ИЗОТОПНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Устройство относится к генераторам электрической энергии.
Известны локальные электрической станции с использованием преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. А.С. №2182380 от 01.05.2002 г. (аналог). Электростанция содержит свинцовый корпус, радиоактивное вещество, расположенные вертикально либо горизонтально фотоэлектробатареи и теплообменник. Фотоэлектробатареи обладают дырочной проводимостью и выполнены в два либо четыре ряда. Теплообменник выполнен в виде щелевой камеры с вентиляционными отверстиями из материала, пропускающего радиацию. Он расположен между фотоэлектробатареями и радиоактивным веществом для защиты от их возможного перегрева. Возможно заполнение камеры теплообменника хладагентом. На корпусе электростанции вмонтирована сигнальная лампочка. В качестве радиоактивного вещества используют вещество, излучающее, например, γ-кванты.
За прототип можно принять устройство, содержащее емкость, выполненную из антирадиационного материала, с размещенными в ней радионуклидами. А.С. №2130658 от 20.05.1999 г. Емкость соединена проводами через трансформатор с потребителем электроэнергии. Верхняя участь емкости выполнена в виде замкнутого короба, разделенного перегородкой на верхнюю и нижнюю полости. Верхняя полость короба заполнена диэлектрическими ячейками, в которых размещены полупроводниковые вещества, образующие последовательно соединенные контактами аноды и катоды. Нижняя полость короба вакуумирована для защиты батареи анодов и катодов от нагрева. При попадании излучения радионуклидов на полупроводниковое вещество в нем возникает электрический ток, который может быть передан потребителю.
Эти устройства имеют свои достоинства и недостатки. Для большинства устройств недостатком является их немобильность (стационарное использование), большие размеры (например, фотоэлектрические панели) и большая масса.
Целью предлагаемого решения является получение электрической энергии, используя явление радиоактивного распада. Радиоактивность характеризуется не только определенным набором испускаемых частиц, но также и энергией. Энергии испускаемых частиц могут достигать многих миллионов электронвольт, что во много раз превосходит энергии химических процессов.
Изотопный генератор постоянного тока, включающий две конусные чашки, в виде несимметричных конусов, разделенных диэлектрической перегородкой, стянутых основаниями в единый корпус электрически изолированными стяжками, при этом на диэлектрической перегородке с двух сторон закреплены металлические пластины - это металлическая обкладка α-камеры с одной стороны, соединенная с положительной клеммой, и свинцовая минусовая клемма, изолированная оксидным слоем диэлектрика от алюминиевой обкладки γ-камеры с другой стороны, конусная чашка корпуса α-камеры выполнена из алюминия, является второй отрицательной клеммой, имеет оксидное диэлектрическое покрытие изнутри, α-камера заполнена электролитом, снабжена конусом отекания заряда к обкладке α-камеры, диафрагмой для регулирования интенсивности α-излучения и перепускным клапаном, конусная чашка γ-камеры выполнена из свинца, γ-камера вакуумирована, снабжена изолированным и выведенным наружу корпуса проводником датчика потенциометра, соединенным с положительной клеммой, снабжена щелевым затвором источника γ-излучения, с механическим приводом величины щели, для регулирования интенсивности γ-излучения и процесса генерации, источники α и γ-излучения являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами радиоактивными изотопами.
Областями применения предлагаемого генератора могут стать любые машины с мобильным устройством генерации электроэнергии (суда надводные, подводные, воздушные, авто и железнодорожный транспорт, космические аппараты и т.д.), системы автономного электроснабжения и др.
Предлагаемый генератор электрической энергии иллюстрирован чертежами, представленными на фигурах 1-5.
На фиг.1 - представлен продольный разрез генератора;
на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 - вид Б на фиг.1;
на фиг.4 - схема подключения генератора и элементы управления;
на фиг.5 - эскиз процесса рассеяния у - излучения.
Изотопный генератор постоянного тока состоит из источника α-излучения 1, источника γ-излучения 2, разделительной диэлектрической перегородки 3, двух конусных чашек 4, 5, α-камеры 6, γ-камеры 7, α-камера 6 заполнена электролитом 8, содержит обкладку 9 и имеет диэлектрическое покрытие 20 по внутренней поверхности корпуса 4, снабжена конусом 11 отекания заряда к обкладке 9 с наружным выводом «+» 12, γ-камера 7 вакуумирова, содержит обкладку 10, «-» клемма 13 выполнена в виде пластины и изолирована слоем диэлектрика от обкладок 9, 10 и снабжена наружным выводом, имеется «-» клемма 19 с корпуса α-камеры 6, конусные чашки 4, 5 стянуты в единый корпус электрически изолированными стяжками 14, интенсивность α-излучения регулируется диафрагмой 15, γ-излучения - щелевым затвором 16, щелевой затвор 16 и диафрагма 15 связаны между собой электрическим и механическим приводом 17, проводник 18 соединен с датчиком потенциометра. Для стравливания гелия в верхней части α-камеры установлен перепускной клапан 21.
