Термоэмиссионный преобразователь

Термоэмиссионный преобразователь состоит из горячего электрода, который термоэмиссионно излучает электроны через потенциальный энергетический барьер к более холодному электроду, производя полезную выходную электрическую мощность. Пары цезия используются для оптимизации рабочих функций электрода и обеспечения подачи ионов (путем поверхностной ионизации или ионизации электронным ударом в плазме) для нейтрализации пространственного заряда электронов .

Определение

С точки зрения физической электроники термоэлектронное преобразование энергии — это прямое производство электроэнергии из тепла путем термоэлектронной эмиссии электронов. С термодинамической точки зрения, ^[1] это использование электронного пара в качестве рабочего тела в цикле производства энергии. Термоэлектронный преобразователь состоит из горячего электрода-эмиттера, из которого электроны испаряются за счет термоэлектронной эмиссии, и более холодного электрода-коллектора, в котором они конденсируются после проведения через межэлектродную плазму . Результирующий ток, обычно несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности эмиттера, передает электрическую мощность нагрузке при типичной разности потенциалов 0,5–1 вольт и термическом КПД 5–20%, в зависимости от температуры эмиттера (1500–2000 К). и режим работы. ^[2]^[3]

История

После первой демонстрации В. Уилсоном практического термоэмиссионного преобразователя паров цезия с дуговым режимом в 1957 году, в следующем десятилетии было продемонстрировано несколько его применений, включая его использование с солнечными , горючими , радиоизотопными и реактора ядерными источниками тепла . Однако наиболее серьезно преследуемым применением была интеграция термоэмиссионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе. ^[4]^[5] Исключительно высокая рабочая температура термоэмиссионных преобразователей, которая затрудняет их практическое использование в других приложениях, дает термоэмиссионным преобразователям решающие преимущества перед конкурирующими технологиями преобразования энергии в космической энергетике, где требуется отвод лучистого тепла. Существенные программы разработки термоэлектронных космических реакторов проводились в США , Франции и Германии в период 1963–1973 годов, а США возобновили значительную программу разработки термоэмиссионных ядерных топливных элементов в период 1983–1993 годов.

Термоэмиссионные энергетические системы использовались в сочетании с различными ядерными реакторами ( БЭС-5 , ТОПАЗ ) в качестве источника электропитания на ряде советских военных спутников наблюдения в период с 1967 по 1988 год. ^[6]^[7] см . в «Космос 954» Более подробную информацию .

Хотя приоритет использования термоэлектронных реакторов уменьшился по мере США и России свертывания космических программ , исследования и разработки технологий в области термоэлектронного преобразования энергии продолжались. В последние годы были реализованы программы разработки технологий для термоэмиссионных космических энергетических систем, нагреваемых солнечной энергией. прототипы термоэмиссионных систем с пламенным нагревом для комбинированного производства тепла и электроэнергии , а также для ректификации . Разработаны ^[8]

Описание

Научные аспекты термоэлектронного преобразования энергии касаются прежде всего областей физики поверхности и физики плазмы . Свойства поверхности электрода определяют величину тока эмиссии электронов и электрического потенциала на поверхности электрода, а свойства плазмы определяют транспорт электронного тока от эмиттера к коллектору. На сегодняшний день во всех практических термоэмиссионных преобразователях между электродами используются пары цезия, которые определяют свойства как поверхности, так и плазмы. Цезий используется потому, что он наиболее легко ионизируется из всех стабильных элементов.

Термоэмиссионный генератор подобен циклическому тепловому двигателю, и его максимальный КПД ограничен законом Карно. Это низковольтное сильноточное устройство, в котором плотность тока 25–50 (А/кв. см) достигается при напряжении 1–2 В. Энергию высокотемпературных газов можно частично преобразовать в электричество, если в стояках котла предусмотреть катод и анод термоэмиссионного генератора с промежутком, заполненным ионизированными парами цезия.

Свойством поверхности, представляющим основной интерес, является работа выхода , которая представляет собой барьер, ограничивающий ток эмиссии электронов с поверхности и, по сути, представляет собой теплоту испарения электронов с поверхности. Работа выхода определяется в первую очередь слоем атомов цезия, адсорбированных на поверхности электродов. ^[9] Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоэмиссионного преобразователя. ^[10] В зажженном (или «дуговом») режиме плазма поддерживается за счет внутренней ионизации горячими электронами плазмы (~ 3300 К); в невоспламененном режиме плазма поддерживается за счет инжекции образующихся извне положительных ионов в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается за счет переноса ионов из межэлектродной области с горячей плазмой в межэлектродную область с холодной плазмой.

