DE1539280C

DE1539280C - Thermionischer Wandler

Info

Publication number: DE1539280C
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication date: 1971-11-11

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermioni- den NachbarkoHektoren verbunden. Zwar ist es bei sehen Wandler, bestehend aus mehreren zylindri- diesem Wandler möglich, seine Länge ohne weiteres sehen, längs einer Achse hintereinander angeordneten zu variieren, indessen sind die Keramringe von Hause und in Reihe geschalteten Dioden, die jeweils aus aus zerbrechlich und werden unter der Einwirkung einem von einer elektrisch leitenden, als Emitter- 5 der nuklearen Strahlung noch zerbrechlicher,
elektrode dienenden Hülle umgebendeji Kernbrenn- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den stab und einem diesen im Abstand kqfaxial umgeben- zuletzt erwähnten Wandler derart zu ändern, daß er den, als Kollektorelektrode dienenden Bauteil be- mehr Festigkeit und Haltbarkeit erhält,
stehen, bei dem die Kernbrennstäbe im Abstand von- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geeinander angeordnet sind, bei dem jeweils die io löst, daß jedes Kollektorbauteil aus zwei koaxial inEmitterelektrode einer Diode mit der Kollektorelek- einanderliegenden Hülsen mit zwischen diesen betrode der benachbarten Diode elektrisch leitend vef- findlicher Schicht aufgebaut ist, daß jede äußere bunden ist und bei dem die als Kollektorelektrode Hülse aus Metall mit hohem elektrischem Widerstand, dienenden Bauteile der einzelnen Dioden miteinander verglichen mit dem Widerstand der inneren Hülse, verbunden und ihre Außenflächen von einem Kühl- 15 besteht und unmittelbar mit den äußeren Hülsen bemedium umspült sind. . nachbarter Dioden verbunden ist, daß jede innere

Durch die deutsche Auslegeschriff 1130 873 ist ein Hülse aus Metall mit niedrigem elektrischem Widerthermionischer Wandler bekanntgeworden, der einen stand, verglichen mit dem Widerstand der äußeren aus einem Stück bestehenden, durch den gesamten Hülse, besteht, Abstände zu den inneren Hülsen der Wandler hindurchgehenden Kernbrennstab aufweisV ao beiden benachbarten Dioden aufweist und mit der auf dem die Emitterelektroden der einzelnen elek- Hülle des Kernbrennstabs einer der beiden benachtrisch in Reihe verbundenen Dioden angeordnet sind. barten Dioden verbunden ist, und daß die Schicht Die Kollektorelektroden der einzelnen Dioden um- zwischen den Hülsen pulverförmig ausgebildet ist geben die Emitterelektroden koaxial und unter Zwi- und aus einem Material hoher thermischer Leitfähig- **. schensdhaltung einer elektrisch isolierenden Schicht 35 keit und hohen elektrischen Widerstandes besteht,
mit einem den äußeren Mantel des Wandlers bilden- Neben der großen Stabilität hat der erfindungsgeden Metallrohr, das von einem Kühlmittel umflossen mäße Wandler gegenüber dem Wandler gemäß Fig. 1 ist, zu einem Bauteil verbunden. Dieser Wandler der Schrift zum französischen Patent 1382968 kann nicht ohne weiteres verlängert oder verkürzt noch den weiteren Vorteil, daß die schwierig herzuwerden. - . 30 stellenden Metall-Keramik-Verbindungen entfallen.

Bei einem weiteren thermionischen Wandler Die Metalle oder Metall-Legierungen für die bei-(s. die F ig. 5 der Schrift zum britischen Patent 920198), den Hülsen, nämlich der inneren und der äußeren bei dem einzelne Kernbrennstäbe längs einer Achse Hülse, müssen einerseits die Betriebstemperatur des hintereinander angeordnet sind, die jeweils von einer Wandlers aushalten, die größenordnungsmäßig die Emitterelektrode der einzelnen Dioden bildenden 35 600° C beträgt. Andererseits muß das Metall oder Hülle umgeben sind, sind die Kollektorbauteile in die Metall-Legierung, welche die äußere Hülse bildet, gleicher Weise wie bei dem vorstehend genannten so ausgewählt werden, daß der spezifische WiderWandler ausgebildet. Auch hierbei ist der aus einzel- stand ausreicht, um eine gute Isolation zwischen den nen Bauelementen bestehende Wandler von einem Kollektoren der einzelnen Dioden und damit zwi-Rohr umgeben, das die Längenänderung des Wand- 40 sehen Eingang und Ausgang des Wandlers zu sichern, lers erschwert. In der Praxis ist die Isolierung ausreichend, wenn die

Ferner ist ein thermionischer Wandler vorge- Stromverluste infolge des Stromdurchgangs in der

schlagen worden (deutsches Patent 1281 002), der äußeren Hülse in bezug auf den in dem Wandler er-

ebenfalls mehrere längs einer Acfyse angeordnete zeugten Gesamtstrom nicht größer als 10 bis 15%

Dioden aufweist. Hierbei sind alle Emitter- und 45 sind.

