книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

теплового контакта термоэлемента с горячей и с холодной поверх­ ностями. Хороший тепловой контакт можно получить с помощью твердых припоев. Однако в этом случае конструкция становится жесткой, что может привести к разрушению термоэлементов или коммутации в результате термических напряжений, обусловленных температурными градиентами. Поэтому в некоторых генераторах термоэлементы прижимаются к тепловому блоку с помощью пружи­ нящих элементов конструкции.

Хороший тепловой контакт может быть обеспечен также исполь­ зованием жидкого припоя, но при этом необходимо предусмотреть меры, препятствующие утеканию или испарению припоя при дли­ тельной эксплуатации установки. Важной характеристикой преобра­ зователя (влияющей на его конструкцию) является стойкость термо­ электрического материала к окислению и сублимации при высоких рабочих температурах. К числу наиболее распространенных термо­ электрических материалов, используемых в высокотемпературных изотопных генераторах, относятся теллурид свинца и кремнийгерманиевый сплав. Термоэлектрические и механические свойства этих материалов достаточно хорошо изучены (см. гл. 4). Элементы из теллурида свинца широко использованы в генераторах типа СНАП-3 и СНАП-7. Испытания этих установок показали, что термо­ электрические характеристики теллурида свинца падают в процессе эксплуатации из-за его окисления (при температурах выше 300° С)

исублимации (при 500° С и выше). Для предотвращения окисления

исублимации поверхность термоэлемента из теллурида свинца по­ крывают герметизирующими материалами, такими, как окись цир­ кония, окись алюминия и другими, или заключают элементы в ам­ пулы с инертной атмосферой.

Элементы из кремний-германиевого сплава впервые были при­ менены в отечественных изотопных источниках тока на полонии-210 (см. § 7.5). Кремний ■— германий имеет довольно высокую тепло­ проводность, поэтому его коэффициент эффективности ниже, чем у других известных материалов. Однако он обладает хорошей ме­ ханической прочностью и высокой (900— 1000° С) рабочей темпера­ турой, что делает его конкурентоспособным для использования в кос­ мических установках. В последнее время появились сообщения о разработке каскадных термоэлементов на основе SiGe — РЬТе, имеющих более высокие термоэлектрические характеристики. Од­ нако данные относительно этих характеристик и срока службы тер­ моэлементов ограничены.

Т е п л о и з о л я ц и я . В действующих конструкциях изо­ топных термогенераторов секция преобразования занимает лишь часть поверхности теплового блока, остальная поверхность закрыта теплоизоляцией. Теплоизоляция располагается также в зазорах между термоэлементами. В хорошей конструкции генератора тер­ моэлементы должны занимать максимальную поверхность теплового блока, а площадь, закрываемая теплоизоляцией, должна быть ми­ нимальной. Поскольку теплоизоляция шунтирует тепловой поток,

156

проходящей через термоэлементы, она должна иметь очень низкую теплопроводность. Кроме того, изоляционный материал должен обладать хорошей механической прочностью и радиационной стой­ костью. В некоторых установках (например, типа «Бета») тепло­ изоляция выполнена в виде металлических пластин, пространство между которыми заполнено инертным газом.

В табл. 7.8 приведены коэффициенты теплопроводности термо­ изоляционных материалов, используемых в конструкциях отечест­ венных изотопных генераторов.

Т а б л и ц а 7.8

Теплопроводность изоляционных материалов, используемых

в отечественных термогенераторах [9]

В конструкциях американских изотопных генераторов исполь­ зуются в основном термоизоляционные материалы, разработанные фирмами «Джонс Менсвилл» и «Оуэнс Корнинг Фибергласс». Ха­ рактеристики этих материалов приведены в табл. 7.9. Наиболее часто используемый теплоизоляционный материал — изоляция типа Мин-К, которая применена в установках типа СНАП. Эта изоляция состоит из кварцевой пудры, асбестового волокна, двуокиси титана и фенольного биндера. За последнее время разработана новая изо­ ляция следующего состава: кварцевая пудра (размер частиц менее 1 мкм) — 75 вес. %, кварцевое волокно — 4 Ч- 8 вес. %, двуокись титана (размер частиц до 5 мкм) — 16 вес. %. Удельный вес мате­ риала 320 кГ/м3, коэффициент теплопроводности на воздухе при 316° С и давлении 1 атм 0,03 вт/(м-град), в среде аргона при дав­ лении 1 атм — 0,026 вт/(м ■град) и в вакууме — 0,016 вт/(м • град).

