Определение основных размеров изотопного генератора

Введение

Маломощным автономным источником энергии для КА может служить радиоизотопный генератор. При высокой надежности срок службы таких генераторов достигает 20 лет. Впервые радиоизотопный генератор был использован в космосе в 1961 году на советском навигационном спутнике “Транзит-4А”. В СССР изотопные генераторы устанавливались на нескольких спутниках серии “Космос” начиная с 1965 года (изотопный генератор “Орион-1” массой 8,3 кг, мощностью 22 Вт использующий изотоп ²¹⁰Po₈₄, Т_АС=220 сут.). Характеристики некоторых других изотопных теплоэнергетических генераторов (ТЭГ) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики радиоизотопных ТЭГ

Установка	Электри­ческая мощность Вт	КПД преобразования, %	Нуклид	Масса, кг	Срок службы, лет	Назначение
SNAP-3B7 (США)	2,7	5,2	238Pu	2,1		Навигационный спутник
SNAP-7A (США)	11,6	4,5	90Sr			Навигационный буй
SNAP-7B (США)		4,7	90Sr		н/д	Маяк
SNAP-11 (США)		4,8	242Cm	7,87	н/д	Лунная станция
SNAP-17 (США)		н/д	90Sr	13,6	3-5	Спутник связи
SNAP-21 (США)		8-10	90Sr			Подводный буй
SNAP-27 (США)		н/д	238Pu			Лунная станция
RTG-3 (США)		н/д	238Pu	4,4		---
“Margarite-20” (Франция)	12,5	4,7	90Sr		н/д	Космический аппарат
“Бета-1” (СССР)		2,4	144Ce			Метеостанция
“Бета-2” (СССР)	5,3	н/д	90Sr			Метеостанция
“Ангара”(СССР)		4,8	90Sr			Регистрация космического излучения

ВНИИ радиационной техники и Сухумским физико-техническим институтом разработана большая серия малогабаритных радиоизотопных ТЭГ. Характеристики некоторых из них приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики малогабаритных радиоизотопных ТЭГ

Электрическая мощность, мВт	Напряжение, В	Тепловая мощность, Вт	КПД преобразования, %	Габаритные размеры	Масса, г	Срок службы, лет
				Диаметр, мм	Высота, мм
0,3	0,5	0,1	0,3
0,5	5,0	0,15	0,3
1,0	3,5	0,2	0,5
		3,5	1,4
	6,0	12,5	2,4

Источником тепла в этих ТЭГ служит радионуклид ²³⁸Pu с периодом полураспада 87,7 года и удельным тепловыделением 0,55 Вт/ч. Стоимость генератора более чем на 90% определяется стоимостью топлива, которая составляет около 2000 долларов/грамм. Снижение выходной электрической мощности, обусловленное распадом топлива и физико-химическими процессами в термоэлектрическом материале, не превышает 15-20% за 10-летний срок службы.

Принцип действия ТЭГ

Рис. 1.1. Схема термоэлемента 1- участок теплоотвода; 2- электроизоляция; 3-электрокоммутация; 4,5 ‑столбики из полупроводников позитивного и негативного типов; 6-участок теплоподвода.

Термоэлектрический генератор представляет из себя набор однотипных термоэлементов, скомпонованных вокруг источника тепловой энергии (рис.1.2). Принципиальная схема термоэлемента приведена на рисунке 1.1. В изотопных ТЭГ в качестве источника тепловой энергии применяется тепловой генератор, использующий энергию распада радиоизотопов.

При нагреве одного из торцов негативного элемента число свободных электронов в нем повышается. Появившиеся избыточные электроны начинают диффундировать к холодному концу, перенося свой заряд, создавая тем самым разность потенциалов. Если цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток. В позитивном элементе действие дырочного механизма проводимости обуславливает перенос зарядов противоположного знака. При этом, под влиянием разности температур, дырки диффундируют к холодному спаю. В итоге ЭДС обоих элементов складываются. Можно создать генератор, набирая последовательно ряд термоэлементов одного типа. Однако тогда, введение коммутации повлечет за собой дополнительные перетоки тепла по ней от горячих спаев к холодным, что приведет к падению эффективности работы термоэлектрических элементов.

