Thennoelektronischer Energiewandler Thermoelektronische Elemente bestehen
bekanntlich aus zwei Elektroden in einem evakuierten oder mit einem leicht ionisierbaren
Gas, z. B. Caesiumdampf, gefüllten Gefäß. Die Gasfüllung hat vorteilhafterweise
einen verminderten Druck in der Größenordnung von 1 mm Hg oder weniger. Die
eine Elekrtrode (Kathode oder Ernitter) wird beheizt, während die andere Elektrode
(Anode oder Kollektor) gekühlt wird. Unter geeigneten Bedingungen liefert ein solches
thermoelektronisches Element eine Gleichspannung bis zu etwa 2 Volt und eine Stromdichte
von 30 A/cm2 und mehr. Mit solchen Elementen kann unter anderem die in Kernreaktoren
anfallende Wärme direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.Thennoelectronic energy converter Thermoelectronic elements are known to consist of two electrodes in an evacuated or with an easily ionizable gas, e.g. B. Cesium vapor, filled vessel. The gas filling advantageously has a reduced pressure on the order of 1 mm Hg or less. One electrode (cathode or emitter) is heated while the other electrode (anode or collector) is cooled. Under suitable conditions, such a thermoelectronic element delivers a direct voltage of up to about 2 volts and a current density of 30 A / cm2 and more. Such elements can be used, among other things, to convert the heat generated in nuclear reactors directly into electrical energy.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer thermoelektronischen
Zelle mit hohlzylindrischen Elektroden 2 und 3 in koaxialer Anordnung. Die
Kathode 2 wird beheizt, die Anode 3 durch ein an ihrer Außenseite entlangströmendes
Kühlmittel auf niedrigerer Temperatur gehalten. Eine einzelne thermoelektronische
Zelle mit einem Kathodendurchmesser von 1 cm und einer Gesamtlänge von
1 m kann theoretisch eine elektrische Leistung von 20 kW und mehr erzeugen.
Elemente der skizzierten Art sind jedoch praktisch nicht verwendbar, weil Ströme
in der Größenordnung von 10 000 A an den Enden des Elementes nicht abgenommen
werden können. Der innere Widerstand der Elektrodenbleche würde nahezu die gesamte
elektromotorische Kraft aufzehren. Daher wird ein so gestaltetes Element vorteilhafterweise
in eine Reihenschaltung von mehreren thennoelektronischen Zellen aufgelöst.Fig. 1 shows the basic structure of a thermoelectronic cell with hollow cylindrical electrodes 2 and 3 in a coaxial arrangement. The cathode 2 is heated and the anode 3 is kept at a lower temperature by a coolant flowing along its outside. A single thermoelectronic cell with a cathode diameter of 1 cm and a total length of 1 m can theoretically generate an electrical power of 20 kW and more. However, elements of the type outlined cannot be used in practice because currents in the order of magnitude of 10,000 A cannot be tapped at the ends of the element. The internal resistance of the electrode sheets would consume almost the entire electromotive force. Therefore, an element designed in this way is advantageously resolved into a series connection of several thennoelectronic cells.
