Коллекторные материалы ТЭП (ЭГК). Основные требования

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Обнинский институт атомной энергетики (ИАТЭ) НИЯУ МИФИ

Физико-энергетический факультет

Кафедра перспективных методов получения и преобразования энергии

РЕФЕРАТ

Коллекторные материалы ТЭП (ЭГК). Основные требования,

особенности эмиссионных-адсорбционных характеристик.

Выполнил:

студент группы Ф-С09                  __________________                          Шленёв А.В.

Проверил:                                        _________________                           Лазаренко Д.Г.       к.ф.-м.н.

Принял:

д.т.н.                                               __________________                          Ярыгин В.И

Обнинск, 2012 г.

Содержание

1. Введение........................................................................
.......................................3

2. Основная часть...........................................................................
..........................4

3. Заключение......................................................................
.....................................8

4. Список литературы......................................................................
........................9

Введение

Термоэмиссионный метод преобразования энергии является наиболее привлекательным и освоенным для практических приложений, особенно в космосе, среди других безмашинных способов, таких как электрохимический, фотоэлектрический, термоэлектрический, магнитогидродинамический. Он основан на явлении термоэлектронной эмиссии, открытом Эдисоном в конце 19 века.  Собственно термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) подобен обычному радиотехническому диоду, имеющему нагретый эмиттер (деталь ТЭП, к которой подводится тепло и которая в конечном итоге создает ток электронов в межэлектродном зазоре) и относительно холодный коллектор (деталь ТЭП, от которой тепло отводится). Ниже речь пойдет отдельно о материалах коллектора в термо-эмиссионном преобразователе.

В природе нет материалов, которые однозначно стали бы идеальными для изготовления коллекторов ТЭП. Однако, не смотря на это существует целый ряд материалов которые по тем или иным причинам являются предпочтительными. Благодаря этому с одной стороны мы получаем выбор, позволяющий использовать в каждом конкретном случае те свойства, которыми наделен нужный нам материал, но с другой стороны разнообразие материалов требует их пристального изучения, затрагивающего физические, химические, и технологические аспекты, с целью определения оптимального состава и конструкции для коллектора.

Правильный подбор коллекторных материалов для ТЭП является, наряду с выбором эмиттерных материалов, одним из необходимых условий достижения высокого к.п.д., стабильности выходных электрических характеристик, приемлемых массогабаритных характеристик ЯЭУ в целом, площадь холодильника-излучателя которой сильно зависит от температуры коллектора.

     Выбор коллекторных материалов в значительной степени зависит от состояния и возможностей технологии формирования коллекторного пакета, состава межэлектродной среды, в которой, кроме пара цезия, могут оказаться так называемые «технологические» газы (СО и СО₂, Н₂О) и газообразные продукты деления из топливного сердечника эмиттерной оболочки.

К середине 70-х годов в области электродных материалов ТЭП для ЭГК ЯЭУ первого поколения приоритет был отдан двум наиболее приемлемым материалам. Это были сплав на основе ниобия, получивший название ВН-2 и сплав на основе молибдена, получивший название СМ-4.

Выбор ВН-2 и СМ-4 в качестве коллекторных материалов был осуществлен разработчиками соответствующих ЭГК в основном по технологическим соображениям. На рис.1 приведены полученные в работе характерные        оже-спектры ВН-2 и СМ-4 при рабочих температурах в условиях глубокого вакуума (давление остаточных газов не превышало 10–9 мм рт. ст.).

                           а)                                             б)

Рис.1. Электронные оже-спектры базовых коллекторных материалов

(а – сплав на основе ниобия ВН-2)

(б – сплав на основе молибдена СМ-4)

Видно, что, кроме соответствующих ниобиевой и молибденовой основ сплавов, они содержат различные фоновые загрязняющие примеси (серу для ВН-2 и фосфор для СМ-4), внесенные в эти материалы в металлургических процессах. ВН-2 как материал, состоящий в основном из активного к кислороду ниобия, содержит примесь кислорода. Загрязнение ВН-2 и СМ-4 углеродом является естественным результатом фонового сопровождения этим элементом всех фаз технологического передела от металлургии до изготовления деталей, узлов и пакетов.[53]

Следует отметить, что именно примеси на поверхности и в приповерхностном слое коллекторных материалов и взаимодействие поверхности с межэлектродной средой, содержащей эмиссионно-активные газы (цезий, кислород) определяют не только достижение желаемых низких значений работы выхода коллекторов в парах цезия, но и в значительной степени стабильность их эмиссионно-адсорбционных свойств. На рис.2 показана температурная эволюция вакуумной работы выхода, а также свойств коллектора в исходном состоянии и после работы в составе ТЭП с W_фт.[111]-эмиттером.