157

Изоляция слабо поглощает газы и практически не взаимодействует с термоэлектрическим материалом [10].

Следует заметить, что некоторые пористые термоизоляционные материалы поглощают значительные количества газов. Последние, выделяясь в процессе эксплуатации, ухудшают термоэлектрические характеристики термоэлементов. В этом отношении особенно неже­ лателен кислород. В процессе предварительного вакуумирования генератора СНАП-9А были обнаружены кислород, водород, метан и этан. Проверка показала, что источником газовыделения оказа­ лась изоляция типа Мин-К [4]. Поэтому при выборе термоизоля­ ционных материалов предпочтительнее те, которые могут быстро обезгаживаться.

По данным Г. М. Фрадкина и др. [1], термоизоляционные ма­ териалы, используемые в современных конструкциях изотопных генераторов, позволяют снизить непроизводительные потери тепла через изоляцию, минуя термоэлектрический преобразователь, до

10— 15%.

К о р п у с г е н е р а т о р а . Связующее звено между преоб­ разователем и окружающей средой — корпус генератора, выполня­ ющий несколько функций. Он может отводить отработанное тепло от секции преобразователя и рассеивать его в окружающее прост­ ранство, которое в данном случае играет роль холодильника тепло­ вой машины. Корпус защищает тепловой блок, преобразователь и другие внутренние элементы от воздействия внешней среды, а в случае заполнения полости генератора инертным газом обеспечивает ее герметичность. Корпус используется как составной элемент в си­ стеме регулирования мощности, является предварительным барь­ ером для тепловых и химических воздействий на генератор в случае аварии и т. п. Обычно корпус генератора изготавливается из легких материалов, поскольку он имеет относительно низкие рабочие тем­ пературы и не играет существенной роли в обеспечении радиацион­ ной безопасности.

Тепло, прошедшее через корпус генератора, может быть передано путем излучения и конвекции воде, воздуху и твердому телу (поч­ ва, лед) или через излучение — в космическое пространство. При низ­ ких уровнях электрической мощности (10— 15 вт) поверхность кор­ пуса может быть гладкой, а при мощности выше 20 вт используется

излучатель с оребренной поверхностью. Оребренным корпусом снабжаются также и крупные наземные генераторы для увеличения эффективной поверхности теплообмена.

Плотность теплового потока, отводимого от современных изо­ топных термогенераторов, находится в пределах 1000—3000 вт/мг

[11]. Такой сравнительно низкий тепловой выход не вызывает за­ метного увеличения температуры окружающей среды, поэтому обес­ печение необходимого теплоотвода у наземных установок не пред­ ставляет серьезной проблемы. Напротив, отвод тепла излучением у генераторов космического назначения является довольно сложной инженерно-технической задачей.

158

Теплоотвод лучеиспусканием описывается законом Стефана — Больцмана

5,67 -10~8 вт/(м2 ■град); S — эффективная площадь излучающей поверхности, м2; ТГ — эффективная температура поверхности ге­ нератора, ° К; Тх — температура окружающей среды, ° К. В урав­

нении (7.2) рассматриваются эффективные площади и температуры, поскольку излучатель может быть оребренным и температура по­ верхности может меняться от точки к точке.

Согласно уравнению (7.2) для эффективного отвода тепла необ­ ходимо, чтобы излучатель имел либо очень высокую температуру, либо значительную площадь. Но максимальные значения эффек­ тивности известных термоэлектрических материалов лежат в низко­ температурной области. Поэтому при разработке конструкции гене­ ратора приходится искать компромисс между этими двумя взаимо­ исключающими тенденциями. Кроме того, в космосе излучения Солнца и Земли увеличивают среднюю температуру окружающей среды.

Увеличение эффективности теплоотвода в космических гене­ раторах обычно достигается применением специальных материалов (краски, эмали) для покрытия поверхности излучателя. При раз­ работке таких материалов желательно обеспечить высокую излу­ чательную способность поверхности в инфракрасной области (500— 1200° С) и низкий коэффициент поглощения в области спектра солнечного излучения (максимум излучения соответствует темпера­ туре 12500° С).

