Изотопный генератор постоянного тока

 

Устройство относится к аппаратам, производящим электроэнергию, т.е. к генераторам электрической энергии. Областями применения предлагаемого генератора могут стать любые машины с мобильным устройством генерации электроэнергии, системы автономного электроснабжения и др. Для достижения целей технического результата - процесса генерации электрической энергии, используется явление радиоактивного распада. Изотопный генератор постоянного тока, включающий две конусные чашки, в виде несимметричных конусов, разделенных диэлектрической перегородкой, стянутых основаниями в единый корпус электрически изолированными стяжками, при этом на диэлектрической перегородке с двух сторон закреплены металлические пластины - это металлическая обкладка -камеры с одной стороны, соединенная с положительной клеммой, и свинцовая минусовая клемма, изолированная оксидным слоем диэлектрика от алюминиевой обкладки -камеры с другой стороны, конусная чашка корпуса -камеры выполнена из алюминия, является второй отрицательной клеммой, имеет оксиднос диэлектрическое покрытие изнутри, -камера заполнена электролитом, снабжена конусом отекания заряда к обкладке -камеры, диафрагмой для регулирования интенсивности -излучения и перепускным клапаном, конусная чашка -камеры выполнена из свинца, -камера вакуумирована, снабжена изолированным и выведенным наружу корпуса проводником датчика потенциометра, соединенным с положительной клеммой, снабжена щелевым затвором источника -излучения, с механическим приводом величины щели, для регулирования интенсивности -излучения и процесса генерации, источники и -излучения являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами радиоактивными изотопами.

Устройство относится к генераторам электрической энергии.

Известны локальные электрической станции с использованием преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. А.С. 2182380 от 01.05.2002 г. (аналог). Электростанция содержит свинцовый корпус, радиоактивное вещество, расположенные вертикально либо горизонтально фотоэлектробатареи и теплообменник. Фотоэлектробатареи обладают дырочной проводимостью и выполнены в два либо четыре ряда. Теплообменник выполнен в виде щелевой камеры с вентиляционными отверстиями из материала, пропускающего радиацию. Он расположен между фотоэлектробатареями и радиоактивным веществом для защиты от их возможного перегрева. Возможно заполнение камеры теплообменника хладагентом. На корпусе электростанции вмонтирована сигнальная лампочка. В качестве радиоактивного вещества используют вещество, излучающее, например, -кванты.

За прототип можно принять устройство, содержащее емкость, выполненную из антирадиационного материала, с размещенными в ней радионуклидами. А.С. 2130658 от 20.05.1999 г. Емкость соединена проводами через трансформатор с потребителем электроэнергии. Верхняя участь емкости выполнена в виде замкнутого короба, разделенного перегородкой на верхнюю и нижнюю полости. Верхняя полость короба заполнена диэлектрическими ячейками, в которых размещены полупроводниковые вещества, образующие последовательно соединенные контактами аноды и катоды. Нижняя полость короба вакуумирована для защиты батареи анодов и катодов от нагрева. При попадании излучения радионуклидов на полупроводниковое вещество в нем возникает электрический ток, который может быть передан потребителю.

Эти устройства имеют свои достоинства и недостатки. Для большинства устройств недостатком является их немобильность (стационарное использование), большие размеры (например, фотоэлектрические панели) и большая масса.

Целью предлагаемого решения является получение электрической энергии, используя явление радиоактивного распада. Радиоактивность характеризуется не только определенным набором испускаемых частиц, но также и энергией. Энергии испускаемых частиц могут достигать многих миллионов электронвольт, что во много раз превосходит энергии химических процессов.

Изотопный генератор постоянного тока, включающий две конусные чашки, в виде несимметричных конусов, разделенных диэлектрической перегородкой, стянутых основаниями в единый корпус электрически изолированными стяжками, при этом на диэлектрической перегородке с двух сторон закреплены металлические пластины - это металлическая обкладка -камеры с одной стороны, соединенная с положительной клеммой, и свинцовая минусовая клемма, изолированная оксидным слоем диэлектрика от алюминиевой обкладки -камеры с другой стороны, конусная чашка корпуса -камеры выполнена из алюминия, является второй отрицательной клеммой, имеет оксидное диэлектрическое покрытие изнутри, -камера заполнена электролитом, снабжена конусом отекания заряда к обкладке -камеры, диафрагмой для регулирования интенсивности -излучения и перепускным клапаном, конусная чашка -камеры выполнена из свинца, -камера вакуумирована, снабжена изолированным и выведенным наружу корпуса проводником датчика потенциометра, соединенным с положительной клеммой, снабжена щелевым затвором источника -излучения, с механическим приводом величины щели, для регулирования интенсивности -излучения и процесса генерации, источники и -излучения являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами радиоактивными изотопами.

