stringtranslate.com

Термоэмиссионный преобразователь

Термоионный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоионно испускает электроны через потенциальный энергетический барьер на более холодный электрод, производя полезную выходную электрическую мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечивают подачу ионов (путем поверхностной ионизации или ионизации электронным ударом в плазме) для нейтрализации электронного пространственного заряда .

Определение

С точки зрения физики электроники термоионное преобразование энергии — это прямое производство электроэнергии из тепла путем термоэлектронной эмиссии. С точки зрения термодинамики [1] это использование электронного пара в качестве рабочей жидкости в цикле производства энергии. Термоионный преобразователь состоит из горячего электрода-эмиттера, с которого электроны испаряются путем термоэлектронной эмиссии, и более холодного электрода-коллектора, в который они конденсируются после проведения через межэлектродную плазму . Результирующий ток, обычно несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности эмиттера, подает электроэнергию на нагрузку при типичной разности потенциалов 0,5–1 вольт и тепловой эффективности 5–20% в зависимости от температуры эмиттера (1500–2000 К) и режима работы. [2] [3]

История

После первой демонстрации практического термоэмиссионного преобразователя на основе паров цезия в дуговом режиме В. Уилсоном в 1957 году в следующем десятилетии было продемонстрировано несколько его применений, включая его использование с солнечными , сжигательными , радиоизотопными и ядерными источниками тепла реактора. Однако наиболее серьезно рассматриваемым применением была интеграция термоэмиссионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе. [4] [5] Исключительно высокая рабочая температура термоэмиссионных преобразователей, которая затрудняет их практическое использование в других приложениях, дает термоэмиссионному преобразователю решающие преимущества по сравнению с конкурирующими технологиями преобразования энергии в космических энергетических приложениях, где требуется отвод лучистого тепла. Значительные программы разработки термоэмиссионных космических реакторов были реализованы в США , Франции и Германии в период 1963–1973 годов, а США возобновили значительную программу разработки термоэмиссионных ядерных топливных элементов в период 1983–1993 годов.

Термоэмиссионные энергетические системы использовались в сочетании с различными ядерными реакторами ( БЭС-5 , ТОПАЗ ) в качестве источника электропитания на ряде советских военных спутников-разведчиков в период с 1967 по 1988 год. [6] [7] Более подробную информацию см . в статье «Космос 954» .

Хотя приоритет использования термоэмиссионного реактора снизился из- за сокращения космических программ США и России , исследования и разработки в области термоэмиссионного преобразования энергии продолжались. В последние годы проводились программы разработки технологий для термоэмиссионных космических энергетических систем с солнечным нагревом. Разработаны прототипы термоэмиссионных систем с нагревом от сгорания для бытового тепла и когенерации электроэнергии , а также для ректификации . [8]

Описание

Научные аспекты термоионного преобразования энергии в первую очередь касаются областей физики поверхности и физики плазмы . Свойства поверхности электрода определяют величину тока электронной эмиссии и электрический потенциал на поверхностях электрода, а свойства плазмы определяют перенос электронного тока от эмиттера к коллектору. Все практические термоионные преобразователи на сегодняшний день используют пары цезия между электродами, которые определяют как свойства поверхности, так и свойства плазмы. Цезий используется, потому что он является наиболее легко ионизируемым из всех стабильных элементов.

Термоэмиссионный генератор подобен циклическому тепловому двигателю, и его максимальная эффективность ограничена законом Карно. Это низковольтное сильноточное устройство, в котором плотности тока 25–50 (А/см2) достигаются при напряжении от 1 до 2 В. Энергия высокотемпературных газов может быть частично преобразована в электричество, если стояки котла снабжены катодом и анодом термоэмиссионного генератора с заполненным ионизированным паром цезия промежутком.

Свойство поверхности, представляющее основной интерес, — это работа выхода , которая является барьером, ограничивающим ток электронной эмиссии с поверхности, и по сути является теплотой испарения электронов с поверхности. Работа выхода определяется в первую очередь слоем атомов цезия, адсорбированных на поверхностях электродов. [9] Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоионного преобразователя. [10] В зажженном (или «дуговом») режиме плазма поддерживается посредством ионизации изнутри горячими плазменными электронами (~ 3300 К); в незажженном режиме плазма поддерживается посредством инжекции внешне произведенных положительных ионов в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами из межэлектродной области с горячей плазмой, переносимыми в межэлектродную область с холодной плазмой.

