Стартовая >> Архив >> Вопросы прямого преобразования энергии

Радиоизотопные термоэлектрические источники энергии - Вопросы прямого преобразования энергии

Оглавление
Вопросы прямого преобразования энергии
Методика исследования термоэлектрического преобразователя энергии
Метод  определения максимального кпд термоэлектробатарей плоской конструкции
Метод регистрации малых изменений температуры
Применение разнесенных термоэлементов для уменьшения веса
Преобразование больших постоянных токов в переменные
Радиоизотопные термоэлектрические источники энергии
К созданию полостного высокотемпературного приемника солнечного излучения
Определение кпд светопровода методом нестационарного режима
Перспективы использования солнечных энергетических установок
Исследование возможности создания кремниевых фотопреобразователей с р-n-переходом
Энергетические характеристики фотопреобразователей
Об особенностях механизма проводимости органических полупроводников

Н. В. КОСМАЧЕВА, В. А. МАРКУСОВ
РАДИОИЗОТОПНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
(по зарубежным данным)
За последнее десятилетие наметился значительный прогресс в разработке методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. При современном развитии так называемого первого поколения космических летательных аппаратов, основным потребителем энергии в которых является электронная аппаратура, необходимая мощность бортовых систем находится в пределах от 1 до 100 вт. Для проектируемых космических зондов и космических кораблей потребность в электрической мощности возрастает до нескольких киловатт. Основным потребителем энергии при космических полетах в будущем станет электрическая система движетелей. Предпосылкой введения электрических космических движетелей является развитие мощных систем электропитания, удовлетворяющих требованиям современной космической техники. Химические источники энергии для этих целей непригодны из-за незначительной удельной мощности. Возможность применения солнечной энергии также ограничена вследствие незначительной интенсивности солнечного излучения вблизи Земли (около 1,4 квт/м2). В тех случаях, когда речь идет о мощностях выше 10 квт, в расчет принимается лишь ядерная энергия [1].
В настоящее время необходимо заняться не только созданием новых летательных аппаратов и движетелей, но и развитием источников и преобразователей энергии.
Важность создания относительно мощных источников энергии для космических аппаратов была подтверждена на XI симпозиуме по ядерной физике, состоявшемся в Институте электрической и электронной техники (США). Было отмечено, что если для спутников типа Эксплоурер достаточна электрическая мощность 0,2 квт, то космический аппарат, облетающий Луну, должен иметь мощность 100 квт, а аппарат, снабженный телевизионным передатчиком, еще больше. Получение таких мощностей от солнечных или обычных батарей, по-видимому, невозможно [2].
Кроме того, для осуществления некоторых космических полетов требуется источник энергии, не зависящий от солнечного света. Из всех известных в настоящее время источников энергии наиболее приемлемым является радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ).
Судя по сообщениям зарубежной печати, на Западе ведется повседневная работа по реконструкции старых и разработке новых источников энергии на радиоизотопах в сочетании с термоэлектрическими генераторами.
В США основные работы по созданию источников питания для космических аппаратов ведутся фирмами Martin Marietta и General Electric. Фирмы Westinghouse и General Instruments намереваются построить свои собственные термоэлектрические генераторы на ядерном горючем.
В зарубежной литературе высказывается мысль, что к концу 1970 г. в распоряжении США будут мощные источники энергии, способные приводить в действие ионные и плазменные двигатели будущих космических кораблей.
Настоящий обзор написан на основании материалов, опубликованных в зарубежной литературе в конце 1964 г. и в течение 1965 г.
В последнее время в США большое внимание уделяется разработкам источников энергии типа SNAP. Генераторы SNAP состоят из следующих основных частей: источника тепла; преобразователя энергии (или электрического генератора), в котором тепловая энергия превращается в электрическую; теплоизлучающей системы (радиатора), предназначенной для сброса избыточного тепла.
Источником тепла может служить радиоактивный изотоп, который выделяет теплоту в результате радиоактивного распада, или легко расщепляющееся вещество, излучающее теплоту в ядерном реакторе при контролируемой цепной реакции.
В качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую может быть использован турбоэлектрогенератор или прямой преобразователь. Последний не имеет движущихся частей, что делает его очень надежным. Наиболее многообещающими преобразователями являются термоэлектронные и термоионные установки.
Теплоизлучающая система, состоящая из излучателя с большой поверхностью, сбрасывает избыток энергии излучением в космос.
Радиоактивный изотоп помещается в герметичную оболочку (капсулу), которая размещается внутри внешней оболочки (корпуса). Стержневые термоэлементы касаются своими концами внутренней (горячей) и внешней (холодной) оболочек, генерируя термо-э.д.с. (см. рисунок).