Характеристики материалов, которые могут быть использованы для покрытия излучателей, приведены в табл. 7.10. Нижняя тем­ пература 562° С соответствует температуре внешней оболочки косми­ ческого корабля, а верхняя температура 1250°С относится к радиа­ тору сбросного тепла преобразователя энергии [11]. Как видно из

могут быть использованы черные покрытия в виде анодированных

ловой мощности по мере распада изотопа. На рис. 7.5 показано из­ менение тепловой мощности со временем для некоторых радиоактив­ ных изотопов, используемых в качестве источников тепла. Тепловая мощность короткоживущих изотопов (полоний-210, кюрий-242, церий-144) падает довольно быстро. Так, мощность генераторов на полонии-210 и кюрии-242 через 3—4 месяца уменьшится более чем

159

вдва раза, а электрическое питание потребителя (например, элект­ ронной аппаратуры) должно быть постоянным во времени. Отсюда возникает необходимость регулирования мощности таким образом, чтобы через термоэлементы проходил постоянный тепловой поток

втечение всего срока службы генератора.

Разработано несколько способов регулирования мощности, осно­ ванных на различных принципах. Некоторые из этих способов при­ ведены ниже.

Тепловой поток от источника тепла пропускается через специаль­ ные окна, которые постепенно закрываются с помощью механическо­ го устройства (рис. 7.6). Система состоит из резервуара с жидким металлом (NaK-78), укрепленного на тепловом блоке, шарнир­ но-поршневого механизма, двух створок и вспомогательного излуча­ теля. Резервуар с NaK-78 имеет тепловой контакт с изотопной ам­ пулой, и изменение температуры последней передается резервуару, что в свою очередь вызывает расширение или сокращение сильфона

160

иперемещение прикрепленного к нему поршня. Движение поршня

спомощью рычажного механизма передается подвижным шторкам. Система отрегулирована таким образом, что в начальный период работы, когда тепловой блок дает избыточное количество тепла, шторки полностью открыты и избыток тепла сбрасывается излуче­ нием. К концу срока службы мощность источника падает, и шторки закрываются. Внутренняя поверхность шторок покрыта благород­

ным металлом, хорошо отражающим тепловое излучение. Это де­ лается для снижения тепловых потерь, когда шторки находятся

взакрытом положении. Слабое зве­ но этой системы регулирования — механическая рычажная передача, которая снижает надежность ра­ боты генератора. Аналогичная си­ стема применена в генераторе СНАП-11.

Полость генератора заполняют инертным газом, который служит тепловым шунтом. Газ медленно вытекает через небольшое отвер­ стие, постепенно увеличивая тем самым термическое сопротивление шунта. Этот принцип использован

вустановке СНАП-ЗВ.

Поверхность излучателя покры­

вают сублимирующим материалом Рис. 7.5. Зависимость тепловой мощности от времени.

с высокой излучательной способ, ностью. По мере сублимации по­

крытия излучательная способность генератора падает. При этом можно подобрать такое покрытие, скорость сублимации которого соответствовала бы скорости распада изотопа.

Если в качестве топлива используются долгоживущие изотопы (плутоний-238, кюрий-244, стронций-90), необходимость в системе регулирования мощности практически отсутствует.

следующими основными факторами: прямое облучение проникающим излучением, испускаемым источником; попадание радиоактивного вещества внутрь организма в результате вдыхания или заглаты­ вания.

Прямое облучение в общем случае менее опасно, поскольку почти всегда можно создать необходимую защиту. Изотопные генераторы должны быть оборудованы радиационной защитой того или иного типа, ослабляющей излучение изотопа до допустимых уровней дозы. Доза облучения может изменяться в зависимости от назна­ чения генератора и характера его эксплуатации. Однако все изотопные генераторы должны удовлетворять правилам Между­

народной коммерческой комиссии на транспортировку радиоактив­ ных материалов. Эти правила сводятся к ограничению мощности дозы облучения до 200 мр/ч на поверхности транспортного контей­ нера и до 3 мр/.ч на расстоянии 1 м от его поверхности [4].

Большинство а-излучателей не требует специальной защиты. а-Частицы, возникающие в результате ядерных превращений,

13 — вспомогательный излучатель.

