DE19602875A1 - Leichte Isotopenbatterie - Google Patents
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Description
Radionuklidbatterien sind seit der Moseleyschen Anordnung von 1913 mit Direktumwandlung
der Beta-Elektronen in Hochspannungselektrizität in vielen weiteren Variationen bekannt (A. Scharmann,
"Energie-Direktumwandlung - Radionuklidbatterien, Thiemig Verlag München
1967) und werden trotz der hohen Kosten und des hohen Gewichtes in speziellen Aufgaben,
z. B. in der Raumfahrt verwendet. Beispiele sind die SNAP7-Batterie mit Strontium-90, die mit
6 Jahren Lebensdauer 5 Watt elektrisch liefert und eine Masse von 750 kg hat. Die LOG 25A
Batterie liefert 25 Watt Leistung und hat eine Masse von 1350 kg.
Die bisher hergestellten Batterien hatten deshalb einen sehr geringen Wirkungsgrad, da die
Energieumwandlung thermoelektrisch, oder über Lumineszenz photoelektrisch oder mit sehr
ineffizienter Photoemission betrieben wurde. Eine besondere Verbesserung wird erzielt, wenn
die Betaaktivität eine direkte elektronische Anregung der beteiligten Gasatome erzeugt, wobei
bis 50% der Elektronenenergie in eine schmalbandige Excimerlinie übergeht. Wenn nun eine
photovoltaische Zelle gefunden wird, deren Anregungsenergie nicht viel unter diesem
Excimerband liegt, kann man einen sehr hohen (bis 60% und mehr) Wirkungsgrad der
Photozellen erhalten, wobei sich insbesondere die neuen Diamant p-n-Übergänge, hergestellt im
preisgünstigen CVD-Verfahren [Hora und Prelas, Diamond and Related Materials, 4, 1376
(1995)] besonders bewähren (Prelas und Hora, Deutsche Offenlegungsschrift 43 00 225.A1).
Ein Problem bei diesen Batterien ist die Entfernung des Zerfallsproduktes der Edelgase, das
in Alkaliatomen besteht (z. B. Rubidium oder Kalium). Verschiedene Vorschläge mit
Kühlfingern oder Getterprozesse wurden diskutiert. Eine Lösung dieses Problems mit
gleichzeitiger Nutzung und Verbesserung der RNB besteht darin (Ch. Scheffel, Deutsche
Patentanmeldung Nr. 196 00 607.4), daß dem Edelgas eine stöchiometrische Menge Chlor oder
Fluor zugegeben wird, mit dem das Betazerfallsprodukt sofort reagiert und ein Halogensalz
bildet, das sich an der Innenwand der RNB niederschlägt, die mit der photovoltaischen Schicht
überzogen ist. Die niedergeschlagene Schicht ist optisch bis ins Vakuum-UV durchsichtig, so
daß die Excimerstrahlung die darunter liegende photovoltaische Schicht erreicht und sich dort
wie ohne die Schicht in Elektrizität umwandelt. Der Vorteil der Schicht besteht aber weiterhin
darin, daß damit ein Schutz der photovoltaischen Schicht vor den an die Wand auffallenden
Betaelektronen gegeben wird sowie die Röntgen- und (im Fall von Krypton-85) die Gamma-
Strahlung absorbiert wird, womit die photovoltaische Schicht vor der Entstehung von
Strahlungsdefekten geschützt wird.
Bei der Entwicklung dieser RNB mit dem Ziel eines kleinstmöglichen Volumens und einer
kleinsten Masse ergaben sich die Schwierigkeiten, daß bei hohen Drücken der
Excimermechanismus beeinträchtigt wird und/oder durch den Zusatz der Halogengase der
Anteil der Excimerstrahlung sich durch strahlungslose Excimerübergänge verringert.
Erfindungsgemäß wird das dadurch überwunden, daß das kleinstmögliche Volumen und die
kleinstmögliche Masse der RNB erreicht wird, indem die Batterie mit optimalen Eigenschaften
ausgestattet wird, wobei Variationen der erfindungsgemäß gegebenen optimalen Werte um plus
minus 30% abgedeckt werden. Einige Beispiele für die erfindungsgemäßen Optimalwerte einer
Batterie werden im folgenden gegeben. Mit Krypton-85 für 500 Watt elektrische Leistung bei
zweÿährigem Betrieb (Anfangsleistung 567,75 Watt) ist bei Isotopenanreicherung im Gas von
50% (respektive 19%) mit einer Photovoltaik mit Diamantschichten der Fülldruck von 385
(330) bar, eine Betriebstemperatur von 325,7 (219,5) Grad Celsius und eine Wanddicke eines
kugelförmigen Druckbehälters aus Beryllium von 1,36 (1,57) cm. Der Außendurchmesser ist
26.08 (43.69) cm. Die Masse einschließlich Abschirmung mit Uran gegen die Elektronik
beträgt 36.25 (107.42) kg. Ohne Abschirmung ist die Gesamtmasse der Batterie 15.37 (60,2) kg.
Wenn man anstelle von Diamant-p-n-Photovoltaik solche mit GaAsP (Wirkungsgrad 9.5%)
verwendet, ist die Gesamtmasse für 50%ig (bzw. 10%ig) angereichertes Krypton-85-Isotop im
Gas 77.21 (bzw. 245.4 kg).
Im einzelnen sind die erfindungsgemäßen Eigenschaften der RNB die folgenden
Werte. 100 Watt RNB wird Krypton-85-Füllung mit Uranabschirmung für Elektronik mit
einem Gewicht von 102 kg und 3.3 Liter Volumen und bei Bleiabschirmung 122 kg und 27
Liter gegeben. Für eine 100 Watt RNB mit Argon-39-Füllung sind mit Uranabschirmung für
Elektronik das Gewicht 100 kg und das Volumen 3 Liter, und mit Bleiabschirmung 105,5 kg
bei 2,7 Liter.
Claims (11)
1. Radionuklidbatterie unter Verwendung von Betastrahlern, gekennzeichnet dadurch, daß die
Umwandlung der Energie der Betaelektronen in Excimergasen erfolgt mit photovoltaischer
Umwandlung der Excimerenergie in Elektronenergie mit einem Druck des Excimergases nicht
mehr als 30% Abweichung vom Optimalwert für geringste Verluste durch strahlungslose
Excimerübergänge;
2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Betastrahler Gase
verwendet werden;
3. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als
Betastrahler Edelgasisotope verwendet werden;
4. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als
Betastrahler Tritium verwendet wird;
5. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß als
Betastrahler Moleküle mit betastrahlenden Isotopen verwendet werden;
6. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das
Excimergas in einem kugelförmigen Behälter untergebracht wird;
7. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der
Druckbehälter Beryllium ist;
8. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der
Druckbehälter aus Kohlefasern oder Daimant besteht;
9. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die
photovoltaische Energieumwandlung mit p-n-Schichten erzeugt wird;
10. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die
photovoltaische Energieumwandlung mit p-n-Übergängen großer Bandbreite nah der
Excimerlinie bewerkstelligt wird,
11. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die
photovoltaische Energieumwandlung mit Diamant-p-n-Schichten bewerkstelligt wird.
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Publications (1)
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| DE19602875A1 true DE19602875A1 (de) | 1997-07-31 |
Family
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Cited By (6)
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-
1996
- 1996-01-29 DE DE19602875A patent/DE19602875A1/de not_active Withdrawn
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