Термоэлектронды түрлендіргіштер: Қуат өндіру құрылғысы
Thermionic converter
Термоэлектронды түрлендіргіштер: Жылуды тікелей электр қуатына айналдыру, электр энергиясын өндіру, термоиондық эмиссия, плазма және электродтар туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электр энергиясын өндіру құрылғысы
Power generation device
Термиондық түрлендіргіш, ыстық электродтан тұрады, ол электрондарды потенциалдық энергия кедергісінен суық электродқа термиондық эмиссия арқылы шығарып, пайдалы электр қуатын өндіреді. Цезий буы электродтардың жұмыс функцияларын оңтайландыру және электрондық кеңістіктік зарядты бейтараптандыру үшін (беттік иондау немесе плазмадағы электрондық соқтығысу иондау арқылы) ионмен қамтамасыз ету үшін қолданылады.
A thermionic converter consists of a hot electrode which thermionically emits electrons over a potential energy barrier to a cooler electrode, producing a useful electric power output. Caesium vapor is used to optimize the electrode work functions and provide an ion supply (by surface ionization or electron impact ionization in a plasma) to neutralize the electron space charge.
Анықтама
Физикалық-электрондық тұрғыдан алғанда, термиондық энергияны түрлендіру – термиондық электронды эмиссия арқылы жылудан электр қуатын тікелей өндіру. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, бұл электр қуатын өндіру циклында жұмыс сұйықтығы ретінде электрон буын пайдалану. Термиондық түрлендіргіш ыстық эмитерлік электродтан тұрады, ол электрондарды термиондық эмиссия арқылы буландырады, және суық коллекторлық электродтан тұрады, олар электродтар арасындағы плазма арқылы өткеннен кейін конденсацияланады. Нәтижесінде туындайтын ток, әдетте, эмитер бетінің бір шаршы сантиметріне бірнеше ампер болады және эмитер температурасына (1500–2000 К) және жұмыс режиміне байланысты 0,5–1 вольт шамасындағы потенциал айырмашылығымен және 5–20% жылу тиімділігімен жүктемеге электр қуатын жеткізеді.
From a physical electronic viewpoint, thermionic energy conversion is the direct production of electric power from heat by thermionic electron emission. From a thermodynamic viewpoint, it is the use of electron vapor as the working fluid in a power producing cycle. A thermionic converter consists of a hot emitter electrode from which electrons are vaporized by thermionic emission and a colder collector electrode into which they are condensed after conduction through the inter electrode plasma. The resulting current, typically several amperes per square centimeter of emitter surface, delivers electrical power to a load at a typical potential difference of 0.5–1 volt and thermal efficiency of 5–20%, depending on the emitter temperature (1500–2000 K) and mode of operation.
Тарих
1957 жылы В. Уилсон практикалық доға режиміндегі цезий буы термиондық түрлендіргішті алғаш көрсеткеннен кейін, келесі онжылдықта оның күн, жану, радиоизотоптық және ядролық реакторлардың жылу көздерін қоса, бірнеше қолданыс орындары көрсетілді. Дегенмен, ең көп зерттелгені – ғарышта электр энергиясын өндіру үшін термиондық ядролық отын элементтерін тікелей ядролық реакторлардың активтік аймағына енгізу болды. Термиондық түрлендіргіштердің өте жоғары жұмыс температурасы, олардың басқа да қолданыстарда пайдалануын қиындатады, бірақ ғарыш қуаты саласында, сәулелі жылуды тарату қажет болғанда, бәсекелес энергия түрлендіру технологияларына қарағанда шешуші артықшылықтар береді. 1963–1973 жылдар аралығында АҚШ, Франция және Германияда термиондық ғарыш реакторларын дамыту бойынша ірі бағдарламалар жүргізілді, ал АҚШ 1983–1993 жылдар аралығында термиондық ядролық отын элементтерін дамыту бағдарламасын қайта бастады. Термиондық қуат жүйелері әртүрлі ядролық реакторлармен (BES 5, TOPAZ) бірге 1967–1988 жылдар аралығында бірқатар советтік әскери бақылау спутниктерінде электр қуатымен жабдықтау үшін қолданылды. Толық ақпарат алу үшін Kosmos 954 қараңыз. АҚШ және Ресейдің ғарыш бағдарламалары шектелгендіктен термиондық реакторларды пайдалануға басымдық азайды, бірақ термиондық энергияны түрлендіру саласындағы зерттеулер мен технологиялық дамыту жалғасты. Соңғы жылдары күнмен қыздырылатын термиондық ғарыш қуат жүйелерін дамыту бағдарламалары жүргізілді. Тұрмыстық жылу және электр энергиясын бірге өндіруге, сондай-ақ түзетуге арналған термоиондық жүйелердің прототиптері жасалды.
