Мы рассмотрели принцип работы и схематическое устройство термоэлектронного преобразователя. Перейдем теперь к применению таких преобразователей в технике.
Термоэлектронную эмиссию наблюдал еще Эдисон. Он заметил, что если взять лампу накаливания с двумя нитями и нагревать одну из них, то в цепи, соединяющей нити, появится электрический ток. Однако вопросы практического применения этого явления для получения электроэнергии начали разрабатываться совсем недавно — с конца пятидесятых годов нашего века.
Термоэлектронный метод преобразования тепловой энергии в электрическую, пожалуй, самый молодой из четырех способов прямого преобразования энергии, о которых говорится в этой брошюре. Пока еще не созданы промышленные образцы таких преобразователей, но проведенные исследования уже позволили наметить следующие основные пути практического применения этого способа.
- С помощью термоэлектронного генератора можно существенно повысить коэффициент полезного действия обычной котлотурбинной паросиловой установки. Для этого специалисты США предлагают в стенки топки котла вмонтировать батарею термоэлектронных преобразователей. Катод, как и водогрейные трубы, будет нагреваться при сгорании топлива и начнет работать при температуре около 1500° К. Анод можно охлаждать паром с температурой около 820° К, который затем будет использоваться в обычной паровой турбине. Коэффициент полезного действия установки, построенной по такой схеме, может быть доведен до 49% при к. п. д. самого термоэлектронного преобразователя около 16%.
Аналогично можно использовать термоэлектронные преобразователи в атомных энергетических установках, работающих по принятой в настоящее время схеме. В таких установках термоэлектронные преобразователи могут играть роль «высокотемпературной надстройки» над паротурбинным циклом, позволяющей существенно повысить температуру Τ1 и тем самым увеличить экономичность всей установки. В этом случае преобразователи могут быть размещены внутри активной зоны атомного реактора. Катод будет нагреваться теплом, выделяющимся при делении ядерного горючего. Такая схема позволит увеличить к. п. д. всей установки до 50%. Некоторые специалисты считают, что первое промышленное применение термоэлектронные преобразователи найдут именно в качестве таких «надстроек» на атомных электростанциях.
- Использование термоэлектронного преобразователя позволяет значительно упростить схему атомных энергетических установок. В современных атомных установках требуется какое-то рабочее тело для переноса тепла от активной зоны реактора к парогенератору. Таким телом в известных установках являются вода под сравнительно высоким давлением (чтобы она не закипала), жидкий металл или другие вещества. Кроме того, в этих установках обязательно имеется паротурбинный цикл, служащий для преобразования тепла в механическую работу. От всего этого можно избавиться с помощью термоэлектронного преобразователя.
Подобный преобразователь, находящийся в активной зоне атомного реактора, был испытан в 1959 году в Лос-Аламосе (США). Катод у него изготовлен из карбида урана, анод— из стали. Между катодом и анодом для уменьшения влияния пространственного заряда находятся пары цезия. Снаружи анод охлаждается циркулирующим маслом. Температура охлаждающего масла определяет давление паров цезия. Диаметр этого элемента — около 6 см, он определяется диаметром экспериментального канала реактора. При температуре катода около 2200° К этот элемент развивал мощность до 90 вт при к. п. д. 10%. Однако полученные величины не являются предельными. Для увеличения экономичности преобразователя необходимо повысить температуру катода, что требует более жаростойких материалов. Расчеты американских специалистов показывают, что если делящееся вещество заключить в молибденовую или танталовую оболочку, то это позволит поднять рабочую температуру до 2500° К. При такой температуре теоретически можно получить к. п. д. преобразователя около 35%.
