УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ РАСПАДА
DEVICE FOR ENERGY FISSION CONVERSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области источников энергии, преобразующих энергию ядерных реакций, в частности энергию бета распада, с помощью полупроводниковых преобразователей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует значительный ряд устройств, преобразующий энергию радиоактивного распада в электричество посредством полупроводниковых преобразователей различной конструкции. Некоторые устройства используют полупроводниковые преобразователи, в которых тем или иным способом создается развитая поверхность самого тела преобразователя в виде пор или специально сформированной структуры, а радиоактивное вещество располагается непосредственно в теле полупроводникового преобразователя. Оно может находиться на всей поверхности или ее части или/и быть распределенным непосредственно в объеме преобразователя.
Наиболее типичными конструкциями можно считать устройства, описанные, например, в следующих источниках информации: RU 2461915 С1 от 20.09.2012, RU 2452060 С2 от 27.05.2012, US 6774531 А1 от 10.08.2004.
В качестве первичного источника энергии в этих устройствах используются различные радиоактивные материалы, но наиболее перспективными считаются устройства, работающие на изотопе никеля-63 и тритии. Это обусловлено «чистым» бета-распадом упомянутых изотопов, а также относительно невысокой энергией бета частиц, исключающей опасность радиационного повреждения базы (тела) полупроводникового преобразователя и, соответственно, деградации выходной мощности всего устройства.
В то же время, использование радиоактивных источников с относительно низкими энергиями частиц означает, что необходимо предпринимать специальные меры для предотвращения эффекта самопоглощения частиц в самом слое радиоактивного материала, фактически ограничивая характерный размер твердых радиоактивных источников. Длина свободного пробега собственных бета частиц в никеле-63, например, составляет только 0,1÷0,2 мкм, что ограничивает мощность всего устройства. Типичная зависимость количества эмитированных частиц от толщины сплошного слоя радиоактивного источника имеет нелинейный характер (стремится к насыщению) и показана на фиг. 1.
То есть устройства с совмещенным полупроводниковым преобразователем и радиоактивным источником имеют ограничение выходной удельной мощности.
Фактически, реализация подобной конструкции возможна только при применении газообразного радиоактивного источника, что дает ограничения и по типам используемых радиоактивных материалов.
Другой конструктивный вариант устройств предполагает промежуточное преобразование энергии распада в излучение с помощью соответствующего люминофора (катодолюминофора) и последующее преобразование его в электрическую энергию полупроводниковым преобразователем. При этом в качестве радиоактивного источника могут выступать как газообразные, так и твердые вещества.
Известно устройство, раскрытое в RU 2202839 С2 от 20.04.2003, в котором на внутреннюю поверхность колбы нанесены зеркальный слой и участки слоя люминофора или участки зеркального слоя с нанесенными на них участками слоя люминофора, причем колба заполнена слаборадиоактивным инертным газом с возможностью взаимодействия частиц естественного радиоактивного распада изотопов инертного газа с люминофором и с возможностью выделения при этом потока фотонов, а устройство преобразования выполнено в виде полупроводниковых элементов солнечной батареи.
К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что, с одной стороны, воздействию радиоактивных частиц подвергается только тонкий слой нанесенного люминофора, а с другой стороны не все частицы смогут достигнуть слоя люминофора из-за рассеяния и поглощения в газе.
Также известна система и способ для самозаряжающейся батареи, раскрытые в US 8350520 В2 от 08.01.2013, где используется твердый источник. При этом первоначальная энергия бета частицы от распада Sr-90 превращается в свет с помощью окружающего радиоактивный источник люминофора (сцинтиллятора), а сам свет преобразуется в электрическую энергию с помощью фотоэлектрического преобразователя. Сам радиоактивный источник располагается по оси цилиндра, преобразователь - на поверхности цилиндра, а сцинтиллятор (люминофор) заполняет тело цилиндра. К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что компактное расположение радиоактивного источника не исключает эффекта самопоглощения эмитированных частиц в самом источнике, что снижает общую мощность устройства.