Одна из основных задач, возникающих при конструировании генераторов с изотопным горючим, — сделать их настолько прочными, чтобы они выдерживали большие перегрузки, возникающие при старте.

Поперечное сечение радиоизотопного термоэлектрического генератора
сечение радиоизотопного термоэлектрического генератора
1 — горячий спай; 2 — спай из золота; 3 — тепловая изоляция; 4 — ребро радиатора; 5 — изотопное горючее; 6 — термоэлектрические элементы
Излучение радиоактивного топлива опасно как для аппаратуры, так и для обслуживающего персонала, поэтому нельзя допустить заражения радиоактивным веществом полезного груза или установки для старта.
К материалам, используемым в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ), предъявляются следующие требования: они должны противостоять ускорениям при запуске ракет, синусоидальным вибрациям, ударам, резким изменениям атмосферного давления, ультрафиолетовой радиации, колебаниям температуры в широких пределах, действию магнитных полей, космических лучей и частиц, обладать сопротивлением угловому моменту во время орбитального полета [3].
Выбор изотопа как источника энергии зависит от его периода полураспада, плотности тока, диапазона рабочих температур, технологии получения изотопа и его стоимости. Поэтому лишь немногие изотопы могут быть использованы для этих целей. Усовершенствование изотопных источников тепловой энергии произойдет не в результате поиска новых изотопов, а за счет улучшения и расширения их производства и способов хранения [4].
В качестве топлива в РТГ, проходивших испытания в условиях космоса, использовался Рu238. В табл. 1 приведены свойства различных изотопов, пригодных для применения в качестве топлива.

Таблица 1
Потенциальное радиоизотопное топливо для космического применения

Основной характеристикой РТГ является к. п. д. коллектора. Для коллекторов используются железо, нержавеющая сталь, молибден и вольфрам.
Одна из сложных проблем в РТГ — осуществление соединений между горячими пластинами и термоэлементами. Рабочие температуры в этих точках лежат в пределах 300—400° С, но могут доходить до 1000° С. Применяется в основном три способа соединения капсулы с горячей пластиной: контакты под давлением; диффузионная сварка в твердой фазе; пайка твердым припоем.
Превосходными материалами для холодных спаев являются вольфрам, медь и никель. Ребра радиатора обычно изготовляются из алюминия или сплавов магния. Для лучшего охлаждения ребра покрываются неорганическими красками, обладающими повышенной способностью к эмиссии инфракрасных лучей. Эти краски, разумеется, должны выдерживать условия космоса. Характеристики некоторых термоэлектрических материалов приведены в табл. 2.
В условиях космоса испытывалось небольшое число РТГ с удельной мощностью 1—2 вт/кг.

