_210_Po放射性同位素电池.pdf

科研碑 养 稗 司 放射性同位素电池 黛 养祖 中国科学院上海原子核研究所 本文介绍了 放射性同位素电池的工作原理 主要结构 装配工艺和性能测试结 果 该 电 池共包括热源 换能器 绝热材料 装配环和外壳等五个部份 内装 外形 尺寸为 协 欠 重约 输出功率 效率达生拓 放射性 同位素 电池是一种新型电源 它具有寿命长 工作 可靠 对环境适应性强 不需 经常维护以及结构紧凑 比容量高等优点 因而在空间 陆地 海下以及医学等领域有独特 的 用途 一 放射性同位素电池的工作原理 放射性 同位素 电池是用放射性 同位素作热源 根据温差发 电的原理制成的 放射性 同位 素放 出的带电粒子与物质相互作用 最终被阻止和吸收 射线的动能就转变为热能 使与其 相互作用的物质如源盒的温度升高 结果在换能器两端建立起几百度的温差 并由它把这 高盘端日 图半导体换能器工作原理示意图 种热能转变为电能 半导体换能器的工作原理示意图见 图 换能器的基 本单元 由一个型和一个型元件组成 称为温差电偶 一个电池的换能器由多对温差 电偶组成 热电型 电池半导 体换能器能量转换的基本工作原理如下型半导体 内有 很多自由电子 当一端加热时 自由电子从热端扩散到冷 端 使冷端积累电子而带负电 相应的热端带正 电 型 半导体是 空穴 型 当一端被加热时 空穴 由热端扩散 到冷端 使冷端带正 电而热端带负电 这样 一 型温差 电 偶两端的 电压 就等于这两种半导体元件所产生的电位差 之和 将该电偶与外负载接通 便可对负载供电 二 电池性能参数的设计计算 我们设计的 功 电池为空间用 电池 它与地面用电池的明显区别是要求体积 小 重量 籽其次空间只靠辐射作用排除废热 此外 还有一个特殊的空间安全 问题 即要求 电池既 要可靠又要安全 因此空间电池的主要性能参数是 可靠性 重量和效率 各个性能参数的相对重要性也随电池的使用场合不同而有变化 它们之间主要是靠热和 一核技术一 电联系在一起的 热源发出的热量热功率 总 大部份通过换能器动 小部份通过绝热 材料和支撑结构 漏掉 谊 通过换能器的热量中 有一部分被转换成电能 性能参数设 计 的精确计算十分复杂 但多数情况下可以简化 进行近似计算 比较常甩 的是平均参数法 电池总效率定义为 刃总 电池输出的 电功率放射性 同位素热源的热功率刃 刀热电刀结 构 刀变二 式中 刀热电 刀结 构 刀变 分别代表换能器 的热电转换效率 电池结构效率和 电压变换与功率调 节装置 的效率 它们的表达式分别为 刀热电 饥 一 哪 工 劣 一 一 一 其中 二 尸 尸尸 心 沈 尸无尸 相应 无 创 尹 二 二 二 刀结构二 总 一漏总 刀交调 尸 尸 上述各式中 二 尸 分别为型和型元件的截面 和长度 曲 户 尸 无 尸 分别为相应元件的 电阻率 口 和热导率 分别为 电池的负载电阻和内阻 口 乳分别为元件的高温端和低温端温度 为换能材料的灵敏值 一 尸 为换 能器输出的电功率 在满足几何条件和 电阻最佳化的理想情况下 式简化为 呱 电 最大 刀卡诺 刀材料 最 大 一 寸 一 少 创 千更 刀了豆 少 相应 的最佳几何条件和最佳电阻比分别为 尸 最佳 衬 尸尸无奋 最佳一 一风 内一 寸卜 及 式 中勺稍 勺材料分别称为卡诺效率和半导体换能材料换能效率 