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

залось использование для этих целей радиоизотопных термогене­ раторов, обладающих большой энергоемкостью, длительным сроком службы и высокой надежностью. Эти генераторы успешно работают на многих автоматических метеорологических станциях Земного шара.

Другая область применения наземных радиоизотопных гене­ раторов— подводные установки, используемые для научно-техни­ ческих, военных и других целей. Впервые в этой области радио­ изотопы были применены для контроля движения прибрежных пе­ сков под действием морских волн, а затем для изучения скоростей потоков подводных течений, их направлений, условий перемешива­ ния слоев воды на различных глубинах. Позднее были начаты ра­ боты по определению возможности использования изотопных гене­ раторов как источников питания аппаратуры глубоководных уст­ ройств. В частности, было показано, что радиоизотопные источники тока могут быть применены при добыче нефти для управления обо­ рудованием, установленным на дне моря.

В этом случае требуется мощность от сотен ватт до нескольких киловатт. Такие генераторы могут снабжать электроэнергией под­ водные необитаемые и обитаемые станции (требуемая мощность 10—30 кет). Ниже рассматриваются характеристики и устройство

некоторых изотопных генераторов наземного назначения.

Г е н е р а т о р ы т и п а « Б ета » . В соответствии с програм­ мой разработки наземных изотопных термогенераторов Всесоюзным научно-исследовательским институтом радиационной техники со­ вместно с другими организациями была начата разработка серии изотопных источников тока электрической мощностью несколько ватт, предназначенных для питания автоматических радиометеоро­ логических станций. Установки этой серии получили название «Бета», поскольку в качестве топлива в них использовались (3-активные изотопы.

Первым генератором серии «Бета» был экспериментальный об­ разец источника тока мощностью 5,3 вт, работающий на церии-144

(«Бета-1»). Основные характеристики установки «Бета-1» приведены в табл. 7.13.

Топливо в виде молибдата церия загружается в вольфрамовый цилиндр. Диаметр цилиндра 100 мм, толщина боковой стенки 20

иднища 40 мм. Цилиндр закрывается полусферической крышкой

ипомещается в два коаксиальных цилиндра, изготовленных из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Стальные оболочки закрываются крышками и герметизируются аргонодуговой сваркой.

Тепловая мощность источника измерялась с помощью специаль­ но изготовленного калориметра. Измеренные результаты с хорошей точностью совпали с расчетными данными, полученными с учетом тепловыделения в результате поглощения (3-частиц и у-квантов, испускаемых церием-144 и празеодимом-144. При этом не учитыва­ лись потери тепла, обусловленные тормозным излучением, посколь-

166

Т а б л и ц а 7.13

Характеристики изотопных генераторов типа «Бета»* [1, 13]

* Характеристики относятся к начальному периоду работы установок.

ку энергия этого излучения составляет 1—2% полной энергии рас­ пада и большая ее часть поглощается материалами теплового блока.

Термоэлектрический преобразователь, состоящий из 97 термопар, заключен в специальную оболочку, опирающуюся на одну из тор­ цевых поверхностей теплового блока. Для обеспечения максималь­ ного теплового потока через преобразователь тепловой блок окру­ жен специальными тепловыми экранами с заполнением пространства между ними инертным газом. Термоэлементы из тройных сплавов на основе висмута, сурьмы, селена и теллура имели сечение 5 х X 5 мм и высоту 20 мм. Коммутация осуществлялась мягким при­

поем, позволяющим работать в диапазоне 300—500° С. Для предо­ хранения от окисления горячие спаи термоэлементов покрывали тонким слоем специальной эмали.

Поддержание постоянного температурного режима термоэлект­ рического преобразователя обеспечивалось системой регулирования отвода тепла, состоящей из экранов и регулятора с редуктором. По мере снижения тепловой мощности источника в результате распада изотопа излучающая поверхность теплового блока уменьшается, вследствие изменения положения регулирующих экранов. Меха­ низм теплового регулятора приводится в действие пружиной с элект­ рическим подзаводом. Тепловой блок, термоэлектрический преоб­ разователь и система регулирования потока тепла заключены в ци­ линдрический корпус.