Рис.2. Температурная эволюция вакуумной работы выхода и

распределение основных загрязняющих примесей по поверхности ВН-2:

    1 – исходное состояние; 2 – после работы в ТЭП.

Отличительной особенностью для ВН-2 – коллектора является сегрегация серы на поверхности, причем углерод и сера являются конкурирующими на поверхности загрязнениями. Скопление серы на поверхности меняется от точки к точке, что говорит о ее концентрации в значительных дефектах приповерхностного слоя.  Конкуренция кислорода и серы на поверхности    ВН-2 – коллектора определяет значение его вакуумной работы выхода. Только отжиг ВН-2 коллектора в кислородной атмосфере приводит к «выжиганию» серы с поверхности.[53]

Поведение свойств поверхности СМ-4 качественно очень похоже на ВН-2. Отличие, в основном, проявляется в том, что не сера, а фосфор является примесью, определяющей температурную эволюцию характеристик поверхности. СМ-4 более легко, чем ВН-2, окисляется межэлектродной средой, и, соответственно, фосфор более легко, чем сера, удаляется с поверхности коллектора.

Так как, коллектор окисляется при взаимодействии с кислородом, то для долгоресурсных ТЭП желательно выбирать наиболее активные к кислороду переходные металлы, например, из следующего ряда: Cr, Nb, V, Hf, Zr, Ti, Ni. Поскольку наименьшей работой выхода и одновременно максимальной термоустойчивостью обладает пленка Cs на низших субоксидах, то нет необходимости доводить подложку до полного окисления.[57]

В этих материалах из-за растворения кислорода снижается возможность переокисления поверхности и увеличивается вероятность существования на поверхности субоксидов, являющихся наиболее оптимальной поверхностной системой, адсорбция на которую пленки цезия обеспечивает как получение минимально возможной работы выхода, так и ее максимальной термоустойчивости. Эти материалы способны к самоочистке в условиях ТЭП от поверхностных фоновых загрязнений углеродом и серой при нагреве без специального напуска кислорода. Особое внимание уделяется цирконию в качестве материала коллектора, исходя из его хороших свойств по отношению к кислороду, благодаря чему увеличивается способность к самоочистке поверхности от загрязнений углеродом и серой, а также затрудняется окисление его поверхности.

Коллекторы на основе никеля и хром-ванадиевого сплава ВХ2У позволили значительно улучшить эмиссионно-адсорбционные характеристики коллекторов ТЭП. На рис.3 и рис.4 приведены их кривые Рейзора.

Рис.3. Зависимость работы выхода  коллектора из Ni от параметра Рейзора

1 – измерение Φc методом обратной эмиссии (TE = 1397 K, TCs=523 K, d=0,5 мм);

2– измерение Φc в квазивакуумном режиме (TE= Tc, TCs = 339-532 K, d = 0,1 мм);

Рис.4. Зависимость работы выхода коллектора из сплава ВХ2У от параметра Рейзора

1 – измерение работы выхода коллектора методом обратной эмиссии (ТЕ = 1400 К, ТCs = 509 К; d = 1 мм);

2 – измерение работы выхода коллектора в квазивакуумном режиме (TE = TС, TCs = 448 K, d = 0,1 мм)

Заключение

Технология изготовления ТЭП является перспективной и надежной в настоящее время, так как  термо-эмиссионный преобразователь прост в изготовлении и с его помощью можно добиться довольно высокого КПД при сравнительно небольших размерах. Однако важнейшие проблемы исследования материалов эмиттера и коллектора остаются открытыми и в конечном итоге выбор материалов коллектора ТЭП - это задача, которая будет решаться в течение долгого времени и каждый раз будут найдены все новые решения на всем этапе, начиная от теоретического обоснования и исследования различных материалов, заканчивая конкретными технологиями и методами исполнения.

Список используемой литературы

1. Ярыгин В.И. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии. Часть 1 - Введение в специальность. - Учебное пособие по курсу «Перспективные методы получения и преобразования энергии». ОГТУАЭ (ИАТЭ), Обнинск, 2006.