Termionisk omformer - Thermionic converter

En termionisk omformer består av en varm elektrode som termisk avgir elektroner over en potensiell energibarriere til en kjøligere elektrode, og gir en nyttig elektrisk effekt. Cesium damp brukes for å optimalisere elektrodearbeidsfunksjonene og tilveiebringe et ion tilførsel (ved overflaten ionisering eller Elektronstøtionisering i en plasma) for å nøytralisere den elektron romladningen .

Definisjon

Fra et fysisk elektronisk synspunkt er termionisk energikonvertering den direkte produksjonen av elektrisk kraft fra varme ved termionisk elektronemisjon. Fra et termodynamisk synspunkt er det bruk av elektrondamp som arbeidsvæske i en kraftproduserende syklus. En termionisk omformer består av en varm emitterelektrode hvorfra elektronene fordampes ved termionisk emisjon og en kaldere kollektorelektrode som de kondenseres i etter ledning gjennom interelektrodeplasmaet . Den resulterende strømmen, vanligvis flere ampere per kvadratcentimeter emitteroverflate, leverer elektrisk kraft til en belastning ved en typisk potensialforskjell på 0,5–1 volt og termisk effektivitet på 5–20%, avhengig av emittertemperaturen (1500–2000 K) og driftsmåte.

Historie

Etter den første demonstrasjonen av den praktiske buemodus cesiumdamp-termionomformeren av V. Wilson i 1957, ble det vist flere bruksområder av det i det følgende tiåret, inkludert bruk med solcelle- , forbrennings- , radioisotop- og atomreaktor- varmekilder. Den mest etterfulgte applikasjonen var imidlertid integrering av termioniske kjernefysiske drivstoffelementer direkte i kjernen i atomreaktorer for produksjon av elektrisk kraft i verdensrommet. Den eksepsjonelt høye driftstemperaturen til termioniske omformere, som gjør deres praktiske bruk vanskelig i andre bruksområder, gir termionomformeren avgjørende fordeler i forhold til konkurrerende energiomformingsteknologier i romeffektapplikasjonen der det er behov for avvisning av strålevarme. Det ble gjennomført betydelige utviklingsprogrammer for termioniske romreaktorer i USA , Frankrike og Tyskland i perioden 1963–1973, og USA gjenopptok et betydelig utviklingsprogram for termionisk atombrenselelement i perioden 1983–1993.

Termioniske kraftsystemer ble brukt i kombinasjon med forskjellige atomreaktorer ( BES-5 , TOPAZ ) som elektrisk strømforsyning på en rekke sovjetiske militære overvåkningssatellitter mellom 1967 og 1988. Se Kosmos 954 for flere detaljer.

Selv om prioriteten for termionisk reaktorbruk ble redusert ettersom USA og russiske romprogrammer ble redusert, har forskning og teknologiutvikling innen termionisk energikonvertering fortsatt. De siste årene har det blitt gjennomført teknologiutviklingsprogrammer for soloppvarmede termioniske romkraftsystemer. Prototype forbrenningsoppvarmede termioniske systemer for husholdningsvarme og kraftvarmeproduksjon , og for utbedring , er utviklet.

Beskrivelse

De vitenskapelige aspektene ved termionisk energikonvertering gjelder først og fremst feltene overflatefysikk og plasmafysikk . Elektrodeoverflateegenskapene bestemmer størrelsen på elektronemisjonsstrøm og elektrisk potensial ved elektrodeoverflatene, og plasmagenskapene bestemmer transporten av elektronstrøm fra emitteren til kollektoren. Alle praktiske termioniske omformere bruker hittil cesiumdamp mellom elektrodene, noe som bestemmer både overflate- og plasmagenskapene. Cesium brukes fordi det er det lettest ioniserte av alle stabile elementer.

En termionisk generator er som en syklisk varmemotor og maksimal effektivitet er begrenset av Carnots lov. Det er en høyspenningsenhet med lav spenning der strømtettheter på 25-50 (A/kvadratmeter) er oppnådd ved spenning fra 1-2V. Energien til høytemperaturgasser kan delvis omdannes til elektrisitet hvis stigerørene til kjelen får katode og anode til en termionisk generator med mellomrommet fylt med ionisert cesiumdamp.

Overflateegenskapen av primær interesse er arbeidsfunksjonen , som er barrieren som begrenser elektronstråling fra overflaten og i hovedsak er fordampningsvarmen til elektroner fra overflaten. Arbeidsfunksjonen bestemmes først og fremst av et lag cesiumatomer som er adsorbert på elektrodeoverflatene. Egenskapene til interelektrodeplasmaet bestemmes av driftsmåten til den termioniske omformeren. I den tente (eller "buen") modus opprettholdes plasmaet via ionisering internt av varme plasmaanelektroner (~ 3300 K); i den uantente modus opprettholdes plasmaet via injeksjon av eksternt produserte positive ioner i et kaldt plasma; i hybridmodus opprettholdes plasmaet av ioner fra et intervall med varme plasmainterelektroder overført til et kaldt plasmainterelektrodeområde.

Nylig arbeid

Alle applikasjonene som er nevnt ovenfor har brukt teknologi der den grunnleggende fysiske forståelsen og ytelsen til termionomformeren var i hovedsak den samme som ble oppnådd før 1970. I perioden fra 1973 til 1983 imidlertid betydelige undersøkelser om avansert lavtemperatur-termionisk omformerteknologi for fossilt drevet industriell og kommersiell elektrisk kraftproduksjon ble utført i USA, og fortsatte til 1995 for mulige romreaktor- og marinreaktorapplikasjoner . Denne forskningen har vist at betydelige forbedringer i omformerens ytelse kan oppnås nå ved lavere driftstemperaturer ved tilsetning av oksygen til cesiumdampen, ved undertrykkelse av elektronrefleksjon på elektrodeoverflatene og ved drift av hybrid modus. På samme måte er det demonstrert forbedringer ved bruk av oksygenholdige elektroder i Russland sammen med designstudier av systemer som bruker den avanserte termioniske omformerens ytelse. Nyere studier har vist at eksiterte Cs-atomer i termioniske omformere danner klynger av Cs- Rydberg-materie som gir en nedgang i kollektoremitterende arbeidsfunksjon fra 1,5 eV til 1,0- 0,7 eV. På grunn av Rydberg-materiens langlivede natur, forblir denne lave arbeidsfunksjonen lav i lang tid, noe som vesentlig øker effektiviteten til lavtemperaturomformeren.

Se også

Referanser