167

Биологическая защита генератора состоит из двух контейне­ ров— рабочего и транспортного. Рабочий защитный контейнер сни­ жает мощность дозы облучения до 1 р/ч, а защита транспортного контейнера—до 10 мр/ч на расстоянии 1 м от генератора. Рабочий

контейнер имеет съемное оребрение из 64 прямоугольных ребер, которые позволяют обеспечить температуру холодного спая, близ­ кую к температуре окружающего воздуха. В качестве материалов защиты использованы вольфрам и свинец. Вес генератора с рабочим контейнером 400 кГ, а с транспортным— 1200 кГ.

Испытания установки «Бета-1» проводились в 1963 — 1964 гг. под Москвой. Генератор работал на зарядку аккумуляторной ба­ тареи емкостью 12 а/ч, которая питала автоматическую радиометео­

рологическую станцию типа АРМС-Н, работающую в импульсном режиме при напряжении 26 б и токе 6 а. В процессе эксплуатации генератора с использованием автоматической записи контролирова­ лись такие параметры, как напряжение, ток, рабочие температуры и др. Установка работала без транспортного контейнера и поэтому была несколько заглублена в землю, чтобы снизить мощность дозы излучения.

Выходная мощность генератора составляла 5,3 вт. Метеороло­

гическая станция включалась на рабочий режим через каждые два часа. При таком режиме станция проработала около двух месяцев, а затем была переведена на трехчасовой режим. В сочетании с ак­ кумуляторной батареей генератор «Бета-1» обеспечивал работу приборов станции в импульсном режиме мощностью 160—200 вт. Установка непрерывно работала 8800 ч (из них 4300 ч в составе стан­ ции АРМС-Н) и выработала около 25 квт-ч электроэнергии [1].

Эксплуатация генератора прошла успешно и позволила проверить теилофизические параметры установки, эффективность биологиче­ ской защиты, условия теплообмена с окружающей средой и другие характеристики. Доклад об установке «Бета-1» был представлен на III Женевскую конференцию 1964 г.

В 1964 г. разработан и изготовлен изотопный термогенератор «Бета-2» электрической мощностью 7,3 вт на основе стронция-90.

По своему конструктивному оформлению генератор «Бета-2» (рис. 7.9) аналогичен установке «Бета-1». Основные характеристики генератора приведены в табл. 7.13. Изотопный генератор имеет два контейнера: рабочий — цилиндрической формы, диаметром 350 мм и высотой 400 мм и транспортный. Вес генератора с рабочим контей­ нером 150 кГ, вес транспортного контейнера без генератора 500 кГ. Рабочий контейнер снижает мощность дозы излучений до 1 р/ч, а транспортный— до \0мр/ч на расстоянии 1 м от генератора, что поз­

воляет перевозить установку любым видом транспорта. Изотопный генератор «Бета-2» имеет систему преобразования, которая обеспе­ чивает получение напряжения до 32 в и может питать различные схемы, работающие в импульсном режиме мощностью до 100 вт.

В 1965 г. генератор «Бета-2» демонстрировался на Лейпцигской

168

тервале 20—270° С к. п. д. 6%, могут работать в течение 30 000 ч

(по данным испытания «Бета-2»); б) исследование свойств экранной теплоизоляции с заполнением

пространства между экранами инертным газом (аргон, ксенон) позволило увеличить долю тепла, проходящего через преобразова­ тель, до 85—90%;

в) усовершенствование конструкции биологической защиты поз­ волило увеличить выходную мощность генератора в два раза и сни­ зить вес до 120 кГ.