Областями применения предлагаемого генератора могут стать любые машины с мобильным устройством генерации электроэнергии (суда надводные, подводные, воздушные, авто и железнодорожный транспорт, космические аппараты и т.д.), системы автономного электроснабжения и др.

Предлагаемый генератор электрической энергии иллюстрирован чертежами, представленными на фигурах 1-5.

На фиг.1 - представлен продольный разрез генератора;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;

на фиг.3 - вид Б на фиг.1;

на фиг.4 - схема подключения генератора и элементы управления;

на фиг.5 - эскиз процесса рассеяния у - излучения.

Изотопный генератор постоянного тока состоит из источника -излучения 1, источника -излучения 2, разделительной диэлектрической перегородки 3, двух конусных чашек 4, 5, -камеры 6, -камеры 7, -камера 6 заполнена электролитом 8, содержит обкладку 9 и имеет диэлектрическое покрытие 20 по внутренней поверхности корпуса 4, снабжена конусом 11 отекания заряда к обкладке 9 с наружным выводом «+» 12, -камера 7 вакуумирова, содержит обкладку 10, «-» клемма 13 выполнена в виде пластины и изолирована слоем диэлектрика от обкладок 9, 10 и снабжена наружным выводом, имеется «-» клемма 19 с корпуса -камеры 6, конусные чашки 4, 5 стянуты в единый корпус электрически изолированными стяжками 14, интенсивность -излучения регулируется диафрагмой 15, -излучения - щелевым затвором 16, щелевой затвор 16 и диафрагма 15 связаны между собой электрическим и механическим приводом 17, проводник 18 соединен с датчиком потенциометра. Для стравливания гелия в верхней части -камеры установлен перепускной клапан 21.

Источники и -излучения 1, 2 являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами радиоактивными изотопами.

Материал корпуса -камеры 5, пластины «-» клеммы 13, створок щелевого затвора 16 должен обеспечивать защиту от радиоактивного излучения - это может быть свинец, материалом стержней источников излучения 1, 2 - титан.

Генератор работает следующим образом.

Источники и -излучения 1,2 закрыты диафрагмой 15 и щелевым затвором 16, изолированы от камер 6,7 и генерации энергии не происходит.

-камера конструктивно напоминает упрощенное устройство электролитического конденсатора. Электролитический конденсатор (упрощенно) - это алюминиевая колба с внутренним диэлектрическим (оксидным) покрытием, которая заполнена электролитом. В электролит погружен проводник, изолированный от колбы. Если к колбе (катод «-») и к проводнику (анод «+») приложить разность потенциалов, то в результате ионизации электролита произойдет накопление заряда. Одной обкладкой такого конденсатора считается электролит. Соответственно при подключении потребителя возникает разряд. В предлагаемом устройстве ионизация электролита происходит воздействием ионизирующего -излучения.

Для начала процесса генерации открывается диафрагма 15, поток -излучения направляется в камеру через отверстие диафрагмы. Энергия -излучения тратится на ионизацию электролита 8, свободные электроны накапливаются на корпусе конусной чашки -камеры 4, электролит и корпус разделены диэлектрическим покрытием. В результате в -камере в среде электролита 8 создается положительный заряд, который стекает по конусу отекания заряда 11 на обкладку 9 -камеры 6, а на корпусе 4 - отрицательный, т.е. возникает разность потенциалов.