Kollektorelektroden der einzelnen Dioden zu starren Erfindungsgemäß besteht die äußere Hülse aus

Bauteilen verbunden, die jeweils aus einem metalli- einer Legierung auf der Basis von Titan. Dieser Le-

schem TragrohrI bestehen, auf dessen Innen- bzw. gierung kann ein Hauptzuschlag zugefügt sein, der

Außenfläche unter Zwischenschaltung einer isolieren- aus folgenden Metallen besteht: Aluminium, Yttrium

den Zwischenschicht die einzelnen Kollektor- bzw. 50 oder Beryllium. Zweckmäßigerweise liegt der Haupt-

Emitterelektrodefa aufgebracht sind. Diese Bauteile Zuschlag in einer Menge von 2 bis 8% vor. Ferner

werden durch einen Schmiedevorgang hergestellt. wird vorgeschlagen, daß die Legierung noch einen

Dieser Wandler; läßt ebenfalls seine Verlängerung zusätzlichen Zuschlag aufweist, der aus folgenden

oder Verkürzung in einfacher Weise nicht zu. Metallen besteht: Molybdän, Vanadium, Zirkon, wo-

Durch die Fig. 3 der Schrift zum französischen 55 bei die Konzentration dieses Zuschlags 0 bis 5%

Patent 1 382 96ß ist ein thermionischer Wandler be- betragen kann.

kanntgeworden, bei dem ein sich über den gesamten Bei einer bevorzugten Ausführungsform des

Wandler erstreckendes, aus einem Stück bestehendes Kollektorbauteils für einen thermionischen Wandler

Rohr vorgesehen ist, das aus dickeren Wandteilen, nach der Erfindung besteht die äußere Hülse aus

welche die Kollektoren bilden, und aus dünneren 60 einer Legierung von Titan und Aluminium mit 6%

Wandteilen besteht, welche den unerwünschten elek- Aluminium, deren spezifischer Widerstand 162"Mi-

trischen Strom von Kollektor zu Kollektor reduzieren. kro-Ohm · Zentimeter bei 20° C und 210 Mikro-

Auch diesem Wandler haftet der Nachteil an, daß er Ohm · Zentimeter bei der Betriebstemperatur von

nicht bequem verlängert oder verkürzt werden kann. 600° C beträgt. Eine andere Ausführungsform weist

Der thermionische Wandler der eingangs erwähn- 65 eine Legierung aus Titan, 6% Aluminium und 2%

ten Art ist durch die F i g. 1 der Schrift zum franzö- Vanadium auf, deren spezifischer Widerstand bei

sischen Patent 1 382 968 bekanntgeworden. Bei die- Raumtemperatur 164 Mikro-Ohm · Zentimeter be-

sem ist jeder Kollektor über Keramringe mit den bei- trägt.

Claims

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Die innere Hülse besteht vorzugsweise aus Niob, Der Wandler besteht aus einer bestimmten Anzahl

Molybdän oder Zirkonium. von Dioden Dl bis Dn, die in Reihe geschaltet sind.

Ein derartig zusammengesetztes Kollektorbauteil Jede dieser Dioden, beispielsweise die Diode D1. muß so hergestellt werden, daß die isolierende Zwi- besteht aus einem Emitter 1, der in anrieh bekannter selenschicht sowohl bei Umgebungstemperatur als 5 Weise von einem Uranoxidstab ία gebildet wird, der auch bei der vorgesehenen Betriebstemperatur einem von einer Umhüllung IB aus. Wolfram oder Motyt)-Restdruck von Seiten der äußeren Hülse/ausgesetzt dän eingeschlossen ist. Für den Fall, daß diese Umbleibt, derart, daß das Bauteil gute elektrische Iso- hüllung aus Molybdän besteht, ist sie gegebenenfalls lationseigenschaften und einen guten thermischen mit einem Belag aus Wolfram oder Rhenium bedeckt. Kontakt garantiert. io Der Emitter 1 selbst ist von einer die Kollektorelek-

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Her- trode bildenden Hülse 2 eines zylindrischen Kollekstellung des oben beschriebenen Bauteils. Das neue torbauteils 2, 7, 6 umgeben, die die Elektrizität leitet Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen und entweder aus Molybdän, aus Niob oder aus Zir-Schmiedevorgang od. dgl. umfaßt, der bei einer Tem- kon besteht. Der Ringraum 3 zwischen dem Emitter peratur .erfolgt, die gleich oder vorzugsweise höher 15 und der Hülse 2 ist von einem Zäsiumplasma angeist als diejenige, die beim Betrieb des Wandlers auf- füllt, welches man durch Erhitzen einer Zäsiumtritt, derart, daß bei der Abkühlung des Bauteils die menge 4 in einem Behälter 5 erhält, der mit dem äußere Hülse eine Vorspannung aufrechterhält. Ringraum in Verbindung steht.