Известно устройство (US 5721462A от 24.02.1998), в котором в содержащем радиоактивное вещество геле распределены малые объемы люминофора. Гель нанесен на поверхность фотопреобразователя, вырабатывающего электрическую энергию. К недостаткам данного устройства следует отнести возможность неконтролируемого поглощения в самом геле.
Наиболее близким по технической сущности является устройство (US 4242147 A от 30.12.1980), в котором энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции, причем пространство между фотоэлектрическими преобразователями заполнено чередующимися объемами радиоактивного материала и люминофора, которые, в свою очередь заключены в контейнеры с держателями. Держатели и контейнеры могут быть выполнены из прозрачного материала.
Указанная конструкция имеет следующие недостатки. Во-первых, наличие контейнеров значительно ослабляет поток частиц, дошедших до люминесцентного материала за счет поглощения в материале контейнера. Во-вторых, указанные объемы имеют довольно большие размеры, намного превышающие длину свободного пробега эмитированных частиц, что также обуславливает значительное самопоглощение.
Известные технические решения не отражают геометрические характеристики конструкций, связанные с пробегом эмитированных частиц как в самом радиоактивном материале, так и в люминофоре.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования энергии ядерного распада за счет равномерного распределения радиоактивного вещества в среде люминофора и ограничения характерных размеров радиоактивного вещества и люминофора.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении выходной мощности устройства.
Технический результат достигается тем, что энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции, причем пространство между фотоэлектрическими преобразователями заполнено чередующимися объемами радиоактивного материала и люминофора, при этом характерный размер объемов радиоактивного материала не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем, или, по крайней мере, сравним с ним, а характерный размер объемов люминофора не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в люминофоре.
В данном контексте характерным размером объема выступает средний диаметр (для случая шарообразных) или меньший из геометрических размеров для иных (например, прямоугольных) объемов.
При указанных геометрических размерах объемов радиоактивного материала большая часть эмитируемых им частиц будет выходить из указанных объемов, то есть потери на самопоглощение будут минимальны.
При указанных геометрических размерах объемов люминофора большая часть эмитированных частиц сможет поглотиться в них, обеспечив повышенный выход световых фотонов, что увеличивает выходную мощность устройства.
Дополнительного преимущества можно достичь, если использовать радиоактивный источник, изготовленный из химического соединения радиоактивного материала, прозрачного для основного излучения люминофора. При этом радиоактивный материал не будет ослаблять (затенять) световой поток к фотопреобразователям. Люминофор, в общем случае, должен обладать высокой прозрачностью для собственного излучения и максимально возможной технически энергетической эффективностью преобразования энергии частиц в излучение.
Кроме того, чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора могут образовывать по меньшей мере один светоизлучающий слой, световое излучение которого складывается из свечения отдельных объемов люминофора.
Под световым излучением понимается излучение люминофора в любом волновом диапазоне
Кроме того, в случае варианта осуществления, когда образуют по меньшей мере два светоизлучающих слоя, то фотоэлектрические преобразователи могут находиться между указанными слоями.
Кроме того, светоизлучающие слои могут включать отличные по характеристикам радиоактивные материалы и люминофоры.
При этом фотоэлектрические преобразователи могут иметь двухстороннюю чувствительность.
Совокупность приведенных параметров позволяет исключить явление самопоглощения и обеспечивает линейную зависимость выходной мощности устройства от массы радиоактивного материала.
Устройство может использовать как твердое, так и жидкое или газообразное состояние радиоактивного соединения (элемента) или их смесь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлено сравнение эмитированных пленкой никеля-63 электронов в зависимости от толщины слоя h (теоретический расчет).
По оси ординат - количество электронов, относительные ед.
По оси абсцисс - толщина слоя никеля (мкм).
Ntot(h) - количество электронов вышедших наружу из сплошного слоя никеля.
Ndiss(h) - количество электронов в предположении разбиения пленки никеля на множество бесконечно малых объемов.