Физические причины процесса следующие: Предположим, что источник -излучения стабилен некоторое время. Например полоний, обладает свойствами металла и соответственно при температурах от -30 до +40 град Цельсия (предполагаемые условия эксплуатации) имеет кристаллическую решетку. При условии стабильности (имеется в виду - радиоактивного распада не происходит) материал электрически нейтрален. Т.е. количество протонов в ядрах атомов соответствует количеству электронов в оболочках атомов. В какой то момент времени происходит распад. Нестабильное ядро атома «выстреливаете -частицу с высокой скоростью. При этом заряд ядра атома уменьшается на два. Два электрона оболочки атома остаются не связанными (избыточными) в структуре кристаллической решетки источника (Эффект «стряхивания»). Поскольку материал источника излучения и продукт распада обладают свойствами проводника, а сам источник закреплен на корпусе -камеры, то эти «избыточные» электроны накапливаются именно на корпусе, -частица - это ядро атома гелия «потерявшее» два электрона, обладающая высокой скоростью и потенциалом ионизации. Длина пробега -частицы, в предлагаемом устройстве достаточна, для того чтобы достичь поверхности электролита. Электролит изначально электрически нейтрален. Заряд -частицы «плюсе два, -излучение имеет корпускулярную структуру, а сами частицы имеют большие размеры и заряд по масштабам элементарного мира, глубокого проникновения в облучаемый материал не произойдет. Частицы быстро потеряют скорость и энергию. Но, -частицу можно рассматривать как ион гелия с достаточно высоким потенциалом ионизации. Будет происходить ионизация электролита с «восстановлением» -частиц до атомарного гелия. Кроме того, в качестве среды ионизации можно использовать газ, например гелий, и физика накопления заряда аналогична соответственно - газовому конденсатору. Изотопы, источники -излучения - стабильны при условии их полной герметизации от внешней среды. Что используется в предлагаемом устройстве - механическая изоляция источника от -камеры герметично-закрываемой диафрагмой. Описанное можно применять как отдельное устройство.

После создания разности потенциалов в -камере 6 подключается потребитель, открывается затвор 16 -камеры 7, поток -излучения направляется в камеру на обкладку 10. Материал обкладки 10 -камеры - это проводник, легкий материал с небольшим числом Z атомного номера вещества (алюминий). По толщине пластины, обкладка 10 -камеры является средой комптоновского рассеяния на электронах. Радиоактивный изотоп (источник -излучения 2), материал обкладки 10 -камеры и разделяющий слой диэлектрика подобраны таким образом, чтобы энергия -кванта тратилась в результате некогерентного (комптоновского) рассеяния на придание (См. фиг.5) импульса отдачи Pе электронам. Комптон-эффект ограничивает пробег жестких фотонов в веществе. В результате многократных рассеяний жесткий фотон уменьшает свою энергию (отдавая ее электронам), переходит в др. область спектра и поглощается вследствие фотоионизации атомов.

Величина приобретенной энергии электроном в результате процесса рассеяния, должна быть достаточна для преодоления таким электроном ширины запрещенной зоны диэлектрической прослойки между обкладкой 10 -камеры и минусовой клеммой 12. В результате комптоновского рассеяния на обкладке 10 -камеры, кванты передают электронам часть своей энергии и импульса, при этом изменяется длина волны и энергия -кванта. Перечисленные выше механизмы взаимодействия -квантов с веществом не затрагивают внутренней структуры атомных ядер, а «туннелирование» комптоновских электронов отдачи через слой диэлектрика позволяет переносить отрицательный заряд с обкладки 10 -камеры на минусовую клемму 12. Оставшееся ослабленное и рассеянное излучение поглощается на минусовой клемме 12 и корпусе -камеры 5. Поэтому в качестве материала нужно использовать материал-проводник, с высоким линейным коэффициентом поглощения фотонов. Например - свинец.

Поскольку фотоны -излучения естественных радиоактивных изотопов будут иметь распределение, а процессы рассеяния имеют вероятностный характер, то искомый результат тоже будет носить вероятностный характер. Тем не менее, результат достижим. И применительно для устройства, необходимо поддерживать определенную силу тока ie на обкладке -камеры, чтобы описанный эффект был наиболее вероятен. В результате «туннелирования» электронов, между обкладкой 10 -камеры и «-» клеммой 12 формируется электрическая разность потенциалов. Величина которого будет зависеть от интенсивности -излучения, энергии квантов источника и вероятности взаимодействия в толще облучаемой пластины. Поскольку конструктивно обкладка 10 -камеры и минусовая клемма 12 моделируют плоский конденсатор, то описываемый процесс возможен в динамике, когда клеммы генератора подключены к потребителю и происходит заполнение недостающими электронами облучаемой пластины, т.е. в объеме обкладки -камеры протекает электрический ток, величина которого зависит от накопленной разности потенциалов. Необходимо контролировать эту величину и соответственно поддерживать этот процесс.

Возможно также применение для целей устройства в процессе облучения не легких материалов (обкладка -камеры), а материалов середины периодической системы элементов в состоянии высокой ионизации. Фотоэффекта на облучаемой пластине возникать не будет, а энергии -квантов достаточно для ионизации нижних уровней электронного слоя. Накопленный потенциал в этом случае будет иметь достаточно высокую величину.

