DE1112213B - Einrichtung zur unmittelbaren Umwandlung von durch Kernprozesse erzeugter Waermeenergie in elektrische Energie - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

G29264Vmc/21g

ANMELDETAG: 19. MÄRZ 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 3. AUGUST 1961

Es ist bekannt, aus Kernenergie direkt und ohne den Umweg über Wärmekraftmaschinen elektrische Energie nach dem Anlauf stromverfahren zu erzeugen. Die Methode beruht auf dem Effekt der Elektronenverdampfung aus heißen Oberflächen. Im Vakuum wird eine geheizte Elektrode, der Emitter, einer kalten Elektrode, dem Kollektor, gegenübergestellt. Elektronen verdampfen unter Wärmeverbrauch aus dem Emitter, gelangen auf den Kollektor und laden diesen fortgesetzt negativ auf. Dadurch entsteht eine Spannung der Größenordnung von etwa 1V zwischen Emitter und Kollektor, die in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit leisten kann. Dieser Elektronenübergang kann durch Raumladungseffekte behindert werden; um die Raumladung zu kompensieren, können in bekannter Weise positive Ionen — z. B. Cäsiumionen — in den Zwischenraum zwischen Emitter und Kollektor gebracht werden.

Die besondere Eignung des Anlaufstromverfahrens zur Erzeugung von Elektrizität aus Kernenergie liegt neben der prinzipiellen Einfachheit darin, daß bei diesem der Wirkungsgrad höher getrieben werden kann als bei Kernreaktoren, die mit herkömmlichen Wärmekraftmaschinen arbeiten. Hierzu ist es aber nach den bekannten Gesetzen der Thermodynamik notwendig, den Emitter bei entsprechend hoher und den Kollektor bei möglichst niedriger Temperatur zu betreiben.

Die Erfüllung dieser technischen Bedingung stößt infolge der Wärmeableitung vom heißen Emitter auf Schwierigkeiten, denn jeder Stromableiter führt gleichzeitig auch Wärme ab. Dabei steigt das Verhältnis der schädlichen Wärmeleitung zur erwünschten elektrischen Leitfähigkeit nach dem Gesetz von Wiedemann—Franz mit der Betriebstemperatur des Emitters an, so daß die mit zunehmender Temperatur theoretisch zu erwartende Erhöhung des Wirkungsgrades beim Anlaufstromverfahren durch die im Nebenschluß über die Stromableiter abfließende Wärme wieder zunichte gemacht wird.

Weiterhin ist es notwendig, die Wärmequellen, d. h. das spaltbare Material, z. B. Uran, möglichst dicht an die Emissionsfläche zu bringen. Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ist es ferner erforderlich, die Dichte des emittierten Elektronenstromes bei der zur Verfügung stehenden Spannung von etwa 1 V in der Größenordnung von vielen Ampere je cm² Oberfläche zu halten. Um den inneren Spannungsabfall der Anordnung in erträglichen Grenzen zu halten, müssen dabei die Stromwege in den hochtemperierten und daher relativ hochohmigen Bauteilen sehr kurz gehalten werden.

Einrichtung zur unmittelbaren Umwandlung

von durch Kernprozesse erzeugter
Wärmeenergie in elektrische Energie

Anmelder:

Dr. Rainer Günther,
Frankfurt/M., Georg-Speyer-Str. 77

Dr. Rainer Günther, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

Im Hinblick auf die vorgenannten Schwierigkeiten wird eine günstige Bauart für eine nach dem Anlaufstromverfahren arbeitende Einrichtung zur unmittelbaren Umwandlung von durch Kernprozesse erzeugter Wärmeenergie in elektrische Energie gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß ein mit der Emissionsfläche in elektrischem Kontakt stehender, zur Aufnahme des Spaltstoffes dienender Grundträger aus einem bei hohen Temperaturen elektrisch gut leitenden Stoff als Stromleiter dient und auf der der Emissionsfläche abgewandten Seite mit Stromableitern versehen ist, die vorzugsweise quer zur Stromflußrichtung derart geschichtet sind, daß die Schichten hoher Betriebstemperatur aus besonders warmfestem Material und die Schichten geringerer Betriebstemperatur aus Materialien möglichst großer Stromleitfähigkeit und möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen.

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachfolgend erläutert werden.

Die Fig. 1 zeigt die Grundform einer Konstruktion nach der Erfindung im Längsschnitt. Die Emissionsfläche 1, die z. B. aus Wolfram oder Zirkonkarbid bestehen kann, ist auf einen Grundträger 2 aus z. B. Graphit, Molybdän 92 oder Wolfram 184 aufgebracht. Diese Materialien haben hohe Schmelzpunkte und geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte sowie eine relativ gute elektrische Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Der Grundträger 2 weist Hohlräume 3 zur Aufnahme des Spaltstoffes (Kernbrennstoffes) auf. In der Querschnittsdarstellung der Fig. 2 ist die Anordnung dieser Hohlräume 3 verdeutlicht. Den zwischen den Hohlräumen 3 befindlichen Stegen fällt

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vor allem die Aufgabe zu, den elektrischen Strom von der Emissionsfläche 1 in die Stromableiter 5 zu führen. Die Stromableiter 5 sind, wie in der Fig. 2 gestrichelt angedeutet ist, derart angeordnet, daß sie unmittelbar an die Stege des Grundträgers 2 anschließen, wodurch der Stromweg in dem heißen Grundträger 2 kurz gehalten wird.