На фиг. 2-6 представлены варианты устройства для преобразования энергии распада.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1 - Радиоактивный материал, характерный размер объема которого не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем, или, по крайней мере, сравним с ним.
2 - Люминофор, характерный размер объема которого не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем.
3 - Зона, в которой преобразуется энергия атомного распада, сравнимая с длиной свободного пробега образующихся при распаде частиц.
4 - Чередующиеся объемы радиоактивного материала и люминофора - светоизлучающий слой.
5 - Фотоэлектрический преобразователь.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Источник электроэнергии (включающий в себя устройство преобразования ядерной энергии) содержит источник потока фотонов, устройство преобразования энергии излучения в электрическую энергию - полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи. Для передачи электрического тока от фотоэлектрических преобразователей к потребителю энергии предусмотрены провода.
Энергия вырабатывается фотоэлектрическими преобразователями из светового излучения, созданного облучением люминесцентного материала продуктами ядерной реакции. Пространство между фотоэлектрическими преобразователями заполнено чередующимися объемами радиоактивного материала и люминофора, при этом характерный размер объемов радиоактивного материала не превышает длины свободного пробега эмитируемых частиц в нем, или, по крайней мере, сравним с ним, а характерный размер объемов люминофора не меньше длины свободного пробега эмитируемых частиц в люминофоре.
Радиоактивный источник может быть изготовлен из химического соединения радиоактивного материала, прозрачного для основного излучения люминофора, например соответствующей его соли или окисла. Люминофор, в общем случае, должен обладать высокой прозрачностью для собственного излучения и максимально возможной технически энергетической эффективностью преобразования энергии частиц в излучение.
Спектральная характеристика фотопреобразователя, в свою очередь, должна обеспечивать преобразование излучения люминофора с максимально возможной эффективностью.
В зависимости от выбора конкретного радиоактивного материала реализация устройства преобразования ядерной энергии предлагаемой конструкции может быть осуществлена в нескольких вариантах. Работа некоторых из возможных вариантов иллюстрируется чертежами.
В варианте устройства, изображенного на фиг. 2, зерна люминофора 2 окружены тонким слоем радиоактивного вещества 1, толщина которого достаточно мала для полного пропускания эмитируемых при атомном распаде частиц, например электронов. Эти частицы проникают в зерно люминофора, при этом в зоне 3, сравнимой с длиной свободного пробега частиц, энергия частиц преобразуется в световую энергию. Каждая частица люминофора, имеющая размер больше зоны 3, испускает собственное излучение, которое проходит как сквозь частицу люминофора, прозрачную для собственного излучения, так и сквозь тонкий слой радиоактивного материала. Поскольку слой радиоактивного вещества тонок, то каждая частица люминофора испускает незначительное количество световой энергии. Из множества таких частиц собраны светоизлучающие слои 4, где световая энергия отдельных частиц складывается и полный световой поток отправляется на фотоэлектрический преобразователь 5.
За счет того, что толщина слоя радиоактивного вещества меньше длины свободного пробега частиц в самом слое радиоактивного материала, не происходит потерь энергии частиц за счет самопоглощения. С другой стороны, за счет того, что зерно люминофора имеет диаметр, превышающий длину свободного пробега частиц в самом люминофоре, все эмитируемые частицы участвуют в процессе создания световой энергии. За счет уменьшения потерь устройство имеет повышенный коэффициент эффективности.
Покрытие зерен люминофора радиоактивным прозрачным материалом происходит после формирования самого люминофора. Покрытие может осуществляться каким-либо известным в технике способом, например осаждением радиоактивного вещества из пересыщенного раствора. Такая конструкция пригодна для радиоактивного вещества, не вызывающего появления радиационных дефектов в базе полупроводникового фотопреобразователя, например соединений никеля-63.
