磁分離電離氣體電荷的核電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核能利用技術(shù)領(lǐng)域，是將放射性核素衰變能轉(zhuǎn)化為電能的電池裝置。技術(shù)背景
[0002]放射性同位素電池(或稱核電池)是利用放射性同位素在衰變時(shí)釋放的能量而制備的電池。最早的核電池被用做為空間探測器提供電源，如1961年美國發(fā)射的一顆導(dǎo)航衛(wèi)星使用的電源就是SNAP-3B7型同位素電池，放射源采用23￥1!，半衰期87.7&。此后美國、前蘇聯(lián)(俄羅斯)發(fā)射的一系列導(dǎo)航通訊衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、深空探測器、行星登陸器、月面試驗(yàn)站都是用了類似的核電池作為電源。這類核電池往往重達(dá)幾公斤到幾十公斤，輸出能量達(dá)到瓦級，這類核電池稱為溫差核電池，原理是利用大劑量同位素輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)，以熱電偶為換能器，利用溫度差在熱電偶中形成的電勢差進(jìn)行發(fā)電，熱電轉(zhuǎn)換效率從4%到10%不等。此類電池往往要使用數(shù)公斤到數(shù)十公斤同位素，價(jià)格極為昂貴，發(fā)電要先由同位素輻射動能粒子產(chǎn)熱，再由溫差產(chǎn)生電動勢，理論能量轉(zhuǎn)換效率上限較低。
[0003]由于核電池具有理論能量密度大、放電時(shí)間長、輸出穩(wěn)定、體積小、可適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已在航天、深海探測、無人氣象站、心臟起搏器等領(lǐng)域得到了應(yīng)用?？蒲腥藛T相繼開發(fā)出包括直接充電式核電池、光電式核電池、β伏特效應(yīng)核電池、熱機(jī)轉(zhuǎn)換核電池等不同原理的核電池，目前核電池的研究聚焦在了 β伏特效應(yīng)核電池，即利用β源放出的高能電子流，設(shè)法使其能量沉積在半導(dǎo)體ΡΝ結(jié)的能量敏感區(qū)，電離出電子-空穴對，在半導(dǎo)體內(nèi)建電場作用下使電子空穴對分離產(chǎn)生電流，這種電池的優(yōu)點(diǎn)在于避免了衰變能的二次轉(zhuǎn)換，直接將衰變發(fā)射出的電子動能轉(zhuǎn)換為電能，理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)40%。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都在半導(dǎo)體材料方面進(jìn)行了持續(xù)的研究，并且獲得一定成果，發(fā)表了大量相關(guān)論文并申請了專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種新的核電池發(fā)電機(jī)制，可以將同位素的衰變能直接轉(zhuǎn)化為電能，避免放射性能量通過其他能量形式再轉(zhuǎn)化為電能造成的低轉(zhuǎn)換效率。
[0005]磁分離電離氣體電荷的核電池，環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁⑷與兩者中間的環(huán)形絕緣體(3)組成封閉環(huán)形管道，金屬電極(12)連接環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)，金屬電極(13)連接環(huán)形金屬外壁(1)，管道內(nèi)充氣體α放射源和易電離氣體的混合物(2)，磁鐵(6)、(7)提供磁場，環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)將磁場削弱至所需磁感應(yīng)強(qiáng)度，環(huán)形絕緣層
(10)、(11)使環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)與環(huán)形金屬壁(1)、⑷隔開，混合氣體(2)由氣體推動裝置(5)推動形成定向流動，(5)可以是風(fēng)扇，由核電池分出部分電能推動或在外部設(shè)一具風(fēng)輪由風(fēng)能、潮汐能提供能量，(5)也可以是單向氣閥，管內(nèi)附一弱固體α源利用其產(chǎn)生的熱量使氣體膨脹產(chǎn)生單向流動，電池外殼(14)保護(hù)電池內(nèi)部并作為輻射屏蔽層。
[0006]該電池的工作原理是，管道內(nèi)氣體α放射源發(fā)射出大約5MeV的α粒子，α粒子與易電離氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子電離成正離子和自由電子，α粒子與氣體分子多次碰撞后動能降到接近為零，電離出的正離子和自由電子也具有一定動能繼續(xù)與其他分子發(fā)生碰撞，部分能量較高的正離子和自由電子繼續(xù)使分子電離，部分自由電子被分子吸收形成負(fù)離子，也有部分正負(fù)離子發(fā)生復(fù)合變?yōu)橹行苑肿?，最終所有正負(fù)離子和自由電子速度降低到接近零，在氣體推動裝置(5)的推動下，混合氣體沿管道做定向圓周運(yùn)動，在磁場作用下，混合氣體內(nèi)的帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正負(fù)帶電粒子分別向相反方向做圓周運(yùn)動，環(huán)形管道內(nèi)徑小于正負(fù)離子偏轉(zhuǎn)直徑時(shí)，正負(fù)帶電粒子分別被環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁
(4)吸收，使得金屬壁聚集大量電荷，在電極(12)、(13)外界負(fù)載后可形成電流。
[0007]所述氣態(tài)α放射源為222Rn，產(chǎn)生的方式是用粉末狀226Ra衰變產(chǎn)生氣體222Rn，或者使用23SPuF6壓力保持在2kPa以下，此時(shí)23SPuF6密度在0.31mg/cm3以下。
[0008]所述易電離氣體為氯氣、氫氣、一氧化碳或一氧化硫等。
[0009]所述環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)、金屬電極(12)、(13)如放射源使用23SPuF6材質(zhì)為鎳，如使用226Ra材質(zhì)可為鋁、銅、鎳等。
[0010]所述環(huán)形絕緣體(3)如放射源使用23SPuF6材質(zhì)為派勒克斯玻璃，如使用226Ra材質(zhì)可為有機(jī)玻璃、高分子塑料等。
[0011]所述環(huán)形磁鐵出)、(7)為鐵氧體磁鐵、橡膠磁鐵或鋁鎳鈷磁鐵，為了減弱磁性可以進(jìn)行高溫處理或反向磁化處理。
[0012]所述磁屏蔽層(8)、(9)材質(zhì)為鐵。
[0013]所述環(huán)形緣層(10)、(11)材質(zhì)為有機(jī)玻璃、高分子塑料、云母等。
[0014]所述電池外殼(14)材質(zhì)為摻雜重金屬鉛的高分子塑料或有機(jī)玻璃。
[0015]所述氣體推動裝置(5)可以是風(fēng)扇，由核電池分出部分電能推動或在外部設(shè)一具風(fēng)輪由風(fēng)能、潮汐能提供能量，也可以是單向氣閥，管內(nèi)附一弱固體α源利用其產(chǎn)生的熱量使氣體膨脹產(chǎn)生單向流動。
[0016]本發(fā)明指出了一種新的同位素衰變能轉(zhuǎn)化為電能的思路，氣態(tài)放射源自吸收能量損失很小，單位時(shí)間產(chǎn)生電荷量大，理論能量轉(zhuǎn)換效率高，且結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，具有較好的研究和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明俯視不意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明側(cè)視示意圖。
[0019]1-環(huán)形金屬外壁，2-氣體α放射源和易電離氣體的混合物，3-環(huán)形絕緣體，4_環(huán)形金屬內(nèi)壁，5-氣體推動裝置，6-上磁鐵，7-下磁鐵，8-上磁屏蔽層，9-下磁屏蔽層，10-上環(huán)形絕緣層，11-下環(huán)形絕緣層，12-內(nèi)電極，13-外電極，14-電池外殼。
[0020]技術(shù)方案
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
[0022]實(shí)施例1
[0023]磁分離電離氣體電荷的核電池如圖1、圖2，環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)與兩者之間的環(huán)形絕緣體(3)組成封閉環(huán)形管道，環(huán)形直徑0.lm到lm，管道內(nèi)直徑1mm到10_，環(huán)形絕緣體(3)的作用是防止環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)連接導(dǎo)致收集到的正負(fù)電荷中和，管道內(nèi)充氣體α放射源和易電離氣體的混合物(2)，氣體α放射源將氣體電離產(chǎn)生正負(fù)電荷，環(huán)形磁鐵(6)、(7)提供磁場，環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)的厚度應(yīng)將磁鐵提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度削弱至lOGs到lOOGs，環(huán)形絕緣層(10)、(11)使材質(zhì)為導(dǎo)體的磁屏蔽層
(8)、(9)與環(huán)形金屬壁(1)、(4)隔開，混合氣體(2)由氣體推動裝置(5)推動形成定向流動，(5)可以是風(fēng)扇，由核電池分出部分電能推動或在外部設(shè)一具風(fēng)輪由風(fēng)能、潮汐能提供能量，(5)也可以是單向氣閥，管內(nèi)附一弱固體α源利用其產(chǎn)生的熱量使氣體膨脹產(chǎn)生單向流動，氣體流動速度應(yīng)達(dá)到lm/s以上。
[0024]氣體α源選擇23SPuF6，氣體放射源密度上限0.31mg/cm3，此時(shí)238?沾6沸點(diǎn)約為零下3攝氏度，平均每立方厘米活度在10sBq，易電離氣體使用氯氣。
[0025]環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)、金屬電極(12)、(13)材質(zhì)使用金屬鎳，環(huán)形絕緣體(3)使用派勒克斯玻璃，能夠有效減少因23SPu衰變輻射造成的23SPuF6分子分解。