Недавняя работа

Во всех упомянутых выше приложениях использовалась технология, в которой основные физические понятия и характеристики термоэмиссионного преобразователя были по существу такими же, как и до 1970 года. Однако в период с 1973 по 1983 год были проведены значительные исследования в области передовой технологии низкотемпературных термоэмиссионных преобразователей. для промышленного и коммерческого производства электроэнергии на ископаемом топливе велся в США и продолжался до 1995 года для возможного применения космических реакторов и военно-морских реакторов . Это исследование показало, что теперь при более низких рабочих температурах можно добиться существенного улучшения производительности конвертера за счет добавления кислорода к парам цезия. ^[11] за счет подавления отражения электронов от поверхностей электродов, ^[12] и при работе в гибридном режиме. Аналогичным образом, в России были продемонстрированы улучшения за счет использования кислородсодержащих электродов, а также проектные исследования систем, использующих улучшенные характеристики термоэмиссионного преобразователя. ^[13] Недавние исследования ^[14] показали, что возбужденные атомы Cs в термоэмиссионных преобразователях образуют кластеры Cs- ридберговского вещества , что приводит к уменьшению эмиссионной работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0 – 0,7 эВ. Благодаря долгоживущей природе ридберговского вещества эта низкая работа выхода остается низкой в течение длительного времени, что существенно повышает эффективность низкотемпературного преобразователя.

См. также

Ссылки

^ Расор, Н.С. (1983). «Термоэлектронный преобразователь энергии». В Чанге, Шелдон С.Л. (ред.). Справочник по основам электротехники и вычислительной техники . Том. II. Нью-Йорк: Уайли. п. 668. ИСБН 0-471-86213-4 .
^ Хацопулос, Г.Н.; Гифтопулос, EP (1974). Термоэлектронное преобразование энергии . Том. И. Кембридж, Массачусетс: MIT Press . ISBN 0-262-08059-1 .
^ Baksht, F. G.; G. A. Dyvzhev; A. M. Martsinovskiy; B. Y. Moyzhes; G. Y. Dikus; E. B. Sonin; V. G. Yuryev (1973). "Thermionic converters and low-temperature plasma (trans. from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma)": 490. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Миллс, Джозеф К.; Дальберг, Ричард К. (10 января 1991 г.). «Термоэлектронные системы для миссий Министерства обороны» . Материалы конференции AIP . 217 (3): 1088–92. Бибкод : 1991AIPC..217.1088M . дои : 10.1063/1.40069 . Архивировано из оригинала 10 июля 2012 года.
^ Gryaznov, G. M.; E. E. Zhabotinskii; A. V. Zrodnikov; Yu. V. Nikolaev; N. N. Ponomarev-Stepnoi; V. Ya. Pupko; V. I. Serbin; V. A. Usov (June 1989). "Thermoemission reactor-converters for nuclear power units in outer space". Soviet Atomic Energy . 66 (6). Plenus Pub. Co.: 374–377. doi : 10.1007/BF01123508 . ISSN 1573-8205 . S2CID 95666931 .
^ Бюллетень ученых-атомщиков . Июль 1993 г., стр. 12–.
^ Материалы симпозиума по усовершенствованным компактным реакторным системам: Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 15-17 ноября 1982 г. Национальные академии. 1983. С. 65–. НПД: 15535.
^ ван Кеменаде, Э.; Вельткамп, Всемирный банк (7 августа 1994 г.). «Проектирование термоэмиссионного преобразователя для системы отопления дома» (PDF) . Материалы 29-й Межобщественной конференции по технологиям преобразования энергии . II .
^ Расор, Нед С.; Чарльз Уорнер (сентябрь 1964 г.). «Корреляция эмиссионных процессов пленок адсорбированных щелочей на металлических поверхностях» . Журнал прикладной физики . 35 (9). Американский институт физики: 2589. Бибкод : 1964JAP....35.2589R . дои : 10.1063/1.1713806 . ISSN 0021-8979 .
^ Расор, Нед С. (декабрь 1991 г.). «Плазма термоэмиссионного преобразования энергии». Транзакции IEEE по науке о плазме . 19 (6): 1191–1208. Бибкод : 1991ITPS...19.1191R . дои : 10.1109/27.125041 .
^ Дж.Л. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж.Б. Маквей и Н.С. Рэзор, «Заключительный отчет HET IV», тома 1 и 2, отчет Rasor Associates № NSR-71/95/0842 (ноябрь 1995 г.); выполнено для лаборатории Westinghouse Bettis по контракту № 73-864733; 344 страницы. Также доступны в общей сложности как CB Geller, CS Murray, DR Riley, JL. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж.Б. Маквей и Н.С. Расор, «Программы высокоэффективной термоэлектроники (HET-IV) и усовершенствования преобразователей (CAP). Итоговые отчеты», DOE DE96010173; 386 страниц (1996).
^ Н. С. Расор, «Важное влияние отражения электронов на характеристики термоэмиссионного преобразователя», Proc. 33-й Интерсоц. Энергетическая конв. инженер Conf., Колорадо-Спрингс, Колорадо, август 1998 г., документ 98-211.
^ Ярыгин Валерий Иванович; Виктор Н. Сидельников; Виталий Сергеевич Миронов. «Варианты преобразования энергии для инициативы НАСА по космическим ядерным энергетическим системам - недооцененные возможности термоэлектроники». Материалы 2-й Международной конференции по технологиям преобразования энергии .
^ Свенссон, Роберт; Лейф Холмлид (15 мая 1992 г.). «Поверхности с очень низкой работой выхода из конденсированных возбужденных состояний: ридберговское вещество цезия». Поверхностная наука . 269–270: 695–699. Бибкод : 1992SurSc.269..695S . дои : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . ISSN 0039-6028 .