Die Zellen eines bekanntgewordenen thermoelektronischen Energiewandlers
zur Umsetzung von aus Atomenergie gewonnener Wärmeenergie bestehen aus konzentrischen,
ringförmigen Elektroden, die auf einem Hohlzyader, der auch als Reflektor dient,
nebeneinander aufgereiht sind. Die Abstände zwischen den einzelnen, als Kathode
arbeitenden inneren Elektrodenringen sind mit Spaltstoff aufgefüllt. Ein solches
Element ist sehr umständlich herzustellen und für die Verwendung in Kernreaktoren
nicht geeignet.The cells of a well-known thermoelectronic energy converter
for the conversion of thermal energy obtained from atomic energy consist of concentric,
ring-shaped electrodes, which are placed on a hollow cylinder, which also serves as a reflector,
are lined up next to each other. The distances between each, called the cathode
working inner electrode rings are filled with fissile material. One such
Element is very cumbersome to manufacture and for use in nuclear reactors
not suitable.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die elektrische Verbindung
der Anode der (n-1). Zelle mit der Kathode der n. Zelle durch ein konisches, mit
Durchbrechungen versehenes übergangsstück zu bilden, welches die bezeichneten Elektroden
zu einem starren Körper vereinigt, und mehrere solcher Körper zwischen zwei koaxialen
Hülsen, in thermischem Kontakt mit ihnen, elektrisch isoliert anzuordnen. Fig. 2
zeigt im Schnitt ein Beispiel eines erfindungsgemäß aufgebauten thermoelektronischen
Energiewandlers 4, der zur Umsetzung von aus Atomenergie gewonnener Wänneenergie
geeignet ist. Er hat eine innere Hülse 5 aus elektrisch isolierendem, z.
B. keramischem Material, die Spaltstoff 6 aufnehmen kann. Die Hülse kann
auch aus Metall, z. B. Tantal, bestehen, das auf der Außenseite mit einem elektrisch
isolierenden, z. B. keramischen Material überzogen ist. Auf diese Hülse sind metallische
Elektrodenkörper 7 aufgezogen, die z. B. aus Tantal hergestellt sein können.
Die Elektrodenkörper (Fig. 2) bestehen aus einem unmittelbar auf der inneren Hülse,
aufliegenden Ring 8 (Innenelektrode), einem Ring 10 (Außenelektrode)
mit größerem Durchmesser und einem aus Verbindungsstegen 9 gebildeten übergangsstück.
Die Ringe 10 liegen an der Mantelhülse 11 des Elementes an. Die Ausdehnungskoeffizienten
von Außenelektrode und Hülse sind so gewählt, daß die Außenelektroden bei den zu
erwartenden Betriebstemperaturen auf die Innenwand der Mantelhülse aufwachsen. Auch
die Mantelhülse besteht aus elektrisch isolierendem, z. B. keramischem Material
oder aus Metall, z. B. rostfreiem Stahl, das an der Innenseite mit elektrisch isolierendem
Material überzogen ist. Sie ist an ihren Enden luftdicht verschlossen und evakuiert.
Zur Aufhebung von Raumladungseffekten kann sie gegebenenfalls in an sich bei thermoelektronischen
Eenergie-wandlern bekannter Weise mit einem leicht ionisierbaren Gas oder Dampf,
vorzugsweise mit Caesiumdampf, gefüllt sein. Die Abschlüsse 12 bzw. 13 der
Mantelhülse werden von Stromzuführungen 14 bzw. 15 durchbrochen.
Die
Innenelektroden 8 werden durch die vom Brennstoff erzeugte Wärme geheizt,
die Außenelektroden durch ein Kühlmittel16 gekühlt, welches das gesamte Element
an der Außenseite umströmt, wie in der schematischen Darstellung eines Reaktorkernes
17 zu erkennen ist (Fig. 4). Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme kann in
bekannter Weise nutzbar gemacht werden. Die Innenelektroden wirken somit als Elektronenemitter,
die Außenelektroden als Elektronenkollektor. Die Austrittsarbeiten von Kathode und
Anode können in gewünschter Weise angepaßt werden, indem man die Elektrodenringe
8 auf ihrer Außenseite und die Elektrodenringe 10 auf ihrer Innenseite
mit geeigneten überzügen versieht. Für die Innenelektrode kann z. B. ein Thorium-Wolfram-überzug
(bei Temperaturen von etwa 1800 bis 2000' C), für die Außenelektrode