полностью поглощаются стенками топливной ампулы. а-Распад обычно сопровождается испусканием у-квантов и нейтронов. Ней­ троны образуются при взаимодействии а-частиц высоких энергий с ядрами в результате (ая)-реакций. Эти реакции возникают в боре, бериллии, кислороде и других легких элементах, присутствующих в топливе как примеси. Например, среднее число нейтронов, обра­ зующихся в полониевом топливе из-за наличия примесей, достигает 100—200 нейтрон!(сек-кюри). Это обстоятельство налагает опре­

деленные требования на чистоту изотопного топлива. Энергия

162

ронов слабо меняется с течением времени, но интенсивность у-из- лучения может возрасти до значительных уровней по мере накоп­ ления продуктов деления. На рис. 7.7 приведена зависимость мощ­ ности дозы от тепловой мощности источника, полученная в работе [4J. Значения мощности дозы вы­

поглощаются стенками топливной ампулы. Вторичное у-излучение, сопровождающее Р-распад, не представляет серьезной проблемы в отношении защиты, поскольку его интенсивность очень мала, хотя энергия достигает 2 Мэе (например, у продуктов распада це-

рия-144). Существенную биологическую защиту требует тормозное у- и рентгеновское излучения, возникающие в процессе замедления р-частиц в веществе электрическими полями его атомов. Максималь­ ная энергия тормозного излучения очень близка к энергии тормозя­ щихся р-частиц.

На рис. 7.8 приведена зависимость толщины защиты от тепловой мощности различных Р-излучателей. Кривые рассчитаны в пред­ положении, что точечные источники окружены свинцом и мощность

к защите для различных P-активных источников тепла.

Т а б л и ц а 7.11

Характеристики источников нейтронов спонтанного деления

Защита изотопных генераторов наземного назначения, как пра­ вило, располагается за корпусом генератора и используется в ка­ честве транспортного контейнера. Ее вес достигает нескольких сот килограммов. Наилучшими материалами для защиты от у-излуче- ния являются обедненный уран, вольфрам и свинец, а от нейтронно­ го излучения—■водородсодержащие соединения, бериллий и другие материалы с низким атомным весом. В космических генераторах,

когда требуется снизить дозу облучения дл-я некоторых осо­ бенно чувствительных узлов электронного оборудования, ис­ пользуется теневая защита. К таким узлам относятся герма­ ниевые и кремниевые транзисто­ ры, кремниевые диоды, бумаж­ ные конденсаторы и другие ком­ поненты электроники,способные удовлетворительно работать при дозе не выше 106 — 107 р по

у-излучению и плотности инте­ грального потока 1012— 1015 ней­ трон/см*2 [4].

Попадание радиоактивного изотопа внутрь организма наи­ более опасно с точки зрения биологического воздействия. Оно может

произойти либо в случае аварии генератора и разрушения топлив­ ной ампулы, либо при нарушении нормальных условий эксплуата­ ции (например, при входе генератора космической установки в атмо­ сферу). Поэтому конструкция топливной ампулы и теплового блока должна обеспечивать полное удержание радиоактивного изотопа при любых обстоятельствах. Если же полное удержание невозможно, то должно быть обеспечено разбавление изотопа до концентраций, не превышающих допустимого уровня.

Такое разбавление возможно лишь в атмосфере или в океане, поскольку только две среды (стратосфера и глубинные воды морей)

164

имеют области, в которых радиоактивный изотоп может находиться в течение длительного времени, прежде чем попадет в биосферу. Среднегодовые допустимые концентрации радиоактивных изотопов в воде и воздухе, а также максимально допустимое содержание их в организме даны в табл. 7.12.

Наиболее существенную и дорогостоящую часть программы раз­ работки радиоизотопного генератора составляют его испытания. Можно предсказать общие характеристики того или иного элемента конструкции, но определить реальные физические параметры но­ вого узла или системы в целом часто удается только эксперимен­ тально.

§ 7.4

Наземные изотопные термогенераторы

В в е д е н и е . Первые наземные радиоизотопные генераторы разработаны для питания аппаратуры автоматических радиометео­ рологических станций. До последнего времени основным источником питания таких станций были кадмиево-никелевые батареи с под­ зарядкой от ветроэлектрического двигателя. Эти двигатели нор­ мально работают при скоростях ветра более 3 м!сек. Однако сильные

порывы ветра для них нежелательны из-за возможного повреждения механической части оборудования. В связи с этим ветроэлектри­ ческие двигатели оказываются непригодными в районах длитель­ ного безветрия и зонах ураганных ветров. Применение химических батарей без подзарядки требует большого количества этих батарей и частой их замены, что сокращает срок службы' и надежность ра­ боты метеорологической станции. Весьма привлекательным ока-

165