Результаты испытаний установок типа «Бета» позволили сде­ лать вывод о том, что в генераторах, предназначенных для питания автоматических метеорологических станций, наиболее целесообраз­ но использовать такие (^-активные изотопы, как стронций-90 и це- рий-144. Опыт эксплуатации генераторов типа «Бета» показал пер-, спективность их использования для метеорологических станций, что позволило начать серийный выпуск этих установок. В ближайшее время десятки таких станций с изотопными термоэлектрическими генераторами будут установлены в различных районах нашей страны [1].

Помимо вышеуказанных генераторов на церии-144 и стронции-90 в 1964 г. был разработан и поставлен на опытные испытания изо­ топный термогенератор подводного назначения на цезии-137, который выработал более 200 кет • ч электроэнергии. Закончена

также разработка нескольких типов изотопных термогенераторов на основе плутония-238 и кюрия-242 [9]. Например, разработан портативный термогенератор электрической мощностью порядка I вт [МИГ-67]. В качестве топлива в нем используется плутоний-238; вес генератора 0,5 кГ, а всей установки — 5 кГ. Установка МИГ-67

размером с обычный транзисторный приемник предназначена для питания различных лабораторных устройств. Этот генератор можно также использовать как походную электростанцию. Изготовлен изотопный генератор на кюрии-242 с к. п.д. 8— 10%, в котором ис­ пользуются каскадные термоэлементы, работающие в диапазоне температур 300—850° К-

Г е н е р а т о р ы с е р и и СНАП-7. В 1959 г. фирма «Мар­ тин» по контракту с КАЭ приступила к разработкам радиоизотоп­ ного генератора мощностью 5 вт на стронции-90. Генератор пред­

назначался для питания аппаратуры метеорологической станции. В августе 1961 г. генератор вместе с телеметрической аппаратурой был установлен на необитаемом острове Акселия — Хейнберг, в 1100 км от Северного полюса, где успешно проработал в течение

двух лет.

Генератор имел тепловой блок цилиндрической конфигурации, вокруг которого размещались термоэлектрические элементы из теллурида свинца. Между преобразователем и стальным корпусом ге­ нератора располагалась биологическая свинцовая защита толщиной II см. В топливную ампулу из хастеллоя-С загружалось 17 500 кюри

стронция-90 в виде титаната стронция. Коммутация термоэлементов

171

По горячей стороне осуществлялась стальными пластинками, а по холодной — медными зажимами. Для обеспечения надежного тепло­ вого контакта зазор между защитой и преобразователем заполнялся ртутью. Успешное испытание этой установки способствовало раз­ работке программы СНАП-7.

В 1961 г. фирма «Мартин» по заданию ВМФ США начала работы по программе СНАП-7. Генераторы этой серии рассчитаны на более высокую мощность и значительно больший срок службы, чем первый генератор для метеорологической станции. Серия СНАП-7 состояла из пяти генераторов различного назначения. Основные характе­ ристики генераторов приведены в табл. 7.14.

Генераторы СНАП-7А и СНАП-7С имеют одинаковую конструк­

цию, но различные назначения. Генератор СНАП-7А электриче­ ской мощностью 10 вт предназначен для питания аппаратуры ми­

гающего светового буя береговой охраны США, а генератор СНАП-7С той же мощности— для метеорологической станции ВМФ США Кон­ струкция этих установок показана на рис. 7.12. В качестве мате­ риала топлива выбран титанат стронция, который загружался в че­ тыре цилиндрические ампулы диаметром 5,1 см, изготовленные из

хастеллоя-С. Герметизация ампул обеспечивалась сваркой. Затем ампулы помещали в тепловой блок квадратного сечения. Плоские боковые грани блока, к которым прижимались термоэлементы, по­ крывались окисью алюминия, обеспечивающей электроизоляцию. Другие поверхности блока теплоизолировались материалом типа

172

Мин-К толщиной 3,5 см, находящимся в атмосфере аргона. Тепло­ проводность такой изоляции составляла 0,025 вт!(м-град).