Рис. 1.2. Принципиальная схема бесконтурной энергоустановки с термоэлектрическим преобразованием. 1-система регулирования; 2-активная зона; 3-боковой отражатель; 4-коммутационная шина; 5-излучательные ребра; 6‑изолятор; 7-потребитель; 8-термоэлементы "n" и "p" типа.

Характеристики изотопного генератора в первую очередь определяются используемым в качестве источника тепловой энергии изотопом. К радиоизотопам, применяемым в ЭС КА, предъявляются следующие требования:

1. Период полураспада изотопа должен быть больше или сопоставим с требуемым ресурсом работы генератора. Период полураспада – время за которое распадается половина исходного вещества радионуклида. За 7 периодов полураспада радиоактивность снижается до 1%, за 5 периодов – до 5%, рис. 1.3.

T1/2

N/N0

Рис. 1.3.

,

где N₀ - исходное число ядер (при t=0); l - постоянная распада; N - число не распавшихся ядер в момент времени t.

,

где Т_1/2 - период полураспада.

2. Энергия распада должна быть максимальной. Желательно, чтобы происходил разрыв связей. При a-распаде:

, (1)

где E_d - энергия распада, E_a - энергия a-частицы,

M - масса ядра отдачи, m_a - масса a-частицы.

, (2)

Энергия распада будет тем больше, чем больше энергия частицы (E_d) и масса частицы (m_a). Поэтому предпочтительны изотопы с максимальным удельным тепловыделением массы (УТМ) Вт/г - чистые - излучатели.

УТМ=7.75 ;[Bт/г] (3)

3. a-излучатели просты в обращении с точки зрения радиационной безопасности из-за их малой проникающей способности, а кроме того отличаются высоким энерговыделением.

Учитывая возможность промышленного изготовления, реально можно рассматривать 3 радиоактивных изотопа a-излучателей, таблица 3.

Таблица 3.

N п/п	Изотоп	Символ	Т1/2 Сут	УТМ Вт/г	Т пл, К	r г/см3	Хим. соединение
	Полоний	84Po210				9.6	PbPo
	Плутоний	94Pu238		0.6		11.5	PuO2
	Кюрий	96Cm244		2.8		10.7	Cm2O3

Термоэлектрические материалы характеризуются тремя

коэффициентами:

a- термоэлектродвижущей силы [В/К];

s- удельная электропроводности [1/(Ом*См)];

k- теплопроводности [Вт/(см²*К)].

Фактором, определяющим эффективность преобразования, является добротность термоэлемента Z₀.

Z₀ = (4)

Индекс n относится к негативному, p к позитивному элементам.

Коэффициент полезного действия термоэлементов зависит от разности температур (Тг) горячего спая и (Тх) холодного слоя излучателя.

h = × . (5)

Тепловой поток, подведенный к преобразователю, для получения заданной электрической мощности (Р_эл), определяется КПД.

. (6)

В лабораторной работе необходимо определить массово-габаритные характеристики изотопного генератора заданной электрической мощности и ресурса работы. Номинальное напряжение электропитания 14 В.

Порядок выполнения работы.

1) В зависимости от ресурса работы по табл.3 выбирается изотоп.

2) Температура нагревателя выбирается из условия термостойкости термоэлементов, предельное значение температуры Т_г 900°С (Si, Ge).

3) Температура холодильника выбирается из условия обеспечения приемлемого КПД h и поверхности излучателя (Т_х =100-300°С)

4) В зависимости от температуры нагревателя выбирается материал термоэлементов и, в соответствии с рис 2-4 определяются характеристики s, a, k. По формуле (4) или рис 5 определяется добротность.

5) КПД термогенератора определяется по формуле (5).

6) Требуемый тепловой поток в конце активного существования, подводимый к термогенератору определяется по формуле (6).

