Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Термоионный источник энергии

Метод термоионного генерирования энергии привлек пристальное внимание в качестве возможного пути прямого преобразования теплоты, выделяющейся в результате ядерного деления, в электричество. Он особо выгоден для космических приложений при высоких уровнях мощности в несколько мегаватт и более. Термоионный генератор может быть расположен как внутри, так и снаружи активной зоны реактора. Последний вариант имеет определенные преимущества с ядерно-физической точки зрения и в плане решения ряда других задач. Однако отвод теплоты, выделившейся в результате деления ядер, при температурах порядка 1600°С представляет серьезную проблему, которая, как полагают, может быть решена с помощью тепловых труб. Схема собственно генератора показана на 7-131 Электроны испускаются эмиттером, пересекают межэлектродное пространство собираясь на коллекторе, температура которого ниже температуры эмиттера. Возврат электронов к эмиттеру происходит по внешней цепи, в которой находится электрическая нагрузка. Устройство представляет собой тепловую машину, которая преобразует часть подведенной к эмиттеру тепловой энергии в электрическую, оставшаяся энергия отводится от коллектора при более низкой температуре. В представленном на рисунке простом генераторе электроды должны быть расположены очень близко друг к другу.

Характерное расстояние составляет примерно 0,005 мм. Это делается с целью уменьшения пространственного заряда свободных электронов, который ведет к ограничению снижаемого с генератора тока. Обычно межэлектродное пространство заполняют парами цезия при низком давлении. Цезий легко образует положительные ионы, которые нейтрализуют пространственный заряд. Эта мера позволяет использовать межэлектродные промежутки, равные примерно 0,5 мм. Термоионные генераторы выполняются либо с цилиндрическими коаксиальными, либо с плоскими параллельными электродами.

Ниже приводятся типичные характеристики термоионного генератора:

Температура эмиттера,   °С             1600

Температура коллектора,   °С                     600

Выходное напряжение, В                0,3—0,8

Плотность тока на выходе, А/см!               3—20

Плотность энергии на выходе, Вт/см2                  3—15

Коэффициент полезного действия, %                   10—20

Плотность теплового потока" на электродах высока, она лежит в пределах от 30 до 150 Вт/см2. Генераторы этого типа не имеют движущихся частей и работают надежно в течение длительных периодов времени. Высокая температура отвода теплоты особенно подходит для  применения  радиационного  охлаждения.

Тепловые трубы могут быть использованы как для теплового соединения тер1\юионного генератора с источником теплоты, так и для соединения генератора с отводящим теплоту радиатором. Ввиду большой значимости проблем надежности и срока службы устройства в космических приложениях как в США, так и в Европе была проделана большая работа по технологии изготовления, совместимости материалов и ресурсным испытаниям соответствующих высокотемпературных тепловых труб. Для подвода теплоты к эмиттеру в качестве рабочих жидкостей рассматривались литий и серебро, а для охлаждения коллектора — натрий и калий (данные по совместимости приведены в гл. 3).