z. B. ein Bariumoxyd-Nickel-überzug verwendet werden.According to the invention it is therefore proposed that the electrical connection of the anode of (n-1). Cell to form with the cathode of the nth cell by a conical, perforated transition piece, which unites the designated electrodes to a rigid body, and to arrange several such bodies between two coaxial sleeves, in thermal contact with them, electrically insulated. Fig. 2 shows in section an example of a thermoelectronic energy converter 4 constructed according to the invention, which is suitable for converting thermal energy obtained from atomic energy. It has an inner sleeve 5 made of electrically insulating, e.g. B. ceramic material that can accommodate 6 fissile material. The sleeve can also be made of metal, e.g. B. tantalum, exist on the outside with an electrically insulating, z. B. ceramic material is coated. On this sleeve metallic electrode bodies 7 are drawn, the z. B. can be made of tantalum. The electrode bodies (FIG. 2) consist of a ring 8 (inner electrode) resting directly on the inner sleeve, a ring 10 (outer electrode) with a larger diameter and a transition piece formed from connecting webs 9. The rings 10 rest on the jacket sleeve 11 of the element. The expansion coefficients of the outer electrode and the sleeve are selected so that the outer electrodes grow onto the inner wall of the jacket sleeve at the operating temperatures to be expected. The jacket sleeve is also made of electrically insulating, e.g. B. ceramic material or metal, e.g. B. stainless steel, which is coated on the inside with electrically insulating material. It is hermetically sealed at its ends and evacuated. To eliminate space charge effects, it can optionally be filled in a manner known per se in thermoelectronic energy converters with an easily ionizable gas or vapor, preferably with cesium vapor. The terminations 12 and 13 of the jacket sleeve are pierced by power supply lines 14 and 15, respectively. The inner electrodes 8 are heated by the heat generated by the fuel, the outer electrodes are cooled by a coolant 16 which flows around the entire element on the outside, as can be seen in the schematic representation of a reactor core 17 (FIG. 4). The heat absorbed by the coolant can be used in a known manner. The inner electrodes thus act as electron emitters, the outer electrodes as electron collectors. The work functions of the cathode and anode can be adapted as desired by providing the electrode rings 8 on their outside and the electrode rings 10 on their inside with suitable coatings. For the inner electrode, for. B. a thorium-tungsten coating (at temperatures of about 1800 to 2000 ' C), for the outer electrode z. B. a barium oxide-nickel coating can be used.
Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden, also zwischen
dem Emitter des einen Elektrodenkörpers und dem Kollektor des benachbarten Elektrodenkörpers,
bildet sich eine Spannung von etwa 1 bis 2 V aus. Das gesamte Element wirkt
als eine Reihenschaltung von Zellen, weil jeweils Kathode und Anode zweier aufeinanderfolgender
Zellen elektrisch verbunden sind. A voltage of approximately 1 to 2 V develops between two electrodes lying opposite one another, that is to say between the emitter of one electrode body and the collector of the adjacent electrode body. The entire element acts as a series connection of cells because the cathode and anode of two consecutive cells are electrically connected.
Bei der Aufteilung eines thermoelektronischen Elementes von etwa
1 in Gesamtlänge in beispielsweise gemäß der Erfindung gestaltete einhundert
Zellen erhält man an den Enden des Elementes eine Gleichspannung von etwa 200 V.
Die Stromstärke je
Element reduziert sich dementsprechend bei einer Gesamtleistung
von 20 kW auf 100 A. Gleichspannungen und -ströme dieser Größenordnung können
bequem beherrscht werden. Den gewonnenen Gleichstrom kann man am Aufstellungsort
des Reaktors einem Gleichstrommotor zuführen und mit diesem einen Wechselstromgenerator
antreiben.When dividing a thermoelectronic element of about 1 in total length into, for example, one hundred cells designed according to the invention, a direct voltage of about 200 V is obtained at the ends of the element. The current intensity per element is accordingly reduced to 100 A with a total output of 20 kW. DC voltages and currents of this magnitude can be easily controlled. The direct current obtained can be fed to a direct current motor at the installation site of the reactor and used to drive an alternating current generator.