1. Основные сведения о
термоэмиссионных преобразователях.
Различные типы ТЭП
разрабатываются для питания систем и оборудования КЛА, в особенности КЛА с
ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1 - 1 кВт целесообразно
применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВт предпочтительны ЯРТЭП,
которые наиболее перспективны для космических АЭУ длительного действия.
Достоинства ТЭП - большой ресурс, относительно высокий КПД и хорошие удельные
энергетические, а также массогабаритные показатели. В настоящее время выполняют
ЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом
ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора. Возможно и раздельное
исполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.
Недостатки ТЭП состоят в нестабильности характеристик и
изменении межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также в
технологических затруднениях при выполнении малых зазоров между электродами,
необходимости компенсации объемного заряда электронов в межэлектродном зазоре.
Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭП
последовательно соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал
(ЭГК), размещаемый в активной зоне ректора. Уменьшение объема активной хоны
ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК из
реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ может
подводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой устройства для
передачи тепла от нагревателя к потребителю (или холодильнику) посредством
использования для поглощения и выделения тепла фазовых (газожидкостных)
переходов рабочего тела. перемещение рабочего тела осуществляется капиллярными
силами (при наличии "фитиля" или пористого элемента конструкции
тепловой трубы), центробежными и электромагнитными силами в зависимости от
конкретного устройства тепловой трубы.
Для получения
необходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения) ЭГК соединяют по
последовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и газонаполненные ТЭП,
причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют лучшие показатели. Их
характеризуют удельная масса ЭГК G*= 3 10 кг/кВт,
поверхностная плотность мощности Р*= 100 200 кВт/м2 (на
единицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока
эмиттера J = 5 8 A/cм2, КПД преобразования тепла в электроэнергию = 0,15 0,25, рабочий ресурс -
более 104ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее время
применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовления
межэлектродных зазоров порядка 10-2 мм, при которых возможны удовлетворительные эксплуатационные
показатели преобразователей.
2. Физические основы работы
термоэмиссионных преобразователей.
Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте
Эдисона) - испускании электронов нагретым металлическим катодом (эмиттером).
Физическими аналогами вакуумных и газонаполненных ТЭП могут служить электронные
лампы - вакуумные диоды и газотроны. В отдельных случаях вследствие упрощения
эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП, но лучшие характеристики
имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парами легкоионизирующегося металла -
цезия (Сs). Различают межэлектродные газовые промежутки ТЭП с частичной и
полной ионизацией. Последние принадлежат к плазменным ТЭП, которые можно
относить к контактным преобразователям.
Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале на
примере анализа плоской вакуумной модели элементарного генератора (рис. 1.)
Промежуток между металлическими
электродами - катодом (эмиттером) 1 и анодом (коллектором) 2, заключенными в
вакуумный сосуд 3, откачан до давления 0,133 мПа (примерно 10-6 ммрт. ст.). Электроды
и их выводы 4 изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая
энергия Q1, и он нагревается до температуры Т1 2000К. Коллектор
поддерживается при температуре Т2 < Т1
вследствие отвода от него тепловой энергии Q2.
Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от его
химической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми. Это тот
(наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при температуре
Т=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии уровня Ферми
всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Ферми мало зависит
от Т.
Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП -
электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах
"Топас" (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической
мощностью ЭГБ до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом с
жидким цезием при Т 600 К, испаряющимся
вследствие низкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ
в ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации Ц=3,9 В, причемЦ < K. При соударении с горячей поверхностью катода
атомы Сs отдают катоду электрон. Положительные ионы Сs+нейтролизуют объемный заряд электронов в
зазоре . в диапазне давления
паров Cs до 100 Па при температуреТ1 <
1800 К достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение (х) в для этого режима
близко к линейному закону. При 0,1 мм эффективность ТЭП
повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясь
преимущественно на аноде сТ2 <
Т1 , они снижают его
работу выхода.