В 1962 году два подобных элемента были испытаны в реакторе, установленном в Харуэлле (Англия). Каждый из этих преобразователей состоит из цилиндрического катода, выполненного из смеси карбида урана с карбидом циркония. Длина катода — 5,7 см, диаметр — 1 см. Температура плавления такой смеси примерно равна 3270° К. Катод на длине примерно 3 см обогащен ураном-235. Анод представляет собой капсулу из нержавеющей стали, нижняя часть которой служит цезиевым резервуаром. Радиальный зазор между катодом и анодом примерно равен 0,5 мм. Для предохранения от выпадания материала катода при его разрушении или расплавлении элемент имеет предохранительную капсулу, покрытую с внутренней стороны танталом. С наружной стороны анод окружен оболочкой из двуокиси кремния. Между оболочкой и анодом имеется зазор около 0,25 мм, заполненный гелием. Тепло от анода передается через этот зазор к теплоносителю реактора — тяжелой воде. В таком элементе был получен ток 140 а (плотность тока 14 а/см2), а напряжение на нагрузке составляло 0,3 в. При этом температуры катода и анода были равны соответственно 2373° К и 953° К.
- Термоэлектронные преобразователи могут служить в качестве источников электроэнергии малых мощностей, предназначенных для самых различных целей. Например, дисковый преобразователь диаметром 38 мм, схема которого показана на рис. 2, при нагреве катода до 1400° К может обеспечить на выходе мощность около 1 вт при напряжении 1 в и плотности тока около 10 а/см2. Если между электродами будет вакуум, то коэффициент полезного действия преобразователя составит 4%. Если же это пространство заполнить цезием, то к. п. д. увеличится до 10%, при этом и мощность может быть увеличена до десятков ватт. Последовательное соединение элементов позволит достичь более высоких напряжений.
Американские фирмы разрабатывают для армии аналогичный источник электроэнергии мощностью 45 вт и массой 4,5 кг, в котором топливом будет служить бензин. Вслед за этим предполагается разработать портативные термоэлектронные генераторы мощностью до 200 вт.
- Термоэлектронный преобразователь может быть использован для преобразования в электроэнергию тепла, выделяемого радиоактивными изотопами. Подобный источник электроэнергии разработан в США для питания искусственных спутников Земли1. В качестве источника тепла в этом генераторе взят кюрий-242.
Рис. 2. Схематическое устройство дискового термоэлектронного преобразователя:
1 — анод; 2 — изолятор; 3 — катод; 4 — защитное покрытие
В рабочем состоянии термоэлектронный генератор имеет массу 400 г и форму цилиндра диаметром и высотой 50,8 мм. Катод выполнен из импрегнированного пористого вольфрама, анод — из молибдена. Генератор дает мощность 4—5 вт. Модель такого генератора с электронагревом вместо радиоактивного изотопа была испытана в работе в течение 2100 часов.
1 IRE Transactions, Nuclear Science, 1962, 9, No 1, стр.34—44.
Таковы основные направления в использовании термоэлектронных преобразователей. Сделано в этой области уже немало. За сравнительно короткий срок (практически с 1957 года) разработаны основные положения теории термоэлектронных преобразователей, проведено немало экспериментов, решены многие инженерные задачи, связанные с конструированием таких преобразователей, и намечены основные пути практического их
применения. Это был, по сути дела, первый этап работ.
Второй этап состоит в повышении мощности и экономичности генераторов, в разработке конструкций и поиске новых материалов, пригодных для работы при высоких температурах, а также в создании высокотемпературных источников тепла или в приспособлении для этой цели уже имеющихся. При этом должны быть обеспечены длительный срок службы и надежность в эксплуатации всех узлов генератора.
Следует отметить, что по экономичности термоэлектронные преобразователи со временем займут одно из первых мест среди тепловых машин. Отсутствие движущихся частей и другие особенности их устройства позволяют достигнуть очень высоких значений температуры Т. Среди достоинств этого типа преобразователей важное значение имеет также малая их чувствительность к радиации, что в ряде случаев заставляет отдавать им предпочтение перед другими источниками электроэнергии для космических кораблей.
Конечно, впереди еще много трудностей, которые должны быть преодолены, прежде чем термоэлектронный преобразователь как источник электроэнергии займет прочное место в технике. Но современная наука и техника в состоянии разрешить их, и термоэлектронный способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, безусловно, найдет свое место в энергетике ближайшего будущего, в том числе и в энергетических установках морских кораблей.