Eine derartige Verarbeitung läßt sich mit den ver- Um die Hülse 2 herum ist koaxial eine äußere

schiedensten Mitteln und nach den verschiedensten 20 Hülse 6 angeordnet, und beide zylindrischen Hülsen 2

Verfahren durchführen, beispielsweise durch einen und 6 sind durch eine Isolierschicht 7 voneinander

magnetischen Schmiedevorgang, ein isostatisches isoliert. Jede der Hülsen 2 ist über Teile 8, 9 mit der

Preßverfahren oder ein Walzverfahren; vorzugsweise Emitterelektrode la der benachbarten Diode verbun-

besteht das Verfahren aber in einem Zusammen- den. Diese Verbindungsstücke 8* 9 müssen eine mög-

schmieden, welches mit Hilfe einer Reduzier- oder 35 liehst große elektrische Leitfähigkeit und eine mög-

Hämmermaschine durchgeführt werden kann. liehst kleine thermische Leitfähigkeit aufweisen. Sie

Die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolier- sind an der Kollektor- und an der Emitterelektrode

schicht, die aus Aluminium oder Aluminium mit durch Hartlöten befestigt.

Yttriumoxyd bestehen kann, kann nach einem der Die Teile 8 an den einzelnen Dioden haben Löcher

nachstehenden Verfahren ausgeführt werden: 3° 8 a, durch die das Zäsiumplasma in die Ringräume

a) Einsetzen von vorher (teilweise oder völlig) ge- innerhalb der verschiedenen Dioden eindringen kann, sinterten Ringen in einen Rohling, der die vor- Die verschiedenen zylindrischen Hülsen 6 der geformte äußere Hülse und die vorgeformte Dioden sind an den Stellen 10 miteinander .verinnere Hülse umfaßt. In diesem Fall erhält man schweißt und bilden den äußeren Mantel 11 des die pulverförmige Beschaffenheit durch das 35 Wandlers. Es kann dies beispielsweise durch Elek-Brechen im Laufe der transversal gerichteten tronenbombardement erfolgen.

Kontraktion; Der Wandler weist an seinen Enden Scheiben 12

b) Einlegen und Zusammenpressen in longitudi- und 13 auf, durch welche äußere Klemmen 14 und 15 naler Richtung eines ausgewählten feuerfesten luftdicht hindurchgehen, von denen die eine an die isolierenden Pulvers in eine Halterung, die wäh- *° Emitterelektrode der an einem Ende des Wandlers rend des Herstellungsverfahrens die innere und hegenden Diode und die andere an der Kollektorelekdie äußere Hülse fest miteinander verbindet; trode der an der anderen Seite des Wandler liegendiese Zusammendrückung kann im kalten oder ^de" D^lode angeschlossen ist. Die beiden Klemmen im warmen Zustand mit Hilfe zweier ringförmi- J⁴ _u ^un _u ^{d lf}> ^stehen ™ mechanischer Berührung mit den ger Kolben vorgenommen werden; ⁴⁵ Scheiben 12 und 13 Durch den äußeren Mantel 11

ν . . _ . ■ , . ,. . _TT... fließt ein Strom, dessen Starke tragbar erscheint

c) vorheriges Bespritzen der innenliegenden Hülse _(größ_enordnungsmäßig beträgt er 10 bis 15·/. der mit einem Belag des ausgewählten Isohermate- f^^ _{des Ges} ^B _amtstroms, _de ^S _{n der Wandler} liefert), rials. Dieses Verfahren laßt sich mit Hilfe einer _{Def Wand},_{er w{rd} . _ώ& _{Flüssi keit des Reaktoi}!_s Plasmafackel, einer Schoopschen Spritzpistole _{5oei teucht die für die} Abkühlung sorgt Er ist ge- oder auf andere Weise durchfuhren. Der Belag _b ⁶ _enenfalls ^t einer Isolierschicht bedeckt, die beiwird anschließend bearbeitet, beispielsweise J _{ielsweise aus aufgespr}itztem Aluminiumoxid bedurch Schleifen, um exakt definierte Abmessun- J_61n ^{6 F}

gen zu bekommen Das so gewonnene Element _ß \ . _{Anordnung dieser Art fließt die} Wärme

wird mit einem zylindrischen Rohimg bedeckt _w ^ . ^J _Rich . _&e Kühlflüssig-

und einem Schm.edevorgang unterworfen. _{kek ab Wegefl des} _Omck$ ^^ _Isolierstoff , f_n