Источники α и γ-излучения 1, 2 являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами радиоактивными изотопами.
Материал корпуса γ-камеры 5, пластины «-» клеммы 13, створок щелевого затвора 16 должен обеспечивать защиту от радиоактивного излучения - это может быть свинец, материалом стержней источников излучения 1, 2 - титан.
Генератор работает следующим образом.
Источники α и γ-излучения 1,2 закрыты диафрагмой 15 и щелевым затвором 16, изолированы от камер 6,7 и генерации энергии не происходит.
α-камера конструктивно напоминает упрощенное устройство электролитического конденсатора. Электролитический конденсатор (упрощенно) - это алюминиевая колба с внутренним диэлектрическим (оксидным) покрытием, которая заполнена электролитом. В электролит погружен проводник, изолированный от колбы. Если к колбе (катод «-») и к проводнику (анод «+») приложить разность потенциалов, то в результате ионизации электролита произойдет накопление заряда. Одной обкладкой такого конденсатора считается электролит. Соответственно при подключении потребителя возникает разряд. В предлагаемом устройстве ионизация электролита происходит воздействием ионизирующего α-излучения.
Для начала процесса генерации открывается диафрагма 15, поток α-излучения направляется в камеру через отверстие диафрагмы. Энергия α-излучения тратится на ионизацию электролита 8, свободные электроны накапливаются на корпусе конусной чашки α-камеры 4, электролит и корпус разделены диэлектрическим покрытием. В результате в α-камере в среде электролита 8 создается положительный заряд, который стекает по конусу отекания заряда 11 на обкладку 9 α-камеры 6, а на корпусе 4 - отрицательный, т.е. возникает разность потенциалов.
Физические причины процесса следующие: Предположим, что источник α-излучения стабилен некоторое время. Например полоний, обладает свойствами металла и соответственно при температурах от -30 до +40 град Цельсия (предполагаемые условия эксплуатации) имеет кристаллическую решетку. При условии стабильности (имеется в виду - радиоактивного распада не происходит) материал электрически нейтрален. Т.е. количество протонов в ядрах атомов соответствует количеству электронов в оболочках атомов. В какой то момент времени происходит распад. Нестабильное ядро атома «выстреливаете α-частицу с высокой скоростью. При этом заряд ядра атома уменьшается на два. Два электрона оболочки атома остаются не связанными (избыточными) в структуре кристаллической решетки источника (Эффект «стряхивания»). Поскольку материал источника излучения и продукт распада обладают свойствами проводника, а сам источник закреплен на корпусе α-камеры, то эти «избыточные» электроны накапливаются именно на корпусе, α-частица - это ядро атома гелия «потерявшее» два электрона, обладающая высокой скоростью и потенциалом ионизации. Длина пробега α-частицы, в предлагаемом устройстве достаточна, для того чтобы достичь поверхности электролита. Электролит изначально электрически нейтрален. Заряд α-частицы «плюсе два, α-излучение имеет корпускулярную структуру, а сами частицы имеют большие размеры и заряд по масштабам элементарного мира, глубокого проникновения в облучаемый материал не произойдет. Частицы быстро потеряют скорость и энергию. Но, α-частицу можно рассматривать как ион гелия с достаточно высоким потенциалом ионизации. Будет происходить ионизация электролита с «восстановлением» α-частиц до атомарного гелия. Кроме того, в качестве среды ионизации можно использовать газ, например гелий, и физика накопления заряда аналогична соответственно - газовому конденсатору. Изотопы, источники α-излучения - стабильны при условии их полной герметизации от внешней среды. Что используется в предлагаемом устройстве - механическая изоляция источника от α-камеры герметично-закрываемой диафрагмой. Описанное можно применять как отдельное устройство.
е
После создания разности потенциалов в α-камере 6 подключается потребитель, открывается затвор 16 γ-камеры 7, поток γ-излучения направляется в камеру на обкладку 10. Материал обкладки 10 γ-камеры - это проводник, легкий материал с небольшим числом Z атомного номера вещества (алюминий). По толщине пластины, обкладка 10 γ-камеры является средой комптоновского рассеяния на электронах. Радиоактивный изотоп (источник γ-излучения 2), материал обкладки 10 γ-камеры и разделяющий слой диэлектрика подобраны таким образом, чтобы энергия γ-кванта тратилась в результате некогерентного (комптоновского) рассеяния на придание (См. фиг.5) импульса отдачи P электронам. Комптон-эффект ограничивает пробег жестких фотонов в веществе. В результате многократных рассеяний жесткий фотон уменьшает свою энергию (отдавая ее электронам), переходит в др. область спектра и поглощается вследствие фотоионизации атомов.
Величина приобретенной энергии электроном в результате процесса рассеяния, должна быть достаточна для преодоления таким электроном ширины запрещенной зоны диэлектрической прослойки между обкладкой 10 γ-камеры и минусовой клеммой 12. В результате комптоновского рассеяния на обкладке 10 γ-камеры, кванты передают электронам часть своей энергии и импульса, при этом изменяется длина волны и энергия γ-кванта. Перечисленные выше механизмы взаимодействия γ-квантов с веществом не затрагивают внутренней структуры атомных ядер, а «туннелирование» комптоновских электронов отдачи через слой диэлектрика позволяет переносить отрицательный заряд с обкладки 10 γ-камеры на минусовую клемму 12. Оставшееся ослабленное и рассеянное излучение поглощается на минусовой клемме 12 и корпусе γ-камеры 5. Поэтому в качестве материала нужно использовать материал-проводник, с высоким линейным коэффициентом поглощения фотонов. Например - свинец.
e
Поскольку фотоны γ-излучения естественных радиоактивных изотопов будут иметь распределение, а процессы рассеяния имеют вероятностный характер, то искомый результат тоже будет носить вероятностный характер. Тем не менее, результат достижим. И применительно для устройства, необходимо поддерживать определенную силу тока i на обкладке γ-камеры, чтобы описанный эффект был наиболее вероятен. В результате «туннелирования» электронов, между обкладкой 10 γ-камеры и «-» клеммой 12 формируется электрическая разность потенциалов. Величина которого будет зависеть от интенсивности γ-излучения, энергии квантов источника и вероятности взаимодействия в толще облучаемой пластины. Поскольку конструктивно обкладка 10 γ-камеры и минусовая клемма 12 моделируют плоский конденсатор, то описываемый процесс возможен в динамике, когда клеммы генератора подключены к потребителю и происходит заполнение недостающими электронами облучаемой пластины, т.е. в объеме обкладки γ-камеры протекает электрический ток, величина которого зависит от накопленной разности потенциалов. Необходимо контролировать эту величину и соответственно поддерживать этот процесс.
Возможно также применение для целей устройства в процессе облучения не легких материалов (обкладка γ-камеры), а материалов середины периодической системы элементов в состоянии высокой ионизации. Фотоэффекта на облучаемой пластине возникать не будет, а энергии γ-квантов достаточно для ионизации нижних уровней электронного слоя. Накопленный потенциал в этом случае будет иметь достаточно высокую величину.
нагр
Степень открытия затвора 16 зависит от степени открытия диафрагмы 15 и тем самым регулируется интенсивность генерации электроэнергии. Схема подключения генератора и элементы управления представлены на фиг.4, где M1, M2 электроприводы диафрагмы 15 и щелевого затвора 17, R - потребитель, БУ - блок управления. Электрическая энергия снимается с клемм 12, 13 генератора соединением клемм с потребителем постоянного тока
N
Датчик потенциометра присоединен к обкладке 10 γ-камеры 7 через проводник 18 и необходим для исключения аварийного режима накопления потенциала на обкладках 9 и 12 генератора. Управление осуществляется путем сравнения потенциала, с эталонным - U, от независимого источника напряжения. При накоплении избыточного заряда свыше допустимого (номинального) рассчитанного для безопасной работы генератора, блок управления выдает сигнал на закрытие (прикрытие) диафрагмы 15 и затвора 16, тем самым уменьшая интенсивность α и γ-излучения источниками 1, 2.
Датчик также необходим для поддержания номинального режима работы генератора в случае увеличения нагрузки со стороны потребителя, посредством механического и электрического приводов 17, путем открытия диафрагмы 15 и затвора 16 до режима номинального накопления заряда на обкладках генератора.
Генератор работоспособен до момента полного распада всех изотопов в топливных элементах (или на расчетный период времени распада большинства изотопов). Возобновляется работа генератора - заменой топливных элементов, извлечением старых и установкой новых, подготовленных стержней с необходимыми изотопами.
На фигурах чертежей
1. Источник α-излучения (топливный элемент);
13. «+» клемма генератора;
14. Стяжка корпуса;
2. Источник γ-излучения;
15. Диафрагма источника α-излучения;
3. Диэлектрическая перегородка;
4. Корпус α-камеры;
16.Щслевой затвор источника γ-излучения;
5. Корпус γ-камеры;
6. α-камера;
17. Механический привод;
7. γ-камера;
18. Проводник датчика
8. Электролит (ионизационная среда α-камеры);
потенциометра.
19. «-» клемма α-камеры;
9. Обкладка α-камеры;
20. Диэлектрическое покрытие
10. Обкладка γ-камеры;
α-камеры;
11. Кону с отекания заряда;
21. Перепускной клапан.
12. «-» клемма генератора;
е - электрон,
γ, γ' - квант падающего и рассеянного фотона,
Р<sub>i</sub>, Р<sub>е</sub> - вектор импульса электрона до рассеяния и после,
t - вектор электрического тока через потребитель R,
i<sub>e</sub> - вектор дрейфа электрона на обкладке γ-камеры,
θ - угол рассеяния,
тонкими линиями иллюстрированы силовые линии Кулоновского электрического поля фиг.5