在进行近似计算时 的表 达式为 压 丘 寸 户 而 户 尸 而 式 中汽 尸 分别为型和型元件的塞贝克系数 灿 上式各值分别取使用温度范围内 即 一 的相应 的积分平均值 电池输出功率和输出 电压 主要按使用要求进行设计 在理想情况下 电池的最大输出 功率为 最大 一 外 式 中为换能元件的对数 由下式确定 一 式 中为 电池负载电压 需要指 出的是 最大输出功率与最大效率相应的最佳化条件是 不 同的 电池的漏热主要是通过绝热材料漏走的热量 偏 刁 年第期 式中无为绝热材料的热导 刁 为绝热材料的温差 为绝热材料厚度 为绝热材料的面积与 对于导热率为常数的均匀热源 以及一个近似于正圆柱体的直热式燃料盒 其燃料中心与 源 盒表面及内壁的温度差分别为 一 一 令 二 了 一 扩共 了 式 中 了 为燃料的导热率 为燃料盒导热率 为由 犷 姐 为源盒高度 间 为单位体积发热率 砂 为燃料中心温度 内壁温度 为燃料盒外壳温度 为源盒内半径 为源盒外半径 燃料拿除了进行温度计算外 还要进行各种应力的计算 空 间发电器的辐射表面积与表面温度 之 间的关系为 净 二 叼总 一刀总 一 向外的热 为热源盒 式 中尸净为净功率输出 为辐射表面面积勺 刀总为效率 为辐射表面热发射 率 为斯戒藩一玻尔兹曼常数 为辐射表面温度 为从外部 能源 吸收的 辐射热 三 电池 结 构 电池的外形及结构见图 总重量 约 硅橡胶圈 热偶引芝 可伐玻月 弓线柱 装配环 绝热材 料下 下壳体 尾管 尾帽 二 一曰曰 产产产尸 尸尸尸尸尸尸 件件件件多脯脯 少少少少少少少诩日 日 图 电池外形图 图 电池结构图 热源热源选用 强度为 士 分装于二个装料盒 内 外面各 加一层保护壳 然后将二壳置于 内外共三层的不锈钢制外壳内 每层均以氢弧焊密封 其详 细结构及尺 寸可参见 图 最外一层外壳有 勃 锥度 以便于和热源支架配合 降低接触热 阻 换能元件为改 进换能元件的机械强度和提高热转换效率 改变了以前所采用的由 二个磅化铅元件组成的型结构 而将多对元件粘作一体称为组件 各元件间用涂层粘牢 并保持电绝缘 单个元件尺寸 这样还可防止材料升华 本电池共用二个组件 每件包括十对半导体元件 型为 型为邪 各 元件用铁电极焊接 一核伎术一 一 灌灌灌灌灌 翻翻翻翻 第一层钢壳 第二层钢壳 第三层钢壳 以保持电接触 组件总尺寸为 见图 绝 热材料为尽量降低漏热 提高结构效率 绝 热材料须有极低的导热系数 故采用由二氧化硅 玻璃纤维 和少量遮光剂 制成的微孔绝热材料 其导热系数比 静止空气低 约 一 而且质轻 容重 保护壳 冷端电极引线半导体元件 热端电极 装料壳 粉 勺粉 针 卞井井 屯屯屯专 专 图 热源包装 图换能组件 强度高 抗振 抗急冷急热性能好 并且可制成所需的任何形状 机械结构件主要有 热源支架 为长方形钢制四面体 内开锥形透孔以与热源 盒相配 支架外侧面用等离子体喷涂氧化铝层 以防 止与元件接触时造成短路 见 图 组件装配环 紫铜制 可对组件产生一定压力 使热端与支架接触 良好 环与组件间有弹簧压片 片上喷涂氧化铝层 外壳由二个紫铜制的半球组合而成 它既 是各部件之容器 又起散热作用 下壳侧面开孔 钎 焊玻璃可伐 法兰间以硅橡胶制口圈密封 全部测温 热电偶均穿 过圈引出 壳外用等离子体喷涂白色氧 图燃料盒内部结构和热源支架 化铝层 