Свойства радиоактивных изотопов, пригодных для термоэлектри

ческих генераторов [50]

Таблица X.7

* Состав после 1 года распада.

со ю

сп с<1

о иг - 2S

>2 E-S-S

о СЧ

1, COtJ.

СЧ fO

со о о (N

* со со

СЧ СЧ

СЧ -

- I о g g

-Го о о ш

£ (l) о

о о

СЧ f<><

СЧ 00

- сост.

сч

о S. с

C4tO\o о

а.1 о.

к ш я

. о.

1 g s5H

о g.U

а о а.

а. с

u) eg

CQ о.

rt С

I? 1

я о л я

S H E R

с к a.<u

Ш < CQ n S

E S s u u о

Рис. X.25. Схема цилиндрического теплового блока изотопного термогенератора:

1 - ампула с изотопом; 2 - изотоп (топливо); 3 - объем для газа; 4 - крышка блока; 6 - пробка; 6 - корпус блока [50].

Рис. Х.26. Схема конического теплового блока изотопного термогенератора:

; - изотоп (топливо); 2 - объем для газа; 3 - герметичный сварной шов; 4 - корпус блока; 5 - ампула с изотопом [42].

Рис. Х.27. Схема теплового блока прямоугольной формы:

; - изотопное ТОПЛИВО; 2 - ампуло с топливом; 3 - контейнер; 4 - прямоугольный блок; 5, 6, 7 - резьбовые уплотнения; S - цилиндрические контейнеры с изотопным топливом [32].

Разность температур между внутренней и внешней поверхнсс-тями стенки блока

r.-r. = (4ln + 2./i?,). (Х.9)

где у, - коэффициент теплопроводности материала топливной камеры, b - внешний радиус камеры, / - длина камеры, Rj. - тепловое сопротивление между внешней поверхностью и наружной стенкой. В формуле (Х.9) пренебрегается тепловым сопротивлением на границах внутренней и внешней поверхностей камеры; формула может быть использована и дутя нахождения перепадов температуры на других цилиндрических элементах модели - внутренней и внешней защитах, на оболочке - при соответствующей подстановке геометрлческих размеров и теплопроводности элементов.

Кроме эффективного переноса тепла от топлива к термобатареям и герметизации радиоактивного вещества тепловой блок должен удовлетворять ряду дополнительных требований; противостоять механическим воздействиям, вызванным термическими напряжениями, выдерживать внутренние давления газа, выделившегося при распаде, обеспечивать необходимую прочность в критических условиях (при ударах, воспламенении и т. д.).

При а-распаде изотопа образуется газ (гелий), давление которого определяется по формуле [42]

NtR*

(Х.Ю)

где Л/q - число молей испускающего а-частицы топлива в начальный момент времени t = О, R* - универсальная газовая постоянная, Vj, - объем газа. Я, - постоянная распада, Tf - температура газа в начальный момент времени. К; Т - температура окружающей с{зеды, К. По мере распада давление в ампуле нарастает и может достигать больших значений, поэтому в ампуле предусматривается объем, при котором давление не достигает критических значений. Обычно давление в ампуле не превышает 100 атм. Изотопы, генерирующие [5-излучение, могут также выделять газообразные продукты при радиохимических реакциях, обусловленных примесями в топливе; их накопление необходимо также учитывать при проектировании ампул.

Конструкция теплового блока должна обеспеч.ивать радиационную безопасность при различных внешних воздействиях в экстремальных условиях: авариях прн транспортировке, при запусках ракет, входе космического коцабля в плотные слои атмосферы, па-дении с большой высоты, погружении на большие глубины и т. д. Анализ возникающих при этом внешних воздействий показывает, что тепловой блок должен противостоять ударам при скоростях до 100 м/с, выдерживать давление до 500-700 атм и температуру до 1500-1800° С.

Термобатарея. Горячие спаи термобатареи приводятся в контакт нли непосредственно с поверхностью теплового блока, нли с внутренней радиационной защитой. Последняя применяется редко, так как свойства термоэлементов при облучениях в изотопном

генераторе изменяктгся песущественно. ХолоднБ1еГ сттян через внеш-нюю радиационную защиту и корпус обмениваются теплом с окружающей средой. Качество теплового контакта термобатареи по холодной и горячей частям является важным условием для обеспе-чения требуемого КПД И надежной работы генератора. Однако пайка, обычно используемая для достижения теплового контакта, в большинстве случаев неприемлема из-за термических напряжений, возникающих в жесткой конструкции, и может привести к разрушению, термоэлементов при вибрации или ударе. Ввиду этого разработаны варианты термоэлементов с пружинным поджимом к тепловому блоку (рис. X.28). Для достижения надежного теплового контакта могут быть использованы и жидкие припои в условиях, исключающих их испарение или утечку.

Материалы термоэлементов кроме высоких значений термоэффективности должны иметь достаточную механическую прочность и термическую стойкость, исключающую окисление или сублимацию в заданном интервале температур. Если материал подвержен таким процессам (например, РЬТе), то его поверхность покрывают защитным слоем

Рис. Х.28. Вариант конструкции термоэлемента для изотопного генератора:

/ - электроизоляция; 2 - теплоизоляция; 3 - коммутирующая пластина; 4 - уплотнение; 5 - прижимное устройство; fi - корпус; 7 - пружина ; 8 - термоэлемент; S - корпус теплового блока [42].

(окисью алюминия, окисью циркония и др.) или заполняют объем, окружающий термобатарею, инертным газом. Кроме РЬТе в изотоп-, ных генераторах используют термоэлектрические материалы Ge-Si; при изготовлении каскадных батарей применяют оба материала.

Теплоизоляция. Кроме малого коэффициента теплопроводности теплоизоляция должна иметь термическую и радиационную стойкость, слабо поглощать газы и не взаимодействовать с материалами термобатареи. Сведения об изоляционных материалах приведены в табл. Х.9 Х.Ю. Изоляция Min-K изготовлена из кварцевой пудры, асбестового волокна, двуокиси титана и фенольного бнидера. Применяется также изоляция из кварцевой пудры с размерами частиц менее 1 мкм (75%), кварцевого волокна (4-8%), двуокиси титана с размерами частиц до 5 мкм (16%). Теплопроводность изоляции на воздухе при 316° С и давлении 1 атм равна 0,03 Вт/(м К), в среде аргона - 0,025 Вт/(м К), в вакууме - 0,016 Вт/(м К). Теплоизоляторы иногда изготовляют в виде металлических пластин, пространство между которыми заполнено инертным газом. Применение теплоизоляторов уменьшает потери тепла в генераторе на 10-15% [50, 70].

Защита от излучений. Конструкция генератора должна обеспечивать безопасность на уровне минимально допустимых норм как