РАДИОИЗОТОПНЫЙ ФОТО-ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
RADIOISOTOPE PHOTO-THERMOELECTRIC GENERATOR

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.
Σ
При таком комбинированном способе преобразования световой и тепловой энергии в электрическую энергию суммарный КПД фото-термоэлектрического генератора η определяется формулой:
1
1
0
1
1
Q
1
2
0
Q
т.п.
где η=W/W и η=W/W - КПД, соответственно, фотопреобразователя и термоэлектрического преобразователя, W - мощность, генерируемая фотопреобразователем, W - мощность, генерируемая термоэлектрическим преобразователем, W - мощность радиоизотопного источника, W - суммарная тепловая мощность, отводимая из полости батареи через теплопроводящие пластины, W - тепловые потери мощности за счет утечек через стенки атомной батареи.
т.п.
0
1
2
Если W/W<<1, а значения η и η 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.