In der Mehrzahl der Fälle muß man eine unter- dem Ringraum zwischen den beiden rohrförmigen schiedliche Dehnung der äußeren und inneren Hülse Hülsen aus Metall ausgesetzt ist, ist der Durchlaßstrikt vermeiden. Zu diesem Zweck kann man bei- querschnitt für den Wärmestrom hoch,
spielsweise die äußeren Enden der beiden Hülsen 60

durch eine geeignete mechanische Vorrichtung fest- Patentansprüche:
halten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dar- 1. Thermionischer Wandler, bestehend aus

gestellt. Darin zeigt mehreren zylindrischen, längs einer Achse hinter-

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen thermioni- 65 einander angeordneten und in Reihe geschalteten

sehen Wandler nach der Erfindung und Dioden, die jeweils aus einem von einer elektrisch

F i g. 2 einen Längsschnitt durch ein einzelnes leitenden, als Emitterelektrode dienenden Hülle

Kollektorbauteil. umgebenen Kernbrennstab und einem diesen im

Abstand koaxial umgebenden, als Kollektorelektrode dienenden Bauteil bestehen, bei dem die Kernbrennstäbe im Abstand voneinander angeordnet sind, bei dem jeweils die Emitterelektrode einer Diode mit der Kollektorelektrode der benachbauen Diode elektrisch leitend verbunden ist und bei dem die als Kollektorelektrode dienenden Bauteile der einzelnen Dioden miteinander verbunden und ihre Außenflächen von einem Kühlmedium umspült sind, dadurch ge-io kennzeichnet, daß jedes Kollektorbauteil aus zwei koaxial ineinanderliegenden Hülsen (2, 6) mit zwischen diesen befindlicher Schicht (7) aufgebaut ist, daß jede äußere Hülse (6) aus Metall mit hohem elektrische Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der inneren Hülse (2), besteht und unmittelbar mit den äußeren Hülsen benachbarter, Dioden (D₁, D₂... D_n) verbunden · ist, daß jede innere Hülse (2) aus Metall mit niedrigem elektrischem Widerstand, verglichen mit dem Widerstand der äußeren Hülse (6), besteht, Abstände zu den inneren Hülsen der beiden benachbarten Dioden (D₁, D₂ ... D_n) aufweist und mit der Hülse (1 b) des Kernbrennstabs (la) einer der beiden benachbarten Dioden (D₁, D,... D_n) verbunden ist und daß die Schicht (7) zwischen den Hülsen (2, 6) pulverförmig ausgebildet ist und aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit und hohen elektrischen Widerstandes besteht.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülse (6) aus einer Legierung auf der Basis von Titan besteht.
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3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung ein Hauptzuschlag zugefügt ist, der aus folgenden Metallen besteht: Aluminium, Yttrium oder Beryllium.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung noch einen zusätzlichen Zuschlag aufweist, der aus folgenden Metauen besteht: Molybdän, Vanadium, Zirkon.
5. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung 6 ⁰Zo Aluminium zugefügt sind.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung 2% Vanadium zugefügt sind.
7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (2) aus Wolfram oder Molybdän besteht.
. 8. Verfahren zur Herstellung eines Kollektorbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schmiedevorgang od. dgl. umfaßt, der bei einer Temperatur erfolgt, die gleich oder vorzugsweise höher ist als diejenige, die beim Betrieb des Wandlers auftritt, derart, daß bei der Abkühlung des Bauteils die äußere Hülse eine Vorspannung aufrechterhält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetischer Schmiedevorgang, ein isostatisches Preßverfahren oder ein Walzverfahren zur Anwendung gelangt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Hilfe einer Reduziermaschine durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolierschicht dadurch erfolgt, daß gesinterte Ringe in einen Rohling eingesetzt wer- **. den, der die vorgeformte äußere Hülse und die vorgeformte innere Hülse umfaßt.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einführen des isolierenden Pulvers eine Muffe oder Montagevorrichtung dient, die die Lage der äußeren und inneren Hülse während des Einführens fixiert, und daß das Pulver im kalten oder warmen Zustand mit Hilfe zweier ringförmiger Kolben in Längsrichtung zusammengedrückt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschaltung der pulverförmigen Isolierschicht dadurch erfolgt, daß zunächst auf die innere Hülse einer Schicht aus Isolierstoff aufgespritzt, diese anschließend mechanisch bearbeitet wird und das so gewonnene Element in einem zylindrischen Rohling eingeführt und einem Schmiedevorgang unterworfen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen