Устройство на основе суперконденсатора для получения электрической энергии из внутриатомной

Изобретение относится к средству прямого преобразования атомной энергии в электрическую. Используется явление локально-неравновесной эмиссии электронов, возникающее под действием α- или β-распада изотопов. Необходимый эффект преобразования ядерной энергии в электрическую достигается путем введения радионуклида в материал одного из электродов суперконденсатора. В приэлектродной области за счет кинетической энергии α, β-частиц возникают области возбуждения, из которых испускаются вторичные электроны, что приводит к появлению заряда двойного электрического слоя в приэлектродной области. В изобретении дорогостоящее изготовление устройств с радиоактивными веществами заменено на получение радионуклидов непосредственно внутри готовых суперконденсаторов с помощью их облучения нейтронами. Специально введенные в материал электрода вещества превращаются в радиоактивные изотопы, и суперконденсаторы превращается в источники электрической энергии. Техническим результатом является высокая удельная мощность при повышении радиационной безопасности в ходе изготовления, транспортировки и эксплуатации устройства.

 

Изобретение относится к области прямого преобразования атомной энергии в электрическую, а именно к конструкции устройства, используемого в качестве автономного источника электрической энергии, для изделий микросистемной техники, для применения в труднодоступных и экстремальных условиях, для систем мониторинга, связи, навигации, где требуются источники энергии с большим сроком автономной эксплуатации и постоянной готовности.

Известны β-вольтаические источники питания, содержащие β-активные изотопы (Ni-63, Се-144, Cs-137, Pm-147, Kr-85, Н-3 и др.), в которых испускаемые изотопами электроны или позитроны попадают на полупроводник. Например, известен компактный β-вольтаический источник тока длительного пользования с β-эмиттером на базе радиоизотопа ⁶³Ni и способ его получения (патент RU 2641100). В области р-n перехода происходит генерация электрон-дырочных пар, которые разделяются областью пространственного заряда. В результате на р- и n-поверхностях полупроводника возникает разность электрического потенциала. Период полураспада используемых изотопов может быть от 2,64 (Pm-147) до 100 (Ni-63) лет, поэтому срок службы β-вольтаических источников может составлять годы и десятки лет. Удельная мощность β-вольтаических источников питания может достигать 1 кВт/кг. Недостатком вышеуказанных источников питания является их высокая стоимость, что приводит к малому их использованию. Высокая цена обусловлена дороговизной выделения нужных изотопов (β или α активных) и сложностью работы с радиоактивным материалом. Изготовление одной функциональной батарейки на, например, ⁶³Ni (β-излучатель) обойдется в миллионы рублей. Даже перевод в серийное производство не приблизит цену известных автономных источников электроэнергии на разработанных принципах преобразования к цене химических источников. По этой причине источники энергии на радиоактивных изотопах использовали и используют, в основном, там, где большие затраты приемлемы (на космических объектах, в военной технике).

Известны также автономные радиоизотопные термоэлектрические генераторы, содержащие соединения радиоактивных изотопов (Ро-210, Pu-238, Sr-90 и др.) и в которых энергия радиоактивного распада переходит в тепло, а затем тепловая энергия преобразуется в электрическую (Э. Кэбин статья «Радиоизотопные источники электрической энергии и тепла» интернет сайт http://nuclphvs.sinp.msu.ru/nuc_techn/isotopes/index.html, дата обращения 7.12.2018). Для преобразования тепловой энергии в таких генераторах используют термоэмиссионные, динамические или термоэлектрические устройства. В термоэмиссионных устройствах разделение электрического заряда происходит в результате эмиссии электронов из нагретого катода. В динамических устройствах последовательность преобразования энергии дополняется механической стадией, на которой нагреваемое рабочее тело совершает механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию. В термоэлектрических устройствах используется эффект Зеебека возникновения ЭДС в термопарах при наличии градиента температуры. Такие генераторы энергии являются наиболее близкими по техническим решениям к заявленному изобретению и описаны во многих патентах (SU 1175312, SU 1325572, RU 2458420 и др.). Радиоизотопные термоэлектрические генераторы имеют КПД~3-5%, мощность до 100 Вт и используются в космических аппаратах, в маяках, бакенах и медицине. Недостатком таких радиоизотопных термоэлектрических генераторов является маленькая удельная мощность до 3 Вт/кг и высокая стоимость изделия. Задачей заявленного изобретения является создание устройства на основе суперконденсатора для получения электрической энергии из внутриатомной в котором электрическая энергия генерируется в суперконденсаторе, один из электродов которого содержит активируемые/активируемое нейтронами вещества / вещество, способные/способное к превращению в радионуклид/радионуклиды при облучении суперконденсатора нейтронами и имеющие/имеющее концентрацию в материале электрода, выбранную с учетом параметров суперконденсатора на основе результатов физического моделирования.

Необходимый эффект преобразования ядерной энергии в электрическую достигается путем введения радионуклида в материал одного из электродов суперконденсатора. Принцип прямого преобразования состоит в том, что в приэлектродной области за счет кинетической энергии первичных заряженных частиц (α-, β-частиц) возникают области возбуждения, из которых испускаются вторичные электроны, что приводит к появлению заряда двойного электрического слоя в приэлектродной области. Высокая удельная мощность достигается за счет большой межфазной площади, на которой происходит радиационно-индуцированное разделение заряда в суперконденсаторе, и зависит от концентрации радионуклида в материале электрода. В данном изобретении дорогостоящее изготовление систем с радиоактивными веществами заменено на получение радиоактивных изотопов непосредственно внутри готовых суперконденсаторов с помощью их облучения нейтронами. В результате взаимодействия с нейтронами специально введенные в материал электрода вещества превращаются в радионуклиды, и суперконденсатор превращается в источник электрической энергии. Устройство безопасно в изготовлении и эксплуатации, поскольку представляет собой закрытый радиоактивный источник а, Р и f излучения в результате деления радионуклида/радионуклидов.

Сущность изобретения раскрывается в нижеследующих пояснениях и примерах практического применения:

Пример 1.

Изготовлен суперконденсатор емкостью 100 Ф и внутренним сопротивлением 0,1 Ом, в которых площадь электродов составляла ~40 см, эффективная площадь ~2000 м. Электроды состояли из активированного угля со связующими:

фторопластом, бутадиенстирольным латексом, карбоксиметил-целлюлозой КМЦ. Органический электролит - раствор TEATFB в пропиленкарбонате с различной концентрацией 0,1-1 М. Один из электродов содержал наноструктурированный оксид SrO в количестве 1 мг/см². В процессе облучения нейтронами в результате реакции ⁸⁸Sr(n,g)⁸⁹Sr в материале одного электрода появляются β-активные изотопы. По результату измерений рост разности потенциалов между электродами в зависимости от поглощенной нейтронной дозы составляет около 1 мкВ/Гр.

Устройство на основе суперконденсатора для получения электрической энергии из внутриатомной отличается тем, что электрическая энергия генерируется в суперконденсаторе, один из электродов которого содержит активируемые/активируемое нейтронами вещества/вещество, способные/способное к превращению в радионуклид/радионуклиды при облучении суперконденсатора нейтронами и имеющие/имеющее концентрацию в материале электрода, выбранную с учетом параметров суперконденсатора на основе результатов физического моделирования.