Таблица 2
Термоэлектрические материалы

* Обозначения высокотемпературных полупроводниковых материалов, созданных фирмой Monsano Chemical Company.
Чтобы получить удельную мощность 3,3—4,7 вт/кг, необходимо иметь высокотемпературный преобразователь, а следовательно, такие виды топлива, которые в течение долгого времени могли бы обеспечить температуру выше 850° С. Высокотемпературные термоэлементы уже имеются, но проблема соединения горячих и холодных концов окончательно еще не решена.
Имеются сведения о целом ряде изотопных термоэлектрогенераторов типа SNAP, работающих в различных условиях.
Генератор SNAP-7B уже второй год (с 20 мая 1964 г.) безотказно вырабатывает энергию для автоматического радиомаяка, установленного в штате Мэриленд. SNAP-7B имеет 60-ваттный термоэлектрический генератор, преобразователь постоянного тока и никель-кадмиевые батареи мощностью 30 вт при постоянном напряжении 32 в. Первый год эксплуатации показал, что этот генератор обладает хорошими рабочими характеристиками и надежен в работе. Подобные генераторы тока найдут широкое применение для автоматических установок [11].
В июне 1965 г. на Мексиканском побережье начал работать радиоизотопный генератор тока SNAP-7F мощностью 60 вт. Генератор был изготовлен фирмой Martin Marietta по лицензиям американской комиссии по атомной энергии (КАЭ). По оценкам КАЭ, при поточном производстве такие генераторы будут стоить 25—35 тыс. долларов и функционировать без вмешательства человека в течение 5 лет.

По заказу КАЭ фирмой Atomic International был изготовлен генератор SNAP-10A, предназначенный для питания телеметрической аппаратуры на спутнике Земли. В нем использовалось тепло, выделяющееся при контролируемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе.
Генератор SNAP-10A состоял из ядерного реактора, расположенного в центре конструкции, цилиндрической оболочки с термоэлектрическим преобразователем и радиатора, непосредственно присоединенного к преобразователю. Конструкция представляла собой компактный источник энергии мощностью 300 вт.
Наиболее сложным компонентом реакторной системы SNAP является радиатор, необходимый для излучения излишней тепловой энергии в пространство. Для улучшения теплообмена в системе SNAP-10A применялся электромагнитный насос, не имеющий движущихся частей. Жидкий металл циркулировал между излучателем и реактором, что позволило насосу работать с высокими тепловыми мощностями и избегать тепловых перегрузок реактора.
Генератор SNAP-10A был установлен на спутнике, запущенном 3 апреля 1965 г. Через 43 дня после вывода спутника на орбиту генератор вышел из строя. Причины поломки неизвестны. Полученные со спутника телеметрические данные обрабатываются. В момент запуска спутника КАЭ сообщила, что продолжительность работы реактора рассчитана на 1 год, включая 90-дневное испытание при первоначальном запуске и эксплуатации реактора.
За период работы генератора SNAP-10A во время орбитального полета получены данные, имеющие большое значение для эксплуатации и расчетов аналогичных генераторов в будущем. К моменту выхода из строя реактор SNAP-10A выработал 500 квт-ч электроэнергии [12].
Из новых разработок наибольший интерес представляют следующие конструкции изотопных генераторов типа SNAP.

Генератор SNAP-19, предназначенный для метеорологического спутника Нимбус-В, обладает электрической мощностью 30 вт, весом 13,6 кг и рассчитан на продолжительность работы 5 лет. Фирма Martin Marietta представила в Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) два первых экспериментальных образца генератора (без изотопа), которые будут смонтированы на макете спутника Нимбус-В и подвергнуты испытаниям. При испытаниях в качестве источника тепловой энергии будет использоваться электрический генератор.

