УСТРОЙСТВО ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Полезная модель относится к области методов преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию.
В настоящее время в связи с острыми климатическими проблемами, возникающими в результате накапливания в атмосфере Земли углекислого газа, все острее становится проблема замены тепловых источников электроэнергии, использующих сжигание углеродсодержащих веществ и обеспечивающих в данный момент основное энергопотребление, на альтернативные источники энергии, не производящие двуокись углерода. Атомная энергетика в этой связи является одной из главных альтернатив, способной обеспечить не только бытовые, но и промышленные потребности населения земного шара. Но расширению использования этого вида энергии препятствуют два серьезных фактора: опасность аварий на атомных электростанциях типа Чернобыльской 1986 года или Фукусимской 2011 года, приведшие к обширным радиоактивным загрязнениям окружающей среды, и неизбежное увеличение объемов радиоактивных отходов от работы атомных реакторов. Поэтому разработка эффективных устройств прямого преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию имеет особую актуальность. С одной стороны, размещение такого рода устройств в бассейнах - отстойниках атомных реакторов, где выдерживаются отработавшие свой срок в реакторах тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), которые за время работы в реакторе стали сильно радиоактивны, способно обеспечить АЭС резервным источником электроэнергии на случай остановки реактора. Надежность такого рода радиационных генераторов должна быть значительно выше, чем надежность дизель - генераторов, используемых в настоящее время для поддержки систем охлаждения реакторов. В частности, проблемы с дизель-генераторами стали одной из главных причин усиления радиоактивных загрязнений в районе Фукусимской АЭС, т.к. из-за их поломок и проблем с доставкой дизельного топлива генераторы охлаждение не работало и оболочки ТВЭЛов расплавились из-за перегрева. Радиационные же генераторы не содержат в себе движущихся частей и поэтому значительнее надежнее с точки зрения поломок. С другой стороны, их работоспособность не требует доставки топлива.
Размещение эффективных преобразователей радиации в электричество в хранилищах радиоактивных отходов способно не только решить проблемы энергоснабжения самих по себе хранилищ, но и обеспечить весьма дешевой электроэнергией окрестных потребителей. В этом случае не исключено, что в результате радиоактивные отходы как главный компонент дешевого энергоснабжения превратятся из предмета устрашения общества в объект рыночной конкуренции.
Кроме того, во многих случаях необходимо обеспечение удаленных энергопотребителей, долгое время работающими в изолированных труднодоступных местах, автономными источниками электричества (космические корабли, маяки, межпланетные станции и др.). В настоящее время для этого используются радиоактивные короткоживущие изотопы, при ядерном распаде которых выделяется целый ряд высокоэнергетических частиц и излучений. Но в нынешних преобразователях работают радиоизотопные термоэлектрогенераторы (РИТЭГи), где энергия радиации сначала превращается в тепло, а потом - в электричество. За счет двухступенчатости преобразования КПД РИТЭГов не превышает обычно 7%. Можно ожидать, что устройства прямого преобразования позволят существенно повысить эту величину.
К настоящему моменту известно несколько видов устройств прямого преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию. Так, например, известно устройство [патент US 2005/0077876 A1 опубл. 14.04.2005], преобразующее энергию ионизирующих излучений в электроэнергию, состоящее из нескольких пластин композита, который состоит из последовательно лежащих слоев изолятор -металл с малым атомным номером - изолятор - металл с большим атомным номером. Слои металла с малым атомным номером соединены параллельно между собой и изолированы от слоев тяжелого металла, также соединенных параллельно. Пучок ионизирующего излучения падает перпендикулярно поверхности пластины. При прохождении через пластину, ионизирующее излучение поглощается за счет комптоновского рассеяния и фотоэффекта, выбивая электроны с электронных оболочек атомов. Количество электронов, выбиваемых из тяжелого металла больше, чем из более легкого, за счет чего между ними возникает разность потенциалов. Дополнительное увеличение разности потенциалов достигается при поглощении электронов, выбитых из тяжелого металла, слоями легкого металла.
