термоэлектрический преобразователи, теплоотводящие пластины и радиатор. В фотопреобразователе энергия световых квантов, испускаемых рабочим газом при его альфа- или бета-облучении, частично превращается в электрическую энергию. Благодаря наличию замкнутого газодинамического контура и термоэлектрического преобразователя тепловая энергия, выделяющаяся в различных конструктивных узлах генератора, также частично преобразуется в электрическую энергию. В газодинамическом контуре может быть размещена крыльчатка, соединенная с электрическим генератором. Технический результат - увеличение общего КПД атомной батареи. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

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.

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.

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.

Недостатком такого генератора является его сравнительно низкий КПД, не превышающий, обычно, 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.

Недостатком такого радиоизотопного генератора является то, что значительная часть энергии, выделяющейся при радиоизотопном распаде, не используется, а удаляется из генератора в виде тепла.

Задачей изобретения является перевод использования выделяющейся в радиоизотопном генераторе тепловой мощности для генерации в электрическую мощность.

Техническим результатом изобретения является увеличение общего КПД радиоизотопного генератора.

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.

При этом:

- теплоотводящие пластины могут быть выполнены из меди или алюминия;

- в качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье;

- радиоактивным веществом могут быть стронций 90, плутоний 238 или америций 241;

- альфа- или бета-излучатель может быть выполнен в виде тонкостенных пластин;

- в полости газодинамического контура, перед нижним концом трубы, может быть размещена крыльчатка и электрогенератор, имеющие общий вал вращения.

На приведенной фигуре показана принципиальная схема такого радиоизотопного фото-термоэлектрического генератора.

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.

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.

Радиоизотопный фото-термоэлектрический генератор работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

В качестве термоэлектрического преобразователя могут быть использованы элементы Пельтье.

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.

При таком комбинированном способе преобразования световой и тепловой энергии в электрическую энергию суммарный КПД фото-термоэлектрического генератора ηΣ определяется формулой:

где η1=W1/W0 и η1=W1/WQ - КПД, соответственно, фотопреобразователя и термоэлектрического преобразователя, W1 - мощность, генерируемая фотопреобразователем, W2 - мощность, генерируемая термоэлектрическим преобразователем, W0 - мощность радиоизотопного источника, WQ - суммарная тепловая мощность, отводимая из полости батареи через теплопроводящие пластины, Wт.п. - тепловые потери мощности за счет утечек через стенки атомной батареи.

Если Wт.п./W0<<1, а значения η1 и η2 не очень большие, например, в пределах 10%, то

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.

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.

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.


РАДИОИЗОТОПНЫЙ ФОТО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
РАДИОИЗОТОПНЫЙ ФОТО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 24.
27.12.2013
№216.012.921b

Устройство и способ для нанесения сверхпроводящих слоев

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Сущность: устройство для нанесения сверхпроводящих слоев содержит камеру осаждения с зоной нагрева, через которую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503096
Дата охранного документа: 27.12.2013
27.09.2014
№216.012.f943

Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел

Изобретение относится к области измерения плотности изделий с использованием рентгеновского излучения. Способ радиационного измерения плотности твердых тел путем облучения контролируемого объекта проводят потоком широкополосного рентгеновского излучения, регистрируется практически все...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529648
Дата охранного документа: 27.09.2014
20.07.2015
№216.013.64b2

Разрядная система эксимерного лазера (варианты)

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система эксимерного лазера включает в себя расположенную в лазерной камере (1) зону объемного разряда (4) между первым и вторым электродами (2), (3), продольные оси которых параллельны друг другу, каждый блок предыонизации (5) содержит систему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557325
Дата охранного документа: 20.07.2015
20.07.2015
№216.013.64b4

Газоразрядный эксимерный лазер (варианты)

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер включает газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод и, по меньшей мере, один блок...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557327
Дата охранного документа: 20.07.2015
10.08.2015
№216.013.6b4f

Разрядная система газового лазера

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система газового лазера содержит расположенные в корпусе лазера протяженные первый и второй электроды лазера, УФ предыонизатор, расположенный сбоку от одного из электродов лазера и выполненный в виде системы зажигания скользящего разряда между...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559029
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.08.2015
№216.013.6bde

Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом содержит размещенный с обратной стороны частично прозрачного электрода УФ предыонизатор в виде протяженной системы зажигания завершенного скользящего разряда, включающей в себя металлическую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559172
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.09.2015
№216.013.76b2

Устройство и способ для нанесения покрытий оболочек тепловыделяющих элементов

Изобретение относится к устройству и способу последовательного нанесения многослойного покрытия для защиты от разрушения цилиндрических конструкционных элементов ядерных реакторов, в частности оболочек тепловыделяющих элементов (твэл). Устройство для нанесения покрытия оболочек твэл включает в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561975
Дата охранного документа: 10.09.2015
10.04.2016
№216.015.2c8a