Согласно плану фирма Martin Marietta должна изготовить еще два экспериментальных образца генератора (с изотопом), а затем два летных образца, которые будут установлены на спутнике Нимбус-В. Запуск спутника предполагается осуществить в 1966 г. [5, 6].
КАЭ объявила конкурс на получение заказа, предусматривающего разработку изотопного генератора тока SNAP-25 мощностью в 75 вт, работающего на Рu238, с минимальной продолжительностью работы 5 лет. Фирмы General Electric Lockheed Missiles and Space Co u Radio Corporation of America сделали заявку на разработку этого генератора. Проект SNAP-25 является первым шагом к осуществлению программы разработки малогабаритных легковесных источников электропитания (удельная мощность 4,4 вт/кг) для непилотируемых спутников Земли. Стоимость разработок составит 5,75 млн. долларов. Головной организацией по разработке генератора SNAP-25 назначена фирма Lockheed Missiles and Space Со. Первые испытания должны быть проведены в 1968 г. [7, 8].
Уменьшенным вариантом конструкции SNAP-25 является изотопный генератор тока SNAP-27 мощностью 50 вт (топливо Рu238), который предназначен для работы при температурах, существующих на Луне. Генератор SNAP-27 должен быть сконструирован таким образом, чтобы его можно было без повреждения доставить обратно на Землю.
Первая стадия разработки этого генератора осуществлялась фирмами General Electric и Radio Corporation of America. Сейчас КАЭ ведет переговоры с фирмой General Electric по заключению контракта, предусматривающего вторую стадию разработки SNAP-27, включающую анализ конструкции, создание вспомогательных систем, составление планов летных испытаний генератора и изучение проблемы его возвращения на Землю. Стоимость работ по этому контракту оценивается в 650 тыс. долларов. Эта конструкция будет использована на космическом аппарате Сервейор, предназначающемся для полета на Луну.
Предполагается, что общая стоимость разработки генератора SNAP-27, включая летные испытания, составит 6 млн. долларов. КАЭ полностью финансирует эту программу. Летные испытания намечено провести в июле 1968 г. [9].
Важным этапом в создании ядерных источников энергии для космических целей считается окончание испытаний системы отвода тепла мощностью 5000 квт SNAP-50/SPUR. Эта система, в которой в качестве теплоносителя использовался щелочной металл, проработала более года при температуре 1100°С без каких-либо нарушений и изменений характеристик. По мнению исследователей, проводивших испытания, полученные результаты приблизили осуществление цели — создание легких источников энергии для космоса мощностью 300—1000 квт. Установка SNAP-50/SPUR разрабатывается объединенными усилиями КАЭ, NASA и Министерства обороны США. Общие расходы на создание прототипа установки составили 500 млн. долларов, устройство для запуска в космос будет стоить вдвое дороже.
В генераторе SNAP-50 тепло от реактора к теплообменнику будет отводиться литием. В теплообменнике должен вырабатываться пар калия, направляемый в калиевую паровую турбину. Литий является наилучшим теплоносителем, однако его чрезвычайно высокая химическая активность потребовала создания новых ниобиевых сплавов [10].
Помимо генераторов SNAP, в США разрабатываются другие изотопные источники энергии подобного типа.
Фирмы Westinghouse и Radio Corp. of America проводят научные исследования с целью создания надежных компактных термоэлектрических преобразователей энергии, использующих в качестве источников тепла ядерные реакторы или радиоактивные изотопы. Эти преобразователи предназначаются для космических аппаратов. Предполагают, что на разработку термоэлектрических преобразователей мощностью от 1000 до 2000 вт потребуется от 3 до 5 лет.
КАЭ объявила конкурс фирм на получение контракта на разработку изотопных генераторов тока мощностью 150— 600 мвт. Такие генераторы можно было бы широко использовать как в наземных, так и в подводных установках, включая гидроакустические преобразователи [13].
Фирма Atomic International изучает изотопные источники тока с турбогенераторами, предназначенные для космических аппаратов. В качестве источника тепла в них будет использоваться Рu238. Предполагается, что в результате этих исследований, которые проводятся по инициативе NASA, будут созданы два компактных источника тока для космических аппаратов. Один космический аппарат с человеком на борту должен будет совершить посадку на Марсе, другой — облет Марса и Луны. Полагают, что системы будут работать по циклу Ренкина и по циклу Брайтона. Для обеспечения посадки космического корабля на Марс требуется источник тока мощностью 4—6 квт, в то время как для облета Марса космический аппарат должен иметь источник тока мощностью 6—8 квт в течение 600 дней [14].



 
« Антикоррозионная защита полимерными порошковыми материалами   Вопросы эффективности производства и качества работы »
электрические сети