Главным недостатком известного устройства заключается в том, что оно имеет низкий КПД, который на опытных образцах, представленных авторами составил всего лишь стотысячную долю процента. С точки зрения применения наноструктур определенный интерес представляет еще одно устройство для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию [патент US 2010/0061503 A1, опубл. 11.03.2010]. Характерной особенностью устройства является то, что элементарными преобразующими радиацию элементами являются наноразмерные объекты, такие как нанослои, нанокластеры и нанотрубки, из проводников с малым и большим атомным номером, разделенные слоем изолятора и определенным образом связанные между собой.
Главным недостатком устройства являются большие технологические сложности, возникающие при его изготовлении, связанные с необходимостью наномасштабного управления структурой преобразователя и необходимостью осуществить параллельное или последовательное соединение всех элементарных преобразующих «ячеек» между собой.
Ближе всех к решению поставленной задачи эффективного преобразования ионизирующих излучений, а именно коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-диапазона) подходит полезная модель, представленная в патенте РФ RU 144220 опубл. 10.08.2014 «Устройство для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию», авторы Ершов А.Е., Классен Н.В., Курлов В.Н. В указанном устройстве в качестве проводника с малым атомным номером выступает биоморфная матрица, полученная на основе древесины. На Фиг. 1 показана принципиальная схема этого устройства для преобразования ионизирующих излучений в электрическую энергию. Оно состоит из микроканальной матрицы из проводящего материала с малым атомным номером (коллектора) (1). Поверхность микроканалов покрыта слоем изолятора (2), в то время как сами каналы заполнены проводником с большим атомным номером (эмиттера) (3). К коллектору и к эмиттеру присоединены токосъемные провода (4).
В случае же, когда в качестве тяжелого проводника используется жидкий электролит, содержащий тяжелые элементы, в качестве изолятора может использоваться двойной зарядный слой, возникающей на границе электролита и твердого легкого проводника.
Главным недостатком принятого за прототип устройства является цилиндрическая геометрия микрообластей тяжелого проводника, поглощающего ионизирующее излучения. При такой геометрии поглотителя часть быстрых электронов, возбуждаемых поглощаемыми квантами, движется в направлениях, близких к оси цилиндра и поэтому не имеет возможности пересечь слой изолятора и инжектироваться в легкий проводник, произведя необходимый для работы преобразователя перенос заряда. Таким образом, использование цилиндрической геометрии преобразователя снижает его коэффициент полезного действия. Кроме того, заполнение микроканалов биоморфной матрицы твердым тяжелым проводником представляет создает серьезные технологические трудности.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении коэффициента полезного действия устройств прямого преобразования ионизирующих излучений в электроэнергию, а также улучшении технологичности и соответствующем снижении себестоимости производства указанных устройств за счет использования в качестве первичных поглотителей ионизирующих излучений электропроводящих сверхдлинных цепочек из сферических наночастиц, играющих роль эмиттера электронов, и размещения их в жидком электролите, имеющем за счет контактной разности потенциалов положительный заряд относительно этих наночастиц и выполняющем по этой причине роль коллектора электронов, эмитируемых из наночастиц.
Принцип работы данного типа преобразователя показан на Фиг. 2. Слева схематично показана тяжелая наночастица, где стрелками обозначены возможные направления вылета наружу электронов, возбужденных при поглощении ионизирующего гамма-кванта. В центре показана та же частица 3 и указано расположение относительно ее центра изолирующего слоя 2 и легкого проводника 1 (в случае использования в качестве легкого проводника электролита изолятором 2 может служить двойной электрический слой между электролитом и тяжелым проводником). Справа показано схематическое расположение электрически связанных между собой наночастиц, образующих непрерывную цепочку. Сферическая геометрия наночастиц обеспечивает существенное повышение процента перехода электронов, возбуждаемых поглощаемыми в наночастицах гамма-квантами, в легкий проводник по сравнению с прототипом, увеличивая за счет этого коэффициент полезного действия преобразователя ионизирующих излучений в электричество.