Недавние работы

Все вышеперечисленные приложения использовали технологию, в которой базовое физическое понимание и производительность термоионного преобразователя были по существу такими же, как и достигнутые до 1970 года. Однако в период с 1973 по 1983 год в США были проведены значительные исследования передовой технологии низкотемпературного термоионного преобразователя для промышленного и коммерческого производства электроэнергии на ископаемом топливе, которые продолжались до 1995 года для возможных применений в космических реакторах и военно-морских реакторах . Эти исследования показали, что существенные улучшения производительности преобразователя теперь могут быть получены при более низких рабочих температурах путем добавления кислорода к парам цезия [11] путем подавления отражения электронов на поверхностях электродов [12] и с помощью гибридного режима работы. Аналогичным образом, улучшения за счет использования кислородсодержащих электродов были продемонстрированы в России вместе с проектными исследованиями систем, использующих производительность передового термоионного преобразователя. [13] Недавние исследования [14] показали, что возбужденные атомы Cs в термоэмиссионных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговской материи , которые приводят к снижению работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0 – 0,7 эВ. Благодаря долгоживущей природе ридберговской материи эта низкая работа выхода остается низкой в ​​течение длительного времени, что существенно увеличивает эффективность низкотемпературного преобразователя.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Rasor, NS (1983). "Thermionic Energy Converter". В Chang, Sheldon SL (ред.). Fundamentals Handbook of Electrical and Computer Engineering . Vol. II. New York: Wiley. p. 668. ISBN 0-471-86213-4.
  2. ^ Хатсопулос, Г. Н.; Гифтопулос, Э. П. (1974). Термоионное преобразование энергии . Том I. Кембридж, Массачусетс: MIT Press . ISBN 0-262-08059-1.
  3. ^ Бакшт, ФГ; Г.А. Дывжев; А. М. Марциновский; Б.Ю. Мойжес; Г.Я. Дикус; Е.Б. Сонин; В.Г. Юрьев (1973). «Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма (пер. из Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма)»: 490. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ Mills, Joseph C.; Dahlberg, Richard C. (10 января 1991 г.). «Thermionic Systems for DOD Missions». Труды конференции AIP . 217 (3): 1088–92. Bibcode : 1991AIPC..217.1088M. doi : 10.1063/1.40069. Архивировано из оригинала 10 июля 2012 г.
  5. ^ Грязнов, ГМ; Е.Е. Жаботинский; А.В. Зродников; Ю. В. Николаев; Н. Н. Пономарев-Степной; В. Я. Пупко; В.И. Сербин; В.А. Усов (июнь 1989 г.). «Термоэмиссионные реакторы-преобразователи для ядерных энергетических установок в космическом пространстве». Советская атомная энергия . 66 (6). Пленус Паб. Ко.: 374–377. дои : 10.1007/BF01123508. ISSN  1573-8205. S2CID  95666931.
  6. ↑ Бюллетень ученых-атомщиков. Июль 1993 г. С. 12–.
  7. ↑ Труды симпозиума «Современные компактные реакторные системы»: Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 15–17 ноября 1982 г. Национальные академии. 1983 г. С. 65–. NAP:15535.
  8. ^ Ван Кеменаде, Э.; Вельткамп, В. Б. (7 августа 1994 г.). "Проектирование термоионного преобразователя для системы отопления жилых домов" (PDF) . Труды 29-й межобщественной конференции по инженерному преобразованию энергии . II .
  9. ^ Rasor, Ned S.; Charles Warner (сентябрь 1964 г.). «Корреляция процессов эмиссии для адсорбированных щелочных пленок на металлических поверхностях». Журнал прикладной физики . 35 (9). Американский институт физики: 2589. Bibcode : 1964JAP....35.2589R. doi : 10.1063/1.1713806. ISSN  0021-8979.
  10. ^ Rasor, Ned S. (декабрь 1991 г.). «Плазма термоионного преобразования энергии». Труды IEEE по плазме . 19 (6): 1191–1208. Bibcode : 1991ITPS...19.1191R. doi : 10.1109/27.125041.
  11. ^ JL. Desplat, LK Hansen, GL Hatch, JB McVey и NS Rasor, "HET IV Final Report", Volumes 1 & 2, Rasor Associates Report #NSR-71/95/0842, (ноябрь 1995 г.); выполнено для Westinghouse Bettis Laboratory по контракту # 73-864733; 344 страницы. Также доступно в полном объеме как CB Geller, CS Murray, DR Riley, JL. Desplat, LK Hansen, GL Hatch, JB McVey и NS Rasor, "High-Efficiency Thermionics (HET-IV) and Converter Advancement (CAP) programs. Final Reports", DOE DE96010173; 386 страниц (1996 г.).
  12. ^ NS Rasor, «Важное влияние отражения электронов на производительность термоэмиссионного преобразователя», Труды 33-й межсоциальной конференции по энергетике, Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, август 1998 г., статья 98-211.
  13. ^ Ярыгин, Валерий И.; Виктор Н. Сидельников; Виталий С. Миронов. «Варианты преобразования энергии для инициативы NASA по космическим ядерным энергетическим системам – недооцененные возможности термоионики». Труды 2-й Международной конференции по инжинирингу преобразования энергии .
  14. ^ Свенссон, Роберт; Лейф Холмлид (15 мая 1992 г.). «Поверхности с очень низкой рабочей функцией из конденсированных возбужденных состояний: ридберговское вещество цезия». Surface Science . 269–270: 695–699. Bibcode :1992SurSc.269..695S. doi :10.1016/0039-6028(92)91335-9. ISSN  0039-6028.