Плазменная обработка поверхности с использованием разряда пинчевого типа

Изобретение относится к технологии плазменной обработки поверхности материалов, в частности, для создания высоконадежных защитных покрытий оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) ядерного реактора. Способ плазменной обработки поверхности металлического изделия включает перемещение изделия в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579845
Дата охранного документа: 10.04.2016
13.01.2017
№217.015.6f5e

Лазерный способ получения функциональных покрытий

Изобретение относится к способу получения функциональных покрытий (варианты) и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике. Способ включает осаждение на обрабатываемую поверхность продуктов лазерной абляции частиц пылевого потока,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002597447
Дата охранного документа: 10.09.2016
13.01.2017
№217.015.7369

Мощный импульсно-периодический эксимерный лазер для технологических применений

Изобретение относится к лазерной технике. Эксимерный лазер содержит внешний корпус, обрамляющий заполненную рабочей средой лазерную камеру с газодинамическим трактом, два газоразрядных модуля, систему прокачки и охлаждения газового потока через эти модули и систему питания газоразрядных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002598142
Дата охранного документа: 20.09.2016
Показаны записи 1-10 из 25.
27.12.2013
№216.012.921b

Устройство и способ для нанесения сверхпроводящих слоев

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Сущность: устройство для нанесения сверхпроводящих слоев содержит камеру осаждения с зоной нагрева, через которую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503096
Дата охранного документа: 27.12.2013
27.09.2014
№216.012.f943

Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел

Изобретение относится к области измерения плотности изделий с использованием рентгеновского излучения. Способ радиационного измерения плотности твердых тел путем облучения контролируемого объекта проводят потоком широкополосного рентгеновского излучения, регистрируется практически все...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529648
Дата охранного документа: 27.09.2014
20.07.2015
№216.013.64b2

Разрядная система эксимерного лазера (варианты)

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система эксимерного лазера включает в себя расположенную в лазерной камере (1) зону объемного разряда (4) между первым и вторым электродами (2), (3), продольные оси которых параллельны друг другу, каждый блок предыонизации (5) содержит систему...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557325
Дата охранного документа: 20.07.2015
20.07.2015
№216.013.64b4

Газоразрядный эксимерный лазер (варианты)

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер включает газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод и, по меньшей мере, один блок...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557327
Дата охранного документа: 20.07.2015
10.08.2015
№216.013.6b4f

Разрядная система газового лазера

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система газового лазера содержит расположенные в корпусе лазера протяженные первый и второй электроды лазера, УФ предыонизатор, расположенный сбоку от одного из электродов лазера и выполненный в виде системы зажигания скользящего разряда между...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559029
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.08.2015
№216.013.6bde

Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом содержит размещенный с обратной стороны частично прозрачного электрода УФ предыонизатор в виде протяженной системы зажигания завершенного скользящего разряда, включающей в себя металлическую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559172
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.09.2015
№216.013.76b2

Устройство и способ для нанесения покрытий оболочек тепловыделяющих элементов

Изобретение относится к устройству и способу последовательного нанесения многослойного покрытия для защиты от разрушения цилиндрических конструкционных элементов ядерных реакторов, в частности оболочек тепловыделяющих элементов (твэл). Устройство для нанесения покрытия оболочек твэл включает в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561975
Дата охранного документа: 10.09.2015
10.04.2016
№216.015.2c8a

Плазменная обработка поверхности с использованием разряда пинчевого типа

Изобретение относится к технологии плазменной обработки поверхности материалов, в частности, для создания высоконадежных защитных покрытий оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) ядерного реактора. Способ плазменной обработки поверхности металлического изделия включает перемещение изделия в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579845
Дата охранного документа: 10.04.2016
13.01.2017
№217.015.6f5e

Лазерный способ получения функциональных покрытий

Изобретение относится к способу получения функциональных покрытий (варианты) и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике. Способ включает осаждение на обрабатываемую поверхность продуктов лазерной абляции частиц пылевого потока,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002597447
Дата охранного документа: 10.09.2016
13.01.2017
№217.015.7369

Мощный импульсно-периодический эксимерный лазер для технологических применений

Изобретение относится к лазерной технике. Эксимерный лазер содержит внешний корпус, обрамляющий заполненную рабочей средой лазерную камеру с газодинамическим трактом, два газоразрядных модуля, систему прокачки и охлаждения газового потока через эти модули и систему питания газоразрядных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002598142
Дата охранного документа: 20.09.2016

Похожие РИД в системе

+ добавить свой РИД