Термоэмиссионные преобразователи энергии.
1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях.
Различные типы ТЭП разрабатываются для питания систем и оборудования КЛА,  в
особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ  порядка  0,1
— 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При  мощностях  более  1  кВт
предпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее  перспективны  для  космических  АЭУ
длительного  действия.  Достоинства  ТЭП  —  большой  ресурс,   относительно
высокий КПД и  хорошие  удельные  энергетические,  а  также  массогабаритные
показатели.  В  настоящее  время  выполняют  ЯРТЭП  по  интегральной   схеме
совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом ТЭП-ТВЭЛ  образуют  конструкцию
реактора-генератора. Возможно и раздельное  исполнение  реактора  т  ТЭП,  в
котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.
      Недостатки ТЭП состоят  в  нестабильности  характеристик  и  изменении
межэлектродных  размеров  вследствие  ползучести  (свеллинга),  а  также   в
технологических   затруднениях   при   выполнении   малых   зазоров    между
электродами,  необходимости  компенсации  объемного  заряда   электронов   в
межэлектродном зазоре.
      Совмещенные с ТВЭЛ  цилиндрические  элементарные  ТЭП  последовательно
соединяются  в  гирлянду,  образующую   электрогенерирующий   канал   (ЭГК),
размещаемый  в  активной  зоне  ректора.  Уменьшение  объема  активной  хоны
ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении  ЭГК
из реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП  энергия  к  ТЭП  от  ТВЭЛ
может  подводиться   тепловыми   трубами.   Последние   представляют   собой
устройства  для  передачи  тепла   от   нагревателя   к   потребителю   (или
холодильнику) посредством использования для  поглощения  и  выделения  тепла
фазовых (газожидкостных) переходов рабочего тела. перемещение рабочего  тела
осуществляется капиллярными  силами  (при  наличии  «фитиля»  или  пористого
элемента конструкции  тепловой  трубы),  центробежными  и  электромагнитными
силами в зависимости от конкретного устройства тепловой трубы.
       Для получения необходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения)  ЭГК
соединяют по  последовательно-паралелльным  схемам.  Различают  вакуумные  и
газонаполненные ТЭП, причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют  лучшие
показатели.  Их  характеризуют  удельная  масса  ЭГК  G*  =  3   10  кг/кВт,
поверхностная плотность мощности Р* = 100  200 кВт/м2 (на  единицу  площади,
эмитирующей электроны), плотность тока
эмиттера J = 5 8 A/cм2 , КПД преобразования тепла в электроэнергию   =  0,15
0,25, рабочий ресурс — более 104 ч (до 5 лет).  Вакуумные  ТЭП  в  настоящее
время  применяются  сравнительно  мало   вследствие   сложности   технологии
изготовления межэлектродных зазоров порядка 10-2 мм,  при  которых  возможны
удовлетворительные эксплуатационные показатели преобразователей.
2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей.
      Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте  Эдисона)
—  испускании  электронов  нагретым   металлическим   катодом   (эмиттером).
Физическими  аналогами  вакуумных  и  газонаполненных  ТЭП   могут   служить
электронные лампы  —  вакуумные  диоды  и  газотроны.  В  отдельных  случаях
вследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные  ТЭП,
но лучшие характеристики имеют, как  указывалось,  ТЭП,  наполненные  парами
легкоионизирующегося металла — цезия (Сs). Различают межэлектродные  газовые
промежутки ТЭП с частичной и  полной  ионизацией.  Последние  принадлежат  к
плазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.
      Процесс преобразования энергии в ТЭП  рассмотрим  вначале  на  примере
анализа  плоской  вакуумной  модели  элементарного  генератора   (рис.   1.)
Промежуток  между металлическими  электродами  —  катодом  (эмиттером)  1  и
анодом (коллектором)  2,  заключенными  в  вакуумный  сосуд  3,  откачан  до
давления 0,133 мПа (примерно 10-6 мм рт.  ст.).  Электроды  и  их  выводы  4
изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия  Q1,  и
он нагревается  до  температуры  Т1   2000К.  Коллектор  поддерживается  при
температуре  Т2  <  Т1  вследствие  отвода  от  него  тепловой  энергии  Q2.
Распределение электронов по энергиям в  металле  электрода  зависит  от  его
химической природы и определяется среднестатистическим  уровнем  Ферми.  Это
тот (наименьший) уровень, на котором  располагались  бы  все  электроны  при
температуре Т=0. Если  Т>0,  то  вероятность  наличия  у  электрона  энергии
уровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до  точки  плавления  металла  уровень
Ферми мало зависит от Т.
[pic]
Рис. 1. Расчетная электростатическая модель ТЭП
2. Батареи термоэммисионых элементов
        Вертикальные    гирляндные    ЭГК    образуют    батарею    ТЭП    —
электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например,  в  серийных  генераторах
«Топас» (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической мощностью  ЭГБ
до 10 кВт. Верхяя чсть  ЭГК  патрубком  соединена  с  термостатом  с  жидким
цезием при Т  600 К, испаряющимся вследствие низкого  давления  внутри  ТЭП.
Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГК сообщены каналами. Цезий  имеет
наиболее низкий поценциал  ионизации  Ц  =3,9  В,  причем   Ц   <  K  .  При
соударении с горячей поверхностью катода атомы Сs  отдают  катоду  электрон.
Положительные ионы Сs+ нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре  .  в
диапазне давления  паров  Cs  до  100  Па  при  температуре   Т1  <  1800  К
достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение (х)  в
 для этого режима близко к линейному закону. При   0,1 мм эффективность  ТЭП
повышается,  если  совместно  вводятся  пары  цезия  и  бария.  Адсорбируясь
преимущественно на аноде с        Т2 < Т1  , они снижают его работу  выхода.