Определение основных размеров изотопного генератора

Руководство к лабораторной работе по курсу

ИЗОТОПНОГО ГЕНЕРАТОРА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова

Кафедра «Космические летательные аппараты и двигатели»

«Энергосистемы»

Cанкт-Петербург

Лабораторная работа №2

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.

T_1/2

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/см^3	Хим. соединение
	Полоний	84Po^210				9.6	PbPo
	Плутоний	94Pu^238		0.6		11.5	PuO2
	Кюрий	96Cm^244		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:

Дата добавления: 2014-12-24