After the first demonstration of the practical arc mode caesium vapor thermionic converter by V. Wilson in 1957, several applications of it were demonstrated in the following decade, including its use with solar, combustion, radioisotope, and nuclear reactor heat sources. The application most seriously pursued, however, was the integration of thermionic nuclear fuel elements directly into the core of nuclear reactors for production of electrical power in space. The exceptionally high operating temperature of thermionic converters, which makes their practical use difficult in other applications, gives the thermionic converter decisive advantages over competing energy conversion technologies in the space power application where radiant heat rejection is required. Substantial thermionic space reactor development programs were conducted in the U. S., France, and Germany in the period 1963–1973, and the US resumed a significant thermionic nuclear fuel element development program in the period 1983–1993. Thermionic power systems were used in combination with various nuclear reactors (BES 5, TOPAZ) as electrical power supply on a number of Soviet military surveillance satellites between 1967 and 1988. See Kosmos 954 for more details. Although the priority for thermionic reactor use diminished as the US and Russian space programs were curtailed, research and technology development in thermionic energy conversion have continued. In recent years technology development programs for solar heated thermionic space power systems were conducted. Prototype combustion heated thermionic systems for domestic heat and electric power cogeneration, and for rectification, have been developed.
Сипаттама
Термиондық энергияны түрлендірудің ғылыми аспектілері негізінен беттік физика және плазма физикасы салаларына қатысты. Электродтың беттік қасиеттері электрондық эмиссия тогының және электродтар бетіндегі электр потенциалының шамасын анықтайды, ал плазма қасиеттері электрондық токтың эмиттерден коллекторға тасымалдануын анықтайды. Бүгінгі күнгі барлық термоиондық түрлендіргіштер электродтар арасында цезий буын қолданады, ол беттік және плазма қасиеттерін анықтайды. Цезий қолданылу себебі – ол барлық тұрақты элементтердің ішінде ең оңай иондалады. Термиондық генератор циклдық жылу машинасына ұқсас және оның максималды тиімділігі Карно заңымен шектеледі. Бұл төмен кернеулі, жоғары ток құрылғысы, онда 25-50 (А/см²) ток тығыздығы 1-2 В кернеуде қол жеткізілген. Жоғары температуралы газдардың энергиясы, егер қазандықтың көтерілгі түтікшелері термоиондық генератордың катоды және аноды қамтамасыз етілсе, ал аралық кеңістік иондалған цезий буымен толтырылса, электр энергиясына айналдырылуы мүмкін. Басты маңызға ие беттік қасиет – жұмыс функциясы, ол электрондық эмиссия тогын шектейтін кедергі және негізінен беттен электронның булануының жылуы. Жұмыс функциясы негізінен электродтар бетінде адсорбцияланған цезий атомдарының қабаты арқылы анықталады. Электродтар арасындағы плазманың қасиеттері термоиондық түрлендіргіштің жұмыс режимімен анықталады. Жанулы (немесе "аркалық") режимде плазма ыстық плазма электрондарымен (~3300 К) ішкі иондау арқылы сақталады; жанусыз режимде плазма сырттан жасалған оң иондарды суық плазмаға жіберу арқылы сақталады; гибридтік режимде плазма ыстық плазма электродтар аралық аймағынан суық плазма электродтар аралық аймағына берілетін иондар арқылы сақталады.