[1] Расор, Н.С. (1983). «Термоэлектронный преобразователь энергии». В Чанге, Шелдон С.Л. (ред.). Справочник по основам электротехники и вычислительной техники . Том. II. Нью-Йорк: Уайли. п. 668. ИСБН 0-471-86213-4 .

[2] Хацопулос, Г.Н.; Гифтопулос, EP (1974). Термоэлектронное преобразование энергии . Том. И. Кембридж, Массачусетс: MIT Press . ISBN 0-262-08059-1 .

[3] Baksht, F. G.; G. A. Dyvzhev; A. M. Martsinovskiy; B. Y. Moyzhes; G. Y. Dikus; E. B. Sonin; V. G. Yuryev (1973). "Thermionic converters and low-temperature plasma (trans. from Termoemissionnye prebrazovateli i nizkotemperaturnaia plazma)": 490. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[4] Миллс, Джозеф К.; Дальберг, Ричард К. (10 января 1991 г.). «Термоэлектронные системы для миссий Министерства обороны» . Материалы конференции AIP . 217 (3): 1088–92. Бибкод : 1991AIPC..217.1088M . дои : 10.1063/1.40069 . Архивировано из оригинала 10 июля 2012 года.

[5] Gryaznov, G. M.; E. E. Zhabotinskii; A. V. Zrodnikov; Yu. V. Nikolaev; N. N. Ponomarev-Stepnoi; V. Ya. Pupko; V. I. Serbin; V. A. Usov (June 1989). "Thermoemission reactor-converters for nuclear power units in outer space". Soviet Atomic Energy . 66 (6). Plenus Pub. Co.: 374–377. doi : 10.1007/BF01123508 . ISSN 1573-8205 . S2CID 95666931 .

[6] Бюллетень ученых-атомщиков . Июль 1993 г., стр. 12–.

[7] Материалы симпозиума по усовершенствованным компактным реакторным системам: Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 15-17 ноября 1982 г. Национальные академии. 1983. С. 65–. НПД: 15535.

[8] ван Кеменаде, Э.; Вельткамп, Всемирный банк (7 августа 1994 г.). «Проектирование термоэмиссионного преобразователя для системы отопления дома» (PDF) . Материалы 29-й Межобщественной конференции по технологиям преобразования энергии . II .

[9] Расор, Нед С.; Чарльз Уорнер (сентябрь 1964 г.). «Корреляция эмиссионных процессов пленок адсорбированных щелочей на металлических поверхностях» . Журнал прикладной физики . 35 (9). Американский институт физики: 2589. Бибкод : 1964JAP....35.2589R . дои : 10.1063/1.1713806 . ISSN 0021-8979 .

[10] Расор, Нед С. (декабрь 1991 г.). «Плазма термоэмиссионного преобразования энергии». Транзакции IEEE по науке о плазме . 19 (6): 1191–1208. Бибкод : 1991ITPS...19.1191R . дои : 10.1109/27.125041 .

[11] Дж.Л. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж.Б. Маквей и Н.С. Рэзор, «Заключительный отчет HET IV», тома 1 и 2, отчет Rasor Associates № NSR-71/95/0842 (ноябрь 1995 г.); выполнено для лаборатории Westinghouse Bettis по контракту № 73-864733; 344 страницы. Также доступны в общей сложности как CB Geller, CS Murray, DR Riley, JL. Деспла, Л.К. Хансен, Г.Л. Хэтч, Дж.Б. Маквей и Н.С. Расор, «Программы высокоэффективной термоэлектроники (HET-IV) и усовершенствования преобразователей (CAP). Итоговые отчеты», DOE DE96010173; 386 страниц (1996).

[12] Н. С. Расор, «Важное влияние отражения электронов на характеристики термоэмиссионного преобразователя», Proc. 33-й Интерсоц. Энергетическая конв. инженер Conf., Колорадо-Спрингс, Колорадо, август 1998 г., документ 98-211.

[13] Ярыгин Валерий Иванович; Виктор Н. Сидельников; Виталий Сергеевич Миронов. «Варианты преобразования энергии для инициативы НАСА по космическим ядерным энергетическим системам - недооцененные возможности термоэлектроники». Материалы 2-й Международной конференции по технологиям преобразования энергии .

[14] Свенссон, Роберт; Лейф Холмлид (15 мая 1992 г.). «Поверхности с очень низкой работой выхода из конденсированных возбужденных состояний: ридберговское вещество цезия». Поверхностная наука . 269–270: 695–699. Бибкод : 1992SurSc.269..695S . дои : 10.1016/0039-6028(92)91335-9 . ISSN 0039-6028 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]