以提高辐射能力 四 电池 的装配 由于使用的 主 源有一定的中子通量 源壳表面处相当于 安装时 应采取一定的防护措施 电池安装的大致步骤为 金属部件清洗和绝热材料烘烤用丙酮清洗 材料的烘烤温度 烘烤时间小 时 烘烤后置于干燥容器 中待用 预装配安装各部件 并于标准位置装上测温热偶 一 一 检漏用水箱检漏法检漏 电池整体烘干在真空干燥炉内恒 温加 烘 小时 取出 后 用 干氢 气多次冲 洗 装源操作箱湿度在以下 将热源由运输罐取出 检查表面剂量及密 闭情况 合格后送入操作箱 置于热源支架孔内 待盒降入孔中 扣合上下壳并固定 抽真空充入氢 气 再以专用冷焊钳切断尾管 焊上尾帽 以后 即置于操作箱内 年第期 五 立 电池性能测试 电池各项输出参数的测量 均用常规仪器 所用 电位差计精度为 级型 电池 输出电流由负载电阻换算 测试参数有 输出电压和两组件分别测量输出电流 最佳负载包括 引 线 共 口 组 件冷 热端温度孔 及 分别测量 外壳温度室温孔 装配完毕 待 电池内部达热平衡后 即开始测量 结果如图和图所示 图中尸 为 瓤蟀 尸为 翩 功率由折算 一 为负载电阻 口 牢 斗才 醉 七 若 侈含 承 食 八一八 网卜刚卜 鲡 巴肠少 以 阵卜 些 丁 吞 图电池性能曲线 图 负载特性 结束语 通过 电池的安装试验 对热 电型 电池的工作原理和所采用的材料 工艺及方案的可 行性进行了验证 该 电池输出功率 效率达 具有一定水平 电池的换能元件采 用了组件新工艺 具有能使电池缩小体积 减轻重量等优点 但比型 的制造 工 艺复 杂 有关工艺 尚需提高电池在安装过程 中的去水去氧措施也有待改进 此外 还需进一步提 高 各种参数测量 的准确度并使设计完善化 本工作在研究员张家骤的指导下进行 并得到北京所 上海有色金属研究所 上海建筑材 料 研究 听 上海玻璃搪瓷研究所的大力协助 在此一并致谢 参考文献 一 饥 忿艺 亡 葱牲 牡 艺 亡 护 一 忍 儿 玄 牲 护 儿亡牲艺 心饥 一 年月 日收到 一核技木一 幻 一 夕己玄二苦祝物倪 刀 口 公 碑 衫饥 玄 亡 七 李二冲 况斌演洲 二对 演拭演洲洲欠冰洲洲洲义义洲义尽公心匕洲洲加拭洲狱翔义刘火洲欠今二心斌洲洲 你东减 心 犷一户 尸 门 尹 门 来稿摘登 一 组织切片的牡顺较化学显色法 在从事牡的毒理学研究过程中 常发现针中毒动物组织切片有坏死性和变性病灶 要搞清这 些病 灶 与 针的关系 就要解决这种组织切片病灶中是否存有针颗粒的问题 我们可以采用放射自显影的方 法 证实 但需要一定的材料 核子乳胶 条件和经验 所以不易普及 因此 我们设想化学显色方法比较简单 能 否用铀试剂作为显色剂来解决这一问题通过一段时 间的摸索 并经过生物学和物理学的验证 基 本上 解决了这一问题 化学显色法的原理 在酸性条件下 铀试剂能与针盐产生特征反应 生成深红色络合物 此络 合 物在碱性条件下又变成深蓝色 根据颜色的特征来确定针颗粒在组织中有无及其位置 化学显色法操作 步骤照常规脱蜡切片洗清 再用拓盐酸酸化切片分钟接着立即用男铀 试剂显色分钟水洗后 用苏木素液染胞核分钟水洗后 用多盐酸酒精分化 胞核颜 色 约秒钟左右蒸馏水洗后 用苦味酸分化液 苦味酸纯酒精饱和液毫升 加多酒精毫升 分化调 色 致使红色的组织切片颜色变淡再用多酒精稀释的苦味酸分化液继续分化调色致使