The scientific aspects of thermionic energy conversion primarily concern the fields of surface physics and plasma physics. The electrode surface properties determine the magnitude of electron emission current and electric potential at the electrode surfaces, and the plasma properties determine the transport of electron current from the emitter to the collector. All practical thermionic converters to date employ caesium vapor between the electrodes, which determines both the surface and plasma properties. Caesium is employed because it is the most easily ionized of all stable elements. A thermionic generator is like a cyclic heat engine and its maximum efficiency is limited by Carnot's law. It is a low Voltage high current device where current densities of 25 50 (A/squarecm) have been achieved at voltage from 1 2V. The energy of high temperature gases can be partly converted into electricity if the riser tubes of the boiler are provided cathode and anode of a thermionic generator with the interspace filled with ionized caesium vapor. The surface property of primary interest is the work function, which is the barrier that limits electron emission current from the surface and essentially is the heat of vaporization of electrons from the surface. The work function is determined primarily by a layer of caesium atoms adsorbed on the electrode surfaces. The properties of the interelectrode plasma are determined by the mode of operation of the thermionic converter. In the ignited (or "arc") mode the plasma is maintained via ionization internally by hot plasma electrons (~ 3300 K); in the unignited mode the plasma is maintained via injection of externally produced positive ions into a cold plasma; in the hybrid mode the plasma is maintained by ions from a hot plasma interelectrode region transferred into a cold plasma interelectrode region.
Соңғы еңбектері
Жоғарыда аталған барлық қолданбалар термиондық түрлендіргіштің негізгі физикалық түсінігі мен жұмыс істеу қабілеті 1970 жылға дейін жетістіктермен бірдей технологияны қолданды. Алайда, 1973-1983 жылдар аралығында АҚШ-та табиғи отынмен жұмыс істейтін өнеркәсіптік және коммерциялық электр энергиясын өндіруге арналған жетілдірілген төмен температуралы термиондық түрлендіргіш технологиясы бойынша маңызды зерттеулер жүргізілді және 1995 жылға дейін ғарыш реакторлары мен теңіз реакторларына қолдану мүмкіндіктері үшін жалғасты. Бұл зерттеулер түрлендіргіштің жұмысын цезий буына оттегі қосу арқылы, электрод беттеріндегі электронды кері шағылысуды жою арқылы және гибридтік режимде жұмыс істеу арқылы төмен температурада айтарлықтай жақсартуға болатынын көрсетті. Сол сияқты, Ресейде оттегі бар электродтарды пайдалану арқылы жақсартулар көрсетілді, сондай-ақ озық термиондық түрлендіргіштің жұмысын пайдаланатын жүйелердің жобалау зерттеулері жүргізілді. Жақындағы зерттеулер көрсеткендей, термиондық түрлендіргіштердегі қозу алған Cs атомдары Cs Ридберг материясының кластерлерін құрайды, бұл коллектордың эмиссиялық жұмыс функциясын 1,5 eV-тан 1,0–0,7 eV-қа дейін төмендетуге әкеледі. Ридберг материясының ұзақ өмір сүру қабілетіне байланысты, бұл төмен жұмыс функциясы ұзақ уақыт бойы төмен қалады, бұл төмен температуралы түрлендіргіштің тиімділігін арттырады.
All the applications cited above have employed technology in which the basic physical understanding and performance of the thermionic converter were essentially the same as those achieved before 1970. During the period from 1973 to 1983, however, significant research on advanced low temperature thermionic converter technology for fossil fueled industrial and commercial electric power production was conducted in the US, and continued until 1995 for possible space reactor and naval reactor applications. That research has shown that substantial improvements in converter performance can be obtained now at lower operating temperatures by addition of oxygen to the caesium vapor, by suppression of electron reflection at the electrode surfaces, and by hybrid mode operation. Similarly, improvements via use of oxygen containing electrodes have been demonstrated in Russia along with design studies of systems employing the advanced thermionic converter performance. Recent studies have shown that excited Cs atoms in thermionic converters form clusters of Cs Rydberg matter which yield a decrease of collector emitting work function from 1.5 eV to 1.0 – 0.7 eV. Due to long lived nature of Rydberg matter this low work function remains low for a long time which essentially increases the low temperature converter’s efficiency.