Термоэлектрический преобразователь состоял из 60 пар термо­ столбиков, собранных в 12 батарей. Термоэлементы (рис. 7.13) каждой батареи монтировались на одной пластине и заключались

Рис. 7.12. Генератор СНАП-7А (разрез, основные раз­ меры даны в сантиметрах):

1 — защита из обедненного урана; 2 — термоэлементы; 3 — топливо; 4 — корпус генератора; 5 — теплоизоляция; 6 — реб­ ро охлаждения.

в слюдяные гильзы, чтобы предотвратить окисление в случае попа­ дания кислорода воздуха. Коммутация осуществлялась с помощью медных пластин.

В процессе разработки исследовались два термоэлектрических материала: «Мартин» и «Транзитрон». Характеристики их приве­ дены в табл. 7.15.

На основании результатов испытаний были выбраны материал «Мартин» с дырочной проводимостью и материал «Транзитрон» с электронной проводимостью. Последний имеет лучшую прочность по сравнению с аналогичным материалом «Мартин».

Тепловой блок, термоэлектрический преобразователь и другие внутренние узлы заключены в оболочку из хастеллоя-С, вставлен-

173

Перед эксплуатацией генератора внутреннюю оболочку промы­ вают и заполняют инертным газом под давлением 1 атм. В процессе

эксплуатации оболочку можно заполнять газом с более низкой теп­ лопроводностью, обеспечивая таким образом ступенчатое регу­ лирование мощности. Например, в случае заполнения оболочки аргоном в конце срока службы электрическая мощность генератора падает до 9,3 вт. Если же аргон заменить криптоном, имеющим бо­

лее низкую теплопроводность, то можно поднять выходную мощность до 9,85 вт.

Генератор СНАП-7А был установлен на морском буе в декабре 1961 г., а спустя шесть месяцев выходная мощность генератора стала падать. Проверка показала, что внутреннее давление газа возросло на 0,5 атм. Это привело к резкому увеличению паразит­

ной утечки тепла.

Как показал анализ, увеличение давления обусловлено в основ­ ном накоплением водорода и гелия, выделившихся из органического материала-связки тепловой изоляции Мин-К в результате нагрева и радиационных эффектов. Генератор был продут и вновь заполнен инертным газом, для снижения газовыделения в оболочку генера­ тора поместили металлические газопоглотители.

Генератор СНАП-7С был загружен топливом и после проверочных испытаний в феврале 1961 г. перевезен в Антарктиду и установлен на метеорологической станции, расположенной на расстоянии 1100 км от Южного полюса.

Генераторы СНАП-7В и СНАП-7Д аналогичны по конструкции,

но использовались для различных целей. Установка СНАП-7В мощ­ ностью 60 вт предназначена для питания навигационного маяка

береговой охраны США, а установка СНАП-7Д той же мощности — для плавучей метеорологической станции ВМФ США, расположен­ ной на барже. Конструкция генератора СНАП-7В показана на рис. 7.14, основные характеристики приведены в табл. 7.14.

В связи с большой мощностью эти генераторы конструктивно отличаются от установки СНАП-7А. Для размещения большего количества термоэлементов тепловой блок имеет шестигранную форму. В этот блок, изготовленный из хастеллоя-С, загружается не четыре, а семь ампул с титанатом стронция (225 000 кюри). Тер­

моэлементы электрически изолированы от поверхности теплового блока с помощью тонких слюдяных пластин, которые хорошо про­ водят тепло и имеют низкий коэффициент трения, позволяя термо­ элементам свободно перемещаться при тепловых расширениях.

Тепловой блок, преобразователь и другие внутренние конструк­ ции заключаются в оболочку из хастеллоя-С. Тепловой контакт меж­ ду оболочкой и биологической защитой обеспечивается термическим расширением оболочки и ликвидацией зазора между этими элемен-

-тами конструкции. Снижение мощности дозы до требуемого уровня (10 мр!ч на расстоянии 1 м от генератора) обеспечивается защитой из обедненного урана толщиной 8,25 см. Для охлаждения генератора

используется специальная система с теплоносителем.

175