Hőátalakító - Thermionic converter

A termionikus átalakító egy forró elektródából áll, amely hőhatással elektronokat bocsát ki a potenciális energiagáton keresztül egy hűvösebb elektródára, hasznos elektromos teljesítményt produkálva. A céziumgőzt az elektróda működési funkcióinak optimalizálására használják, és ionellátást biztosítanak ( felszíni ionizációval vagy elektron becsapódási ionizációval a plazmában) az elektron tér töltésének semlegesítésére .

Meghatározás

A fizikai elektronikus szempontból termoionos energiaátalakító a közvetlen termelés villamos energia származó hő termoelektromos elektron emisszió. Egy termodinamikai szempontból, ez a használata elektron gőz, mint a munkaközeg egy teljesítmény-termelő ciklust. A termionikus átalakító egy forró kibocsátó elektródából, amelyből az elektronok termionikus emisszióval elpárolognak, és egy hidegebb kollektor elektródából, amelybe az elektródák közötti plazmán keresztül történő vezetés után kondenzálódnak . A keletkező áram, jellemzően több amper per négyzetcentiméter kibocsátófelület, elektromos energiát szolgáltat a terhelésnek tipikus 0,5–1 voltos potenciálkülönbség mellett, és 5–20%-os hőhatékonysággal, az emitter hőmérsékletétől függően (1500–2000 K) és a működési mód.

Történelem

V. Wilson 1957-es bemutatása után a praktikus ív üzemmódú céziumgőz-termionikus átalakítót, a következő évtizedben számos alkalmazását mutatták be, beleértve a nap- , égés- , radioizotóp- és nukleáris reaktor hőforrásokkal való használatát. A legkomolyabban alkalmazott alkalmazás azonban a termionos nukleáris tüzelőanyag -elemek integrálása volt közvetlenül a nukleáris reaktorok magjába, hogy elektromos energiát termeljenek az űrben. A termionos átalakítók kivételesen magas üzemi hőmérséklete , amely megnehezíti gyakorlati alkalmazásukat más alkalmazásokban, döntő előnyöket biztosít a hőátalakítónak a versenytárs energiakonverziós technológiákkal szemben az űrteljesítmény -alkalmazásokban, ahol sugárzó hőelvezetésre van szükség. Az Egyesült Államokban , Franciaországban és Németországban 1963–1973 között jelentős termionikus űrreaktor -fejlesztési programokat hajtottak végre , és az Egyesült Államok 1983–1993 között folytatta a termionikus nukleáris tüzelőanyag -elemek jelentős fejlesztési programját.

A termionikus energiarendszereket különböző nukleáris reaktorokkal ( BES-5 , TOPAZ ) kombinálva használták áramellátásként számos szovjet katonai megfigyelő műholdon 1967 és 1988 között. További részletekért lásd a Kosmos 954- et.

Bár a termionos reaktorok használatának prioritása csökkent, mivel az Egyesült Államok és Oroszország űrprogramjait megszorították, a termionikus energiaátalakítás területén folytatott kutatás és technológiafejlesztés folytatódott. Az elmúlt években napelemes fűtésű termikus térbeli energiarendszerek technológiai fejlesztési programjait hajtották végre. A háztartási hő- és villamosenergia- kapcsolt energiatermeléshez , valamint a rektifikációhoz prototípusú, égéssel fűtött termionikus rendszereket fejlesztettek ki.

Leírás

A termionikus energiaátalakítás tudományos vonatkozásai elsősorban a felszíni fizika és a plazmafizika területét érintik . Az elektróda felületi tulajdonságai határozzák meg az elektronkibocsátási áram és az elektromos potenciál nagyságát az elektródafelületeken, a plazma tulajdonságai pedig az elektronáram szállítását az emitterből a kollektorba. Az összes praktikus termionikus átalakító céziumgőzt alkalmaz az elektródák között, ami meghatározza mind a felület, mind a plazma tulajdonságait. A céziumot azért alkalmazzák, mert az összes stabil elem közül a legkönnyebben ionizálható.

A termionikus generátor olyan, mint egy ciklikus hőmotor, és maximális hatékonyságát a Carnot -törvény korlátozza. Ez egy kisfeszültségű nagyáramú eszköz, ahol 1-2 V feszültségről 25-50 (A/négyzet cm) áramsűrűséget értek el. A magas hőmérsékletű gázok energiája részben villamos energiává alakítható, ha a kazán felszálló csövei katóddal és anóddal vannak ellátva egy termionos generátorban, és a térköz ionizált céziumgőzzel van feltöltve.

A felület tulajdonsága elsődleges érdeke a kilépési munka , amely a gát, amely korlátok elektron emisszió aktuális a felületről, és ez lényegében a párolgási hője elektronok a felületről. A munkafunkciót elsősorban az elektródafelületekre adszorbeált céziumatom réteg határozza meg. Az interelektróda plazma tulajdonságait a termionikus átalakító működési módja határozza meg. Gyújtott (vagy "ív") üzemmódban a plazmát forró plazmaelektronok (~ 3300 K) belső ionizálása révén tartják fenn; unignited módban a plazma fenntartása külsőleg előállított pozitív ionok hideg plazmába történő injektálásával történik; hibrid módban a plazmát a forró plazma interelektróda régióból származó ionok tartják fenn, amelyek átkerülnek a hideg plazma interelektróda régióba.

Legutóbbi munkák

A fent említett alkalmazások mindegyike olyan technológiát alkalmazott, amelyben a termikus átalakító alapvető fizikai ismeretei és teljesítménye lényegében megegyezik az 1970 előtt elért eredményekkel. a fosszilis tüzelőanyagokkal működő ipari és kereskedelmi villamosenergia-termelést az USA-ban folytatták, és 1995-ig folytatták az esetleges űrreaktor- és haditengerészeti reaktorok alkalmazásában. Ez a kutatás kimutatta, hogy az átalakító teljesítménye lényeges javulást érhet el alacsonyabb üzemi hőmérsékleten, ha oxigént adnak a céziumgőzhöz, elnyomják az elektronvisszaverődést az elektródfelületeken és hibrid üzemmódban. Hasonlóképpen, Oroszországban az oxigéntartalmú elektródák használatával történő javulást, valamint a fejlett termionikus átalakító teljesítményt alkalmazó rendszerek tervezési tanulmányait mutatták be. A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy a termionos átalakítók gerjesztett Cs-atomjai Cs- Rydberg- anyaghalmazokat képeznek, amelyek a kollektor-kibocsátó munkafunkció 1,5 eV-ról 1,0-0,7 eV-ra csökkenését eredményezik. A Rydberg-anyag hosszú élettartama miatt ez az alacsony munkafunkció sokáig alacsony marad, ami lényegében növeli az alacsony hőmérsékletű konverter hatékonyságát.

Lásd még

Hivatkozások