Степень открытия затвора 16 зависит от степени открытия диафрагмы 15 и тем самым регулируется интенсивность генерации электроэнергии. Схема подключения генератора и элементы управления представлены на фиг.4, где M1, M2 электроприводы диафрагмы 15 и щелевого затвора 17, Rнагр - потребитель, БУ - блок управления. Электрическая энергия снимается с клемм 12, 13 генератора соединением клемм с потребителем постоянного тока

Датчик потенциометра присоединен к обкладке 10 -камеры 7 через проводник 18 и необходим для исключения аварийного режима накопления потенциала на обкладках 9 и 12 генератора. Управление осуществляется путем сравнения потенциала, с эталонным - UN, от независимого источника напряжения. При накоплении избыточного заряда свыше допустимого (номинального) рассчитанного для безопасной работы генератора, блок управления выдает сигнал на закрытие (прикрытие) диафрагмы 15 и затвора 16, тем самым уменьшая интенсивность и -излучения источниками 1, 2.

Датчик также необходим для поддержания номинального режима работы генератора в случае увеличения нагрузки со стороны потребителя, посредством механического и электрического приводов 17, путем открытия диафрагмы 15 и затвора 16 до режима номинального накопления заряда на обкладках генератора.

Генератор работоспособен до момента полного распада всех изотопов в топливных элементах (или на расчетный период времени распада большинства изотопов). Возобновляется работа генератора - заменой топливных элементов, извлечением старых и установкой новых, подготовленных стержней с необходимыми изотопами.

На фигурах чертежей
1. Источник -излучения (топливный элемент); 13. «+» клемма генератора;
14. Стяжка корпуса;
2. Источник -излучения; 15. Диафрагма источника -излучения;
3. Диэлектрическая перегородка;
4. Корпус -камеры; 16.Щслевой затвор источника -излучения;
5. Корпус -камеры;
6. -камера;17. Механический привод;
7. -камера;18. Проводник датчика
8. Электролит (ионизационная среда -камеры);потенциометра.
19. «-» клемма -камеры;
9. Обкладка -камеры;20. Диэлектрическое покрытие
10. Обкладка -камеры;-камеры;
11. Кону с отекания заряда; 21. Перепускной клапан.
12. «-» клемма генератора;

е - электрон,
, ' - квант падающего и рассеянного фотона,
Р i, Ре - вектор импульса электрона до рассеяния и после,
t - вектор электрического тока через потребитель R,
i e - вектор дрейфа электрона на обкладке -камеры,
- угол рассеяния,
тонкими линиями иллюстрированы силовые линии Кулоновского электрического поля фиг.5

Изотопный генератор постоянного тока, включающий две конусные чашки в виде несимметричных конусов, разделенных диэлектрической перегородкой, стянутых основаниями в единый корпус электрически изолированными стяжками, при этом на диэлектрической перегородке с двух сторон закреплены металлические пластины - это металлическая обкладка -камеры с одной стороны, соединенная с положительной клеммой, и свинцовая минусовая клемма, изолированная оксидным слоем диэлектрика от алюминиевой обкладки -камеры, с другой стороны, конусная чашка корпуса -камеры выполнена из алюминия, является второй отрицательной клеммой, имеет оксидное диэлектрическое покрытие изнутри, -камера заполнена электролитом, снабжена конусом стекания заряда к обкладке -камеры, диафрагмой для регулирования интенсивности -излучения и перепускным клапаном, конусная чашка -камеры выполнена из свинца, -камера вакуумирована, снабжена изолированным и выведенным наружу корпуса проводником датчика потенциометра, соединенным с положительной клеммой, снабжена щелевым затвором источника -излучения с механическим приводом величины щели, для регулирования интенсивности -излучения и процесса генерации источники и -излучения являются расходными топливными элементами и установлены в вершинах конусной части камер, выполнены в виде сменных полых стержней с конусным отверстием в боковой части с помещенными внутрь топливными материалами - радиоактивными изотопами.



 

Похожие патенты:

Скважинный автономный генератор электроэнергии относится к области бурения скважин, а более конкретно к электрическим машинам для питания передающих устройств скважинной аппаратуры и может быть использована для питания автономных забойных, геофизических и навигационных комплексов

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для энергоснабжения объектов стабильной сетью переменного тока при переменной скорости вращения первичного двигателя

Полезная модель относится к высокочастотной связи по проводам линий электропередачи, используемой в области энергетики

Предлагаемая полезная модель синхронного электрического генератора отличается от известных ротором, выполненным в виде 2-х магнитных торцевых систем и расположением П-образных ферромагнитных скоб.
Наверх