В основе термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП) лежит явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что если какой-либо металл, нагретый до некоторой температуры Т, поместить в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода φ, составляющий обычно несколько электрон-вольт. При низких температурах средняя энергия свободных электронов существенно меньше работы выхода и лишь ничтожное количество электронов может испускаться в вакуум. С ростом температуры это количество очень быстро нарастает. Явление термоэлектронной эмиссии широко используется в электронных лампах, в ускорителях электронов и т. п.
Когда нагретое металлическое тело помещено в вакуум, через некоторое время между ним и электронным облаком, его окружающим, устанавливается разность потенциалов, прекращающая дальнейшую эмиссию электронов. В этих условиях сколько электронов выходит в единицу времени из металла в вакуум за счет термоэлектронной эмиссии, столько же возвращается в него за счет конденсации электронов. Равновесная разность потенциалов между металлом и электронным облаком как раз равна работе выхода металла. Электроны, эмитируемые телом (оно в этом случае называется катодом или эмиттером), можно отбирать, например, размещая рядом с катодом анод и прикладывая между этими электродами напряжение соответствующего знака. Максимальное количество электронов, которое можно отобрать в единицу времени с единицы поверхности эмиттера, называется током насыщения.
Плотность этого тока может быть вычислена теоретически с помощью формулы Ричардсона:
(5.5) где А — постоянная Ричардсона, теоретически одинаковая для всех металлов и равная 120 А/(см2·К2); φ — работа выхода металла; k универсальная постоянная Больцмана.
Такой электронный ток в вакууме используется в электронных лампах, которые до недавнего времени составляли основу всех электронных приборов,
Рис. 5.6. Распределение потенциалов между двумя электродами с разными работами выхода.
Если в вакуум помещены два электрода из различных металлов, имеющих различные работы выхода φ1 и φ2, то между ними установится некоторая разность потенциалов Δφ (рис. 5.6). Казалось бы, замыкание внешней цепи должны обеспечить протекание тока от электрода 1 к электроду 2. Однако если температура этих электродов одинакова, этого не произойдет. Дело в том, что разность потенциалов Δφ имеет ту же природу, что и контактная разность потенциалов, обсуждавшаяся в предыдущем параграфе. Эта разность потенциалов не зависит от того, есть ли между металлами непосредственный контакт или они разделены вакуумным промежутком. Поэтому также, как отмечалось в предыдущем параграфе, при замыкании внешней цепи тока в ней не будет.
Положение радикально изменяется, когда электрод- эмиттер 1 имеет более высокую температуру, чем электрод-коллектор 2. В этом случае при замыкании внешней цепи электроны начнут с эмиттера переходить на коллектор и в цепи потечет ток. Эта система и представляет собой простейшую схему ТЭП.
У идеального ТЭП к. п. д. близок к к. п. д. цикла Карно, осуществляемого в интервале температур между температурой эмиттера Тэ и коллектора Тк. Дело в том, что если с какого-либо электрода отбирать эмитируемые им электроны, то электрод при этом охлаждается (эффект Эдисона). Чтобы сохранить температуру электрода постоянной, к нему надо подводить теплоту в количестве
(5.6)
где ί — термоэлектронный ток, отбираемый с единицы поверхности электрода; е — заряд электрона.
Когда поток электронов входит из вакуума в электрод, в нем выделяется соответствующее количество теплоты (подобно теплоте конденсации) и, чтобы сохранить температуру электрода постоянной, эту теплоту необходимо отводить.
Таким образом существует определенная оптимальная взаимосвязь между работами выхода обоих электродов ТЭП, но во всяком случае следует стремиться понижать φκ, что составляет одну из главных проблем при разработке эффективных ТЭП.
Второе отличие реального ТЭП от идеального заключается в том, что в зазоре между эмиттером и коллектором за счет высокой концентрации электронов возникает пространственный заряд. Это приводит к тому, что распределение потенциала между эмиттером и коллектором приобретает вид, изображенный на рис. 5.9. Основное различие между рис. 5.9 и 5.6 заключается в наличии максимума на кривой распределения потенциалов высотой δ. Из-за этого максимума электроны, вылетающие из эмиттера, чтобы достичь коллектора, должны кроме энергии φэ и кинетической энергии 2kТэ. приобрести еще энергию δ. После прохода максимума потенциала эта энергия пойдет на сообщение электронам дополнительной кинетической энергии, которая далее бесполезно выделится на коллекторе в виде теплоты.