Тепловой поток в начале активного существования определяется с учетом периода полураспада

Q_н=Q_k/e^-lt, рис. 1.3.

7) Оптимальное отношение сопротивлений генератора и нагрузки (R_н/r_вн)_опт определяется из условия максимума КПД.

= =М. (7)

8) Определяется ЭДС генератора (Е)

, (8)

9) Зная термоЭДС термоэлементов, можно определить необходимое количество пар элементов

; (9)

где DТ=Т_Г-Т_Х.

Количество округляется до целого числа пар, и уточняется обеспечиваемое напряжение, подаваемое во внешнюю цепь по формуле:

U= ; (10)

10) Величина тока, протекающего в цепи термобатарея - нагрузка определяется по формуле: I=P_эл/U; (11)

11) Оптимальное сопротивление нагрузки R_н определяется по формуле: R_н=U/I; (12).

Внутреннее сопротивление преобразователя, без учета сопротивления коммутации (r_вн), определяется условием максимального КПД:

r_вн=R_н/M; (13)

12) Отношение длины термоэлемента (L) к его сечению (S) определяется из соотношения:

L/S= ; (14)

Если величина L/S превышает 25, необходимо изменить геометрию термогенератора. А именно, задав L/S в диапазоне 1-25, изменяют напряжение, вырабатываемое термогенератором.

Термоэлементы обычно имеют сечение S=0.3*0.3=0.09 см².

В данном случае применяются внутреннее сопротивление генератора r_ВН= ;

и для данного rвн сопротивление нагрузки в данном случае должно быть: R_н= r_вн*M.

13) Большое значение для использования термоэлементов в качестве источника электроэнергии имеют их ВАХ. Полная ЭДС, возникающая на холодных спаях Е, обеспечивает в электрической цепи силу тока от J_кз =E/R_вн (в случае короткого замыкания) до J=0 (при сопротивлении нагрузки стремящейся к бесконечности). Режим максимальной электрической мощности P_max осуществляется при равенстве сопротивлений нагрузки и термоэлемента. При этом J=0.5*J_кз, рис.6.

Рис. 6.

Режим максимального КПД и режим W_max не совпадают

U_Wmax = 0,5×E W_max = I×U = 0,25×E×I_кз

Расчеты показывают, что в режиме J_кз (короткого замыкания) R_н=0 температура горячих спаев понижается, а в режимах U_хх (холостого хода) повышается. Повышение температуры горячих спаев может привести к выходу из строя преобразователей, поэтому режим U_хх недопустим.

Примем выходное напряжение термогенератора U=5В, тогда ток в цепи будет равен J=U/R=1.56А. Низкое напряжение в системе генератор-нагрузка необходимо повысить. Эту функцию выполняет система управления. Кроме повышения необходимо сглаживать напряжение, так как в результате перемены режимов работы нагрузки может возникнуть колебание напряжения. Регулирование напряжение в изотопном генераторе необходимо также потому, что его тепловая мощность экспоненциально убывает во времени.

Ослабление теплового потока приводит к изменению рабочей температуры генератора и, как следствие, к уменьшению напряжения и тока. Блок управления и стабилизации напряжения является неотъемлемой частью ИГ.

14) Определяем требуемое количество изотопа, необходимое для получения Q_т [Вт] из соотношения (15):

Q_т=G_из*УТМ [Вт] (15)

15) В простейшем случае ампула изотопа имеет форму нормального цилиндра.

V= ; V= ; D= ;

16) Определяем поверхность излучения. Любая конфигурация кроме сферической обладает большей площадью поверхности при той же самой скорости излучения энергии. Поэтому поверхность излучателя (корпус ИГ) стремятся выполнить как можно ближе к сферической.

Q_изл=z×s×F×T_x⁴

Коэффициенты излучения

алюминия - 0.07,

меди окисленной - 0.89,

стали шероховатой - 0.95-0.98.

Учитывая необходимость уменьшения веса, выбрать материал излучателя и определить его площадь и вес.

Q_изл=Q_т - Q_эл

Оформление работы: