termiyonik dönüştürücü - Thermionic converter

Bir termiyonik dönüştürücü , bir potansiyel enerji bariyeri üzerinden daha soğuk bir elektrota termiyonik olarak elektron yayan ve faydalı bir elektrik gücü çıkışı üreten bir sıcak elektrottan oluşur . Sezyum buharı, elektrot çalışma fonksiyonlarını optimize etmek ve elektron uzay yükünü nötralize etmek için bir iyon kaynağı ( bir plazmada yüzey iyonizasyonu veya elektron darbe iyonizasyonu ile) sağlamak için kullanılır .

Tanım

Fiziksel elektronik bakış açısından, termiyonik enerji dönüşümü doğrudan üretim elektrik gücü ile ilgili ısı termiyonik elektron emisyon ile. Bir kaynaktan bir termodinamik açıdan, bir güç üreten döngüsünde çalışma sıvısı olarak elektron buhar kullanılmasıdır. Bir termiyonik dönüştürücü, elektronların termiyonik emisyon ile buharlaştırıldığı bir sıcak yayıcı elektrottan ve elektrotlar arası plazma yoluyla iletimden sonra yoğunlaştıkları daha soğuk bir toplayıcı elektrottan oluşur . Ortaya çıkan akım, tipik olarak emitör yüzeyinin santimetre karesi başına birkaç amper , emitör sıcaklığına (1500-2000 K) bağlı olarak 0,5–1 voltluk tipik bir potansiyel farkı ve %5–20 termal verimde bir yüke elektrik gücü sağlar. ve çalışma modu.

Tarih

1957'de V. Wilson tarafından pratik ark modlu sezyum buharlı termiyonik dönüştürücünün ilk gösteriminden sonra, sonraki on yılda güneş , yanma , radyoizotop ve nükleer reaktör ısı kaynakları ile kullanımı dahil olmak üzere çeşitli uygulamaları gösterildi . Bununla birlikte, en ciddi şekilde takip edilen uygulama, uzayda elektrik enerjisi üretimi için termiyonik nükleer yakıt elemanlarının doğrudan nükleer reaktörlerin çekirdeğine entegre edilmesiydi. Termiyonik dönüştürücülerin diğer uygulamalarda pratik kullanımlarını zorlaştıran olağanüstü yüksek çalışma sıcaklığı , termiyonik dönüştürücüye radyan ısı reddinin gerekli olduğu uzay gücü uygulamasında rakip enerji dönüştürme teknolojilerine göre belirleyici avantajlar sağlar. 1963–1973 döneminde ABD , Fransa ve Almanya'da önemli termiyonik uzay reaktör geliştirme programları yürütüldü ve ABD 1983–1993 döneminde önemli bir termiyonik nükleer yakıt elementi geliştirme programını yeniden başlattı.

Termiyonik güç sistemleri, 1967 ve 1988 yılları arasında bir dizi Sovyet askeri gözetleme uydusunda elektrik güç kaynağı olarak çeşitli nükleer reaktörlerle ( BES-5 , TOPAZ ) birlikte kullanıldı. Daha fazla ayrıntı için bkz. Kosmos 954 .

ABD ve Rus uzay programları kısıtlandıkça termiyonik reaktör kullanımının önceliği azalmış olsa da , termiyonik enerji dönüşümünde araştırma ve teknoloji geliştirme devam etmiştir. Son yıllarda güneş enerjisiyle ısıtılan termiyonik uzay güç sistemleri için teknoloji geliştirme programları yürütülmüştür. Evsel ısı ve elektrik enerjisi kojenerasyonu ve doğrultma için prototip yanmalı ısıtmalı termiyonik sistemler geliştirilmiştir.

Tanım

Termiyonik enerji dönüşümünün bilimsel yönleri öncelikle yüzey fiziği ve plazma fiziği alanlarıyla ilgilidir . Elektrot yüzey özellikleri , elektrot yüzeylerindeki elektron emisyon akımının ve elektrik potansiyelinin büyüklüğünü belirler ve plazma özellikleri, elektron akımının emitörden toplayıcıya taşınmasını belirler. Bugüne kadarki tüm pratik termiyonik dönüştürücüler, elektrotlar arasında hem yüzey hem de plazma özelliklerini belirleyen sezyum buharı kullanır. Sezyum, tüm kararlı elementler arasında en kolay iyonize olanıdır.

Bir termiyonik jeneratör, döngüsel bir ısı motoru gibidir ve maksimum verimi Carnot kanunu ile sınırlıdır. 1-2V gerilimde 25-50 (A/squarecm) akım yoğunluklarının elde edildiği alçak gerilim yüksek akım cihazıdır. Yüksek sıcaklıktaki gazların enerjisi, kazanın yükseltici tüplerine, ara boşluk iyonize sezyum buharı ile doldurulmuş bir termiyonik jeneratörün katodu ve anodu sağlanırsa, kısmen elektriğe dönüştürülebilir.

Birincil ilgilenilen yüzey özelliği, yüzeyden elektron emisyon akımını sınırlayan bariyer olan ve esasen yüzeyden elektronların buharlaşma ısısı olan iş fonksiyonudur . İş fonksiyonu, öncelikle elektrot yüzeylerine adsorbe edilen bir sezyum atomu tabakası tarafından belirlenir. Elektrotlar arası plazmanın özellikleri, termiyonik dönüştürücünün çalışma modu ile belirlenir. Ateşleme (veya "ark") modunda plazma, sıcak plazma elektronları (~ 3300 K) tarafından dahili olarak iyonizasyon yoluyla korunur; ateşlenmemiş modda plazma, dışarıdan üretilen pozitif iyonların soğuk bir plazmaya enjeksiyonu yoluyla korunur; hibrit modda plazma, soğuk plazma ara elektrot bölgesine aktarılan bir sıcak plazma ara elektrot bölgesinden iyonlar tarafından korunur.

Son iş

Yukarıda belirtilen tüm uygulamalar, termiyonik dönüştürücünün temel fiziksel anlayışının ve performansının esasen 1970'den önce elde edilenlerle aynı olduğu teknolojiyi kullanmıştır. Bununla birlikte, 1973'ten 1983'e kadar olan dönemde, gelişmiş düşük sıcaklıklı termiyonik dönüştürücü teknolojisi üzerine önemli araştırmalar yapılmıştır. fosil yakıtlı endüstriyel ve ticari elektrik üretimi için ABD'de gerçekleştirildi ve olası uzay reaktörü ve deniz reaktörü uygulamaları için 1995 yılına kadar devam etti . Bu araştırma, sezyum buharına oksijen eklenmesi , elektrot yüzeylerinde elektron yansımasının bastırılması ve hibrit mod çalışması ile konvertör performansında önemli gelişmelerin artık daha düşük çalışma sıcaklıklarında elde edilebileceğini göstermiştir . Benzer şekilde, oksijen içeren elektrotların kullanımı yoluyla iyileştirmeler, gelişmiş termiyonik dönüştürücü performansını kullanan sistemlerin tasarım çalışmaları ile birlikte Rusya'da gösterilmiştir. Son çalışmalar, termiyonik dönüştürücülerdeki uyarılmış Cs-atomlarının , toplayıcı yayan iş fonksiyonunun 1.5 eV'den 1.0 – 0.7 eV'ye düşmesine neden olan Cs- Rydberg madde kümeleri oluşturduğunu göstermiştir . Rydberg maddesinin uzun ömürlü doğası nedeniyle, bu düşük çalışma fonksiyonu uzun süre düşük kalır ve bu da esasen düşük sıcaklık dönüştürücünün verimliliğini artırır.

Ayrıca bakınız

Referanslar