В варианте устройства, изображенного на фиг. 3, радиоактивные частицы 1 помещены внутрь зерен люминофора 2, в том числе и на стадии изготовления самого люминофора. Такое введение радиоактивного вещества может быть реализовано известными способами, например, при спекании частиц люминофора за счет введения в шихту дополнительно радиоактивного материала. Частицы радиоактивного прозрачного материала 1 окружены зоной 3, в которой преобразуется энергия атомного распада, сравнимая с длиной свободного пробега образующихся при распаде частиц, и помещены в зерно люминофора 2. Множество таких зерен образуют светоизлучающие слои 4, при этом световой поток от зерен преобразуются с помощью фотоэлектрических преобразователей 5 в электрическую энергию.
Такая конструкция отличается от изображенной на фиг. 2 еще и тем, что позволяет использовать радиоактивные соединения, могущие вызвать радиационные повреждения (дефекты) в базе полупроводникового фотопреобразователя, например Gd 148.
Частным случаем этого варианта является конструкция, изображенная на фиг. 4. Здесь люминофор выполнен в виде цельной пластины 2, в которой распределены частицы прозрачного радиоактивного материала 1. В технике известны способы изготовления цельных пластин люминофора, выращивание монокристалла, например. В совокупности такая комбинация образует светоизлучающий слой 4, излучение которого преобразуется фотопреобразователями 5. В такой конструкции нет потерь на рассеяние от многочисленных отражений от зерен люминофора, что дает ей преимущества по отношению к конструкции, изображенной на фиг. 3. В данном варианте осуществления характерным размером люминофора выступает среднее расстояние между частицами радиоактивного вещества.
Защита фотопреобразователя от радиационных повреждений усилена в варианте устройства, изображенного на фиг. 5. Здесь фотоэлектрический преобразователь 5 и слой радиоактивного прозрачного вещества 1 разделены толстыми, с толщиной более длины свободного пробега частиц слоями монолитного сплошного люминофора 2 (сцинтиллятора). Толщина слоя радиоактивного вещества 1 меньше длины свободного пробега частиц в нем, поэтому он может считаться малым объемом в терминах, описанных выше. В этом случае фотоэлектрический преобразователь 5 гарантированно защищен от частиц с высокой энергией, образующихся при атомном распаде, что позволяет использовать радиоактивные материалы с большой энергией эмитированных частиц, например Sr-90.
Каждый вариант устройства может содержать различное количество светоизлучающих слоев, в том числе и один слой.
Более того, предлагаемое изобретение включает возможность расположения двух и более светоизлучающих слоев различных радиоактивных материалов с разными свойствами, например с высокой и низкой энергией эмитированных частиц, что иллюстрируется фиг. 6. Здесь могут быть совмещены для совместного использования, например соединения стронция-90 и никеля-63. Соответственно, и люминофоры могут быть разными и по составу, и по геометрическим параметрам. Например, один из светоизлучающих слоев 4 может быть выполнен путем разделения первого радиоактивного материала с высокой энергией частиц 1 монолитным сплошным слоем первого люминофора 2. Другой светоизлучающий слой 4 состоит из частиц второго люминофора с частицами прозрачного второго радиоактивного материала.
Дополнительным преимуществом в этом варианте выступает дополнительная радиационная защита внешними слоями люминофора как фотопреобразователей, так и пространства вне указанного устройства, в том числе и от высокоэнергетичных фотонов (рентгеновского излучения).
Во всех вариантах устройств пространство между частицами и (или) слоями и фотоэлектрическими преобразователями может быть заполнено оптической средой с коэффициентом преломления, приближающимся к коэффициенту преломления люминофора для устранения потерь на рассеяние света.
Дополнительного преимущества можно достичь, если использовать фотопреобразователи с двухсторонней чувствительностью, создавая многослойные структуры, как показано на фиг. 2. При этом каждый фотопреобразователь, находящийся между люминесцирующими слоями, находится в условиях повышенной энергетической освещенности (облученности), что повышает кпд преобразования фотопреобразователя по сравнению с его односторонним вариантом.
Вышеприведенное описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.