Термионные преобразователи энергии: принципы, разработка и применение.
Thermionic converter
Термионные преобразователи: прямое получение электроэнергии из тепла. Принцип работы, эмиссия электронов, плазма, эффективность и применение в энергетике.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Устройство для выработки электроэнергии. Термионический преобразователь состоит из горячего электрода, который термионически излучает электроны через потенциальный барьер к более холодному электроду, генерируя полезную электрическую мощность. Пар цезия используется для оптимизации работы выхода электродов и обеспечения ионного потока (путем ионизации поверхности или ионизации столкновением с электронами в плазме) для нейтрализации пространственного заряда электронов.
Power generation device
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.
Определение
С физико-электронной точки зрения, термионическое преобразование энергии – это прямое получение электрической мощности из тепла посредством термионической эмиссии электронов. С термодинамической точки зрения, это использование электронного пара как рабочего тела в цикле производства энергии. Термионический преобразователь состоит из горячего эмиссионного электрода, с которого электроны испаряются за счет термионической эмиссии, и более холодного коллекторного электрода, на котором они конденсируются после прохождения через межэлектродную плазму. Образующийся ток, обычно в несколько ампер на квадратный сантиметр поверхности эмитера, обеспечивает подачу электрической энергии к нагрузке при типичном напряжении 0,5–1 вольт и тепловом КПД 5–20%, в зависимости от температуры эмитера (1500–2000 К) и режима работы.
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.
История
После первой демонстрации практического преобразователя цезиевых паров в дуговом режиме В. Вильсоном в 1957 году, в последующее десятилетие было продемонстрировано несколько областей его применения, включая использование с солнечными, тепловыми (от сжигания топлива), радиоизотопными и ядерными реакторными источниками тепла. Однако наиболее активно изучалось внедрение термоионных ядерных топливных элементов непосредственно в активную зону ядерных реакторов для производства электроэнергии в космосе. Исключительно высокая рабочая температура термоионных преобразователей, затрудняющая их практическое применение в других областях, обеспечивает термоионному преобразователю существенные преимущества перед конкурирующими технологиями преобразования энергии в космических энергоустановках, где требуется отвод тепла в виде излучения. Значительные программы разработки термионических космических реакторов проводились в США, Франции и Германии в период с 1963 по 1973 год, а США возобновили масштабную программу разработки термоионных ядерных топливных элементов в период с 1983 по 1993 год. Термионические энергосистемы использовались в сочетании с различными ядерными реакторами (BES 5, TOPAZ) в качестве источника электропитания на ряде советских военных разведывательных спутников в период с 1967 по 1988 год. Подробности можно найти в описании спутника "Космос-954". Хотя приоритет использования термоионных реакторов снизился в связи с сокращением космических программ США и России, исследования и разработки в области термоионного преобразования энергии продолжались. В последние годы велись программы разработки технологий для солнечных термоионных космических энергосистем. Были разработаны прототипы термоионных систем с тепловой энергией от сжигания топлива для комбинированного производства тепла и электроэнергии, а также для ректификации.
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.
Описание
Научные аспекты преобразования термионической энергии в первую очередь относятся к областям физики поверхности и физики плазмы. Свойства поверхности электрода определяют величину тока эмиссии электронов и электрический потенциал на поверхности электрода, а свойства плазмы определяют перенос тока электронов от излучателя к коллектору. Все практические термоионные преобразователи на сегодняшний день используют пары цезия между электродами, что определяет как поверхностные, так и плазменные свойства. Цезий используется, поскольку он наиболее легко ионизируется среди всех стабильных элементов. Термионический генератор подобен циклическому тепловому двигателю, и его максимальная эффективность ограничена законом Карно. Это устройство с низким напряжением и высоким током, где достигнуты плотности тока 25-50 (А/см²) при напряжении от 1 до 2 В. Энергию высокотемпературных газов можно частично преобразовать в электричество, если в подъемные трубы котла установить катод и анод термоионного генератора, а межэлектродное пространство заполнить ионизированным паром цезия. Основным свойством поверхности является работа выхода, которая представляет собой барьер, ограничивающий ток эмиссии электронов с поверхности и, по сути, является теплотой испарения электронов с поверхности. Работа выхода определяется главным образом слоем атомов цезия, адсорбированных на поверхностях электродов. Свойства межэлектродной плазмы определяются режимом работы термоионного преобразователя. В режиме зажигания (или "дуги") плазма поддерживается внутренней ионизацией горячими плазменными электронами (~3300 К); в незажженном режиме плазма поддерживается путем введения внешне созданных положительных ионов в холодную плазму; в гибридном режиме плазма поддерживается ионами из горячей межэлектродной области плазмы, переносимыми в холодную межэлектродную область плазмы.
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.
Последние работы
Все вышеупомянутые применения использовали технологии, в которых базовое физическое понимание и характеристики термоионного преобразователя оставались в основном такими же, как и до 1970 года. Однако в период с 1973 по 1983 год в США были проведены значительные исследования передовых низкотемпературных термоионных преобразователей для производства промышленной и коммерческой электроэнергии на ископаемом топливе, которые продолжались до 1995 года для потенциальных применений в космических и военно-морских реакторах. Эти исследования показали, что существенное повышение эффективности преобразователя возможно при более низких рабочих температурах за счет добавления кислорода к парам цезия, подавления отражения электронов от поверхности электродов и использования гибридного режима работы. Подобные улучшения, достигаемые за счет использования электродов, содержащих кислород, были продемонстрированы и в России, наряду с проектными проработками систем, использующих улучшенные характеристики термоионных преобразователей. Недавние исследования показали, что возбужденные атомы Cs в термоионных преобразователях образуют кластеры вещества Ридберга, что приводит к снижению работы выхода коллектора с 1,5 эВ до 1,0–0,7 эВ. Благодаря долговечности вещества Ридберга, низкая работа выхода сохраняется в течение длительного времени, что существенно повышает эффективность низкотемпературного преобразователя.
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.