Поставленные заявителем технические результаты достигаются несколькими приемами. Во-первых, в качестве поглотителей ионизирующего излучения используются наночастицы из веществ, имеющих в своем составе тяжелые химические элементы, в то время как электролит, окружающий наночастицы, состоит из легких элементов, за счет чего обеспечивается преимущественное поглощение ионизирующего гамма-излучения наночастицами. Во-вторых, поглощающие наночастицы связаны между собой в электропроводящие цепочки длиной от сантиметра и более, которые размещены в жидком электролите, имеющем положительную контактную разность потенциалов относительно цепочек из наночастиц. Цепочки из наночастиц присоединяются к внешнему электроду устройства, который при воздействии на устройство преобразуемого ионизирующего излучения заряжается положительно, а электролит соединен с электродом, заряжаемым при облучении отрицательно. Большая длина указанных цепочек из наночастиц создает условия для эффективного возврата эмитируемых из наночастиц в электролит электронов через внешнюю цепь с совершением полезной работы при минимальном количестве контактных соединений и минимальном внутреннем сопротивлении данного источника электроэнергии. В-третьих, размеры наночастиц, поглощающих ионизирующие гамма-кванты, подбираются таким образом, чтобы обеспечить наибольшее количество эмитируемых из них в электролит электронов а расчете на один поглощенный гамма-квант.
Механическая стабильность цепочек из наночастиц обеспечивается тем, что они закрепляются на тонких механически прочных сетках.
Электропроводность цепочек из наночастиц обеспечивается либо тем, что наночастицы изготавливаются из металла, либо же тем, что на указанные цепочки до их погружения в электролит наносится тонкий слой электропроводного материала, обеспечивающего, с одной стороны, необходимую для стока заряда с цепочки электропроводность и, с другой стороны, создающий в паре с электролитом изолирующий слой в виде отрицательной относительно него контактной разности потенциалов.
Электролит и погруженные в него сетки с цепочками из наночастиц размещаются в емкости со стенками из легких химических элементов, прозрачных для ионизирующего гамма - излучения, для преобразования которого в электроэнергию предназначено заявляемое устройство. Схема работы заявляемого устройства показана на Фиг. 3. В верхней части рисунка показаны две сетки из электропроводных материалов. Левая сетка 1 с размещенными на ней сверхдлинными наноцепочками 2 имеет отрицательную контактную разность потенциалов относительно электролита. Правая сетка 3, которая погружается в электролит для сбора эмитируемых в него из наночастиц электронов и передачи их во внешнюю цепь, имеет относительно электролита положительный контактный потенциал.
В нижней части рисунка показана принципиальная схема устройства в сборе. При облучении его ионизирующим излучением 4, поток которого показан поступающим сверху, сетки с размещенными на них цепочками из наночастиц эмитируют электроны в электролит 5 (помещены в сосуд 6) и заряжаются положительно. Сетки, собирающие эмитированные в электролит электроны, заряжаются отрицательно. При замыкании электрических выводов от указанных сеток на внешнюю нагрузку 7 электроны от собирающих сеток перетекают через внешнюю цепь к сеткам с эмитирующими их наночастицами, совершая полезную работу.
В качестве подтверждения возможностей реализации заявляемого устройства на Фиг.4 приведены фотографии сформированных несколькими методами сверхдлинных цепочек из сферических наночастиц оксидов молибдена и свинца. Фотографии получены с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии, а) Крупномасштабная фотография сверхдлинных наноцепочек оксида молибдена с 15-сантиметровой линейкой; б) оптическая микроскопия одной из таких цепочек (размер кадра по горизонтали - 2 мм); в) сканирующая электронная микроскопия фрагмента сверхдлинной наноцепочки оксида молибдена (размер кадра по горизонтали - 150 микрон); г) увеличенное электронно-микроскопическое изображение той же наноцепочки оксида молибдена (горизонтальный размер кадра - 3 микрона); д) электронно-микроскопическое изображение фрагмента наноцепочки оксида свинца (горизонтальный размер кадра - 50 микрон); е) увеличенное электронно-микроскопическое изображение той же наноцепочки оксида свинца (горизонтальный размер кадра - 10 микрон).