Наличие пространственного заряда существенно снижает характеристики ТЭП. Поэтому разрабатываются методы борьбы с ним. Наиболее простой метод сводится к тому, чтобы уменьшить расстояние между эмиттером и коллектором. При этом можно добиться такого положения, чтобы максимума на кривой распределения потенциала не возникало. Однако требуемые При этом расстояния между электродами очень малы — сотые, а то и тысячные доли миллиметра. Создание таких конструкций наталкивается на значительные трудности, особенно если речь идет о больших сроках службы ТЭП.
Более эффективной оказывается компенсация пространственного заряда с помощью положительных ионов. Ясно, что если в электронное облако будет введено некоторое количество зарядов противоположного знака, то отрицательный потенциал снизится. На практике это достигается введением в межэлектродный промежуток ТЭП цезиевого пара. Атомы цезия легко ионизируются, образуя положительные ионы, которые и компенсируют пространственный заряд. Для получения цезиевого пара ТЭП снабжают сосудом с жидким цезием, который поддерживают при строго определенной температуре, соответствующей необходимому давлению пара цезия.
Рис. 5.10. Схема ТЭП, встроенного в ядерный реактор.
Помимо компенсации пространственного заряда цезий выполняет еще две важные функции. Работа выхода цезия существенно ниже, чем у материалов, используемых для эмиттеров и коллекторов. Поэтому, когда на коллекторе адсорбируется некоторое количество цезия, работа выхода коллектора существенно снижается. Адсорбция цезия на поверхности эмиттера в так называемых ТЭП высокого давления позволяет существенно повысить токи с эмиттера, а значит улучшить к. п. д. и мощностные характеристики ТЭП.
С учетом названных мер к. п. д. реальных ТЭП сегодня в отдельных установках достигают 10—15%, и имеются пути дальнейшего повышения к. п. д.
Интерес к ТЭП первоначально возник в связи с возможностью создания ядерной энергетической установки, основанной на этом принципе преобразования энергии. В этом случае привлекает то, что можно создать компактный реактор-генератор, у которого вся энергопроизводящая часть встроена в саму активную зону и не содержит движущихся частей, а во вне имеется лишь контур охлаждения. В такой схеме сам тепловыделяющий элемент (твэл) выполняется в виде ТЭП (рис. 5.10). На поверхность оболочки 2, в которой заключено ядерное топливо 1, наносится материал эмиттера 3. Вся эта сборка помещается в трубу 5, являющуюся коллектором. Пространство 4 между эмиттером и коллектором образует рабочий зазор ТЭП. Коллектор также заключен в трубу, внутри которой протекает теплоноситель 6, отбирающий теплоту от коллектора.
Такие конструкции в тех или иных модификациях осуществлены; особый интерес они представляют для автономных энергетических установок, например для космических аппаратов. В 1970 г в СССР создан первый в мире ТЭП «Топаз» с электрической мощностью около 10 кВт. Несмотря на принципиальную простоту создание реактора-генератора со встроенным ТЭП представляет собой очень сложную инженерную задачу. Главная трудность состоит в том, чтобы выбрать материалы и конструкцию, способные длительно и надежно работать в условиях высоких температур, больших токов и нейтронных потоков. Последнее обстоятельство особенно неприятно и заставляет рассматривать возможность создания ТЭП, вынесенных из активной зоны.
В последнее время по мере улучшения характеристик ТЭП и, прежде всего, в связи с наметившейся возможностью снижения температуры эмиттера, появился интерес к использованию ТЭП в качестве надстройки к обычным паросиловым электростанциям. В предыдущей главе было показано, что с ростом начальной температуры цикла к. п. д. преобразования теплоты в работу возрастает. Там же мы отмечали, что современные теплосиловые установки имеют сравнительно низкую начальную температуру. В связи с этим возникает возможность получаемую при высокой температуре за счет сжигания топлива теплоту вначале подвести к эмиттерам ТЭП, часть ее преобразовать в электроэнергию в соответствии с к. п. д. ТЭП, а теплоту, отводимую от коллектора, при все еще высокой температуре использовать затем в обычном паросиловом цикле. Ясно, что к. п. д. такой комбинированной установки повысится.
Вопрос о внедрении таких установок в энергетику, как всегда, следует рассматривать как технико-экономическую проблему, сопоставляя выгоды от повышения К. п. д. с дополнительными капитальными затратами.
Для стационарной энергетики, кроме того, решающее значение имеют надежность установки и ее ресурс.
Сегодня пока трудно прогнозировать, займут ли ТЭП сколько-нибудь заметное место в крупной энергетике, но по мере улучшения их показателей и совершенствования конструкции этот вопрос должен вновь и вновь тщательно изучаться.