Jeder Stromableiter ist aus mehreren senkrecht zur Stromrichtung verlaufenden Schichten zusammengesetzt. In der Fig. 1 sind drei derartige Schichten 6, 7, 8 angedeutet. Die dem heißen Grundträger 2 zugekehrte Schicht 6 soll dabei aus besonders temperaturfestem Material bestehen, z. B. aus einem der oben für den Grundträger 2 angegebenen Stoffe. Für die Wahl des Materials der folgenden Schichten? 15 und 8 braucht wegen deren geringerer Betriebstemperatur auf hohe Schmelz- und Siedepunkte weniger Rücksicht genommen zu werden. Sie können daher aus einem Material gefertigt sein, das auf Grund seiner Wiedemann-Franz-Zahl ausgewählt ist. Auf diese Weise läßt sich durch geeignete Wahl von Schichtdicken und Materialien bei den jeweils herrschenden Betriebstemperaturen ein möglichst kleines Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu Stromleitfähigkeit für den gesamten Stromableiter 5 erreichen. Es ist dabei im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, Materialien zu verwenden, aus denen Isotope mit ungünstigen neutronenphysikalischen Eigenschaften, insbesondere großen Einfangquerschnitten, möglichst weitgehend entfernt sind. Auch dieser Umstand läßt sich bei der Auswahl des Materials der einzelnen Stromabieiterschichten berücksichtigen.

Die Stromableiter 5 sind mit einer Platte 9 verbunden, deren dem Grundträger 2 zugekehrte Oberfläche einen hohen optischen Reflexionsgrad aufweist. Damit werden die Verluste durch Wärmestrahlung von dem heißen Grundträger vermindert. Diese Oberfläche kann aus blankem Metall, z. B. Aluminium, oder aus einem weißen Stoff, z. B. Magnesiumoxyd, bestehen. Wegen der wesentlich niedrigeren Betriebstemperatur der Platte 9 kann ihr Stromleitungsquerschnitt entsprechend geringer sein als der Querschnitt der Stromableiter 5. An ihr kann unmittelbar das Stromanschlußkabel 10 liegen.

Der Emissionsfläche 1 mit Abstand gegenüberstehend ist die Kollektorplatte 12 angeordnet. Diese letztere und der Grundträger 2 werden durch einen ringförmigen Keramikkörper 13 von etwa C-förmigem Querschnitt zusammengehalten und bilden mit diesem zusammen ein Vakuumgefäß. Die Stromableiter 14 der Kollektorplatte 12 sind ebenfalls aus Schichten verschiedener Materialien zusammengesetzt und in an sich bekannter Weise als Thermoelemente ausgebildet, die zusätzlichen Strom erzeugen. Die Stromableitung zu dem Kabel 15 erfolgt über eine Platte 16. Die zusätzliche thermoelektrische Stromerzeugung ist dann vorhanden, wenn aus irgendeinem Grunde ein Temperaturgefälle von der Kollektorplatte 12 zur Platte 16 bestehen muß, z. B. wenn die Oberfläche der Kollektorplatte 12 aus dem für Oxydkathoden verwendeten Materialien besteht.

Mehrere der in der Fig. 1 dargestellten Anordnungen können zur Erzielung höherer Spannung elektrisch in Reihe geschaltet und räumlich übereinander angeordnet werden. Die Zwischenräume zwischen den dann einander gegenüberstehenden Platten 9 und 16 sowie der Raum zwischen den Platten 12 und 16 können dabei in an sich bekannter Weise mit Moderatoren oder strömenden Kühlmitteln angefüllt sein.

Selbstverständlich können alle Platten, insbesondere die Platten 1 und 12, auch gewölbt oder gebogen sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines Anlaufstromreaktors hat die folgenden technischen Vorzüge:

a) Der entstehende elektrische Strom hat nur kurze Wege im heißen Material relativ schlechter elektrischer Leitfähigkeit zurückzulegen. Dies ist im Hinblick auf Betriebstemperaturen von über 1000° C und Stromdichten von etwa 1 bis 100 Ampere je cm^a Oberfläche wichtig.

b) Verluste durch Wärme und Strahlungsableitung, die bei den hohen Betriebstemperaturen erhebliche Werte annehmen können, lassen sich durch die beschriebene Schichtung der Stromabnehmer des Emitters sowie durch die reflektierende Schicht der Platte 9 gering halten.

c) Die den Stromableitern des Emitters analoge Schichtung der Stromableiter des Kollektors ermöglicht es, diese letzteren in an sich bekannter Weise als Thermoelemente zur zusätzlichen Stromerzeugung auszubilden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur unmittelbaren Umwandlung von durch Kernprozesse erzeugter Wärmeenergie in elektrische Energie mit einer durch Spaltstoff geheizten Elektrode (Emitter) und einer dem Emitter gegenüberstehend und elektrisch isoliert davon angeordneten kalten Elektrode (Kollektor), dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Emissionsfläche in elektrischem Kontakt stehender, zur Aufnahme des Spaltstoffes dienender Grundträger aus einem bei hohen Temperaturen elektrisch gut leitenden Stoff als Stromleiter dient und auf der der Emissionsfläche abgewandten Seite mit Stromableitern versehen ist, die vorzugsweise quer zur Stromflußrichtung derart geschichtet sind, daß die Schichten hoher Betriebstemperatur aus besonders warmfestem Material und die Schichten mit geringerer Betriebstemperatur aus Materialien möglichst guter Stromleitfähigkeit und möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der dem Kollektor abgewandten Seite des Grandgerüstes eine reflektierende Platte angebracht ist.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Materialien, aus denen Isotope mit neutronenphysikalisch unerwünschten Eigenschaften, insbesondere großen Einfangquerschnitten, weitgehend entfernt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021062;
Zeitschrift:» Nucleonics«, Bd. 17,1959, S. 49 bis 55.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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