Conversor termiônico - Thermionic converter

Um conversor termiônico consiste em um eletrodo quente que emite elétrons termionicamente através de uma barreira de energia potencial para um eletrodo mais frio, produzindo uma saída de energia elétrica útil. O vapor de césio é usado para otimizar as funções de trabalho do eletrodo e fornecer um suprimento de íons (por ionização de superfície ou ionização por impacto de elétrons em um plasma) para neutralizar a carga espacial do elétron .

Definição

Do ponto de vista físico eletrônico, a conversão de energia termiônica é a produção direta de energia elétrica a partir do calor por emissão de elétrons termiônicos. Do ponto de vista termodinâmico , é o uso de vapor de elétrons como fluido de trabalho em um ciclo de produção de energia. Um conversor termiônico consiste em um eletrodo emissor quente a partir do qual os elétrons são vaporizados por emissão termiônica e um eletrodo coletor mais frio no qual são condensados ​​após a condução através do plasma entre eletrodos . A corrente resultante, normalmente vários amperes por centímetro quadrado da superfície do emissor, fornece energia elétrica a uma carga com uma diferença de potencial típica de 0,5–1 volt e eficiência térmica de 5–20%, dependendo da temperatura do emissor (1500–2000 K) e modo de operação.

História

Após a primeira demonstração do conversor termiônico de vapor de césio em modo arco prático por V. Wilson em 1957, várias aplicações dele foram demonstradas na década seguinte, incluindo seu uso com fontes de calor solar , de combustão , radioisótopo e reator nuclear . A aplicação mais seriamente buscada, entretanto, era a integração de elementos de combustível nuclear termiônico diretamente no núcleo de reatores nucleares para produção de energia elétrica no espaço. A temperatura de operação excepcionalmente alta dos conversores termiônicos, que torna seu uso prático difícil em outras aplicações, dá ao conversor termiônico vantagens decisivas sobre as tecnologias de conversão de energia concorrentes na aplicação de energia espacial onde a rejeição de calor radiante é necessária. Programas substanciais de desenvolvimento de reatores espaciais termiônicos foram conduzidos nos EUA , França e Alemanha no período de 1963–1973, e os EUA retomaram um programa significativo de desenvolvimento de elemento de combustível nuclear termiônico no período de 1983–1993.

Os sistemas de energia termiônica foram usados ​​em combinação com vários reatores nucleares ( BES-5 , TOPAZ ) como fonte de energia elétrica em uma série de satélites de vigilância militares soviéticos entre 1967 e 1988. Consulte Kosmos 954 para mais detalhes.

Embora a prioridade para o uso do reator termiônico tenha diminuído com a redução dos programas espaciais dos EUA e da Rússia , a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologia na conversão de energia termiônica continuaram. Nos últimos anos, programas de desenvolvimento de tecnologia para sistemas de energia espacial termiônicos com aquecimento solar foram conduzidos. Foram desenvolvidos protótipos de sistemas termiônicos com aquecimento por combustão para aquecimento doméstico e cogeração de energia elétrica e para retificação .

Descrição

Os aspectos científicos da conversão de energia termiônica dizem respeito principalmente aos campos da física de superfície e física do plasma . As propriedades da superfície do eletrodo determinam a magnitude da corrente de emissão de elétrons e do potencial elétrico nas superfícies do eletrodo, e as propriedades do plasma determinam o transporte da corrente de elétrons do emissor para o coletor. Todos os conversores termiônicos práticos até hoje empregam vapor de césio entre os eletrodos, o que determina as propriedades da superfície e do plasma. O césio é empregado porque é o mais facilmente ionizado de todos os elementos estáveis.

Um gerador termiônico é como um motor térmico cíclico e sua eficiência máxima é limitada pela lei de Carnot. É um dispositivo de alta corrente de baixa voltagem onde densidades de corrente de 25-50 (A / quadrado) foram alcançadas com voltagem de 1-2V. A energia dos gases de alta temperatura pode ser parcialmente convertida em eletricidade se os tubos riser da caldeira forem fornecidos cátodo e ânodo de um gerador termiônico com o espaço intermediário preenchido com vapor de césio ionizado.

A propriedade de superfície de interesse primário é a função de trabalho , que é a barreira que limita a corrente de emissão de elétrons da superfície