[0026]環(huán)形磁鐵出)、(7)采用鐵氧體磁鐵、橡膠磁鐵或鋁鎳鈷磁鐵，使用反向磁化的方式將磁體磁感性強(qiáng)度減弱，環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)材質(zhì)為鐵，進(jìn)一步減弱磁感應(yīng)強(qiáng)度至lOGs 到 lOOGso
[0027]環(huán)形緣層(10)、(11)材質(zhì)為有機(jī)玻璃。
[0028]電池外殼(14)材質(zhì)為摻雜重金屬鉛的高分子塑料或有機(jī)玻璃。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.磁分離電離氣體電荷的核電池，其特征在于，環(huán)形金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)與兩者中間的環(huán)形絕緣體(3)組成封閉環(huán)形管道，金屬電極(12)連接環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)，金屬電極(13)連接環(huán)形金屬外壁(1)，管道內(nèi)充氣體α放射源和易電離氣體的混合物(2)，磁鐵(6)、(7)提供磁場，環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)將磁場削弱至所需磁感應(yīng)強(qiáng)度，環(huán)形絕緣層(10)、(11)使環(huán)形磁屏蔽層(8)、(9)與環(huán)形金屬壁(1)、⑷隔開，混合氣體(2)由氣體推動裝置(5)推動形成定向流動，電池外殼(14)保護(hù)電池內(nèi)部并作為輻射屏蔽層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于氣態(tài)α放射源為222Rn，產(chǎn)生的方式是用粉末狀226Ra衰變產(chǎn)生氣體222Rn，或者使用23SPuF6壓力保持在2kPa以下，此時(shí)23SPuF6密度在 0.31mg/cm3以下。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于易電離氣體為氯氣、氫氣、一氧化碳或一氧化硫等。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于金屬外壁(1)、環(huán)形金屬內(nèi)壁(4)、金屬電極(12)、(13)如放射源使用23SPuF6M質(zhì)為鎳，如放射源使用226Ra材質(zhì)可為鋁、銅、鎳等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于環(huán)形絕緣體(3)如放射源使用23SPuF6M質(zhì)為派勒克斯玻璃，如使用226Ra材質(zhì)可為有機(jī)玻璃、高分子塑料等。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于環(huán)形磁鐵(6)、(7)為鐵氧體磁鐵、橡膠磁鐵或鋁鎳鈷磁鐵，為了減弱磁性可以進(jìn)行高溫處理或反向磁化處理。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于磁屏蔽層(8)、(9)材質(zhì)為鐵，環(huán)形緣層(10)、(11)材質(zhì)為有機(jī)玻璃、高分子塑料、云母等，電池外殼(14)材質(zhì)為摻雜重金屬鉛的高分子塑料或有機(jī)玻璃。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述磁分離電子式核電池，其特征在于氣體推動裝置(5)可以是風(fēng)扇，由核電池分出部分電能推動或在外部設(shè)一具風(fēng)輪由風(fēng)能、潮汐能提供能量，(5)也可以是單向氣閥，管內(nèi)附一弱固體α源利用其產(chǎn)生的熱量使氣體膨脹產(chǎn)生單向流動。
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于核能利用技術(shù)領(lǐng)域的磁分離電離氣體電荷的核電池。該核電池的原理是，金屬外壁(1)、金屬外壁(4)和絕緣圈(3)形成封閉環(huán)形管道，管道內(nèi)為氣態(tài)α源與易電離氣體的混合物，整個管道處在磁場中，(2)中α源釋放出α粒子與周圍氣體碰撞將氣體電離產(chǎn)生大量帶電粒子，在風(fēng)扇(5)的推動下，帶電氣體在磁場下定向流動，使得正負(fù)離子向相反方向運(yùn)動，分別被金屬外壁(1)、金屬外壁(4)收集形成正負(fù)極，外界負(fù)載即可產(chǎn)生電流。風(fēng)扇(5)的動力可以由電池分出一部分電力提供，也可以由外界風(fēng)力、太陽能等自然力提供，也可以將(5)改為單向氣閥，管內(nèi)附一弱α源利用產(chǎn)生的熱量使氣體膨脹產(chǎn)生單向流動。
【IPC分類】G21H1/04
【公開號】CN105321590
【申請?zhí)枴緾N201510644215
【發(fā)明人】陸景彬, 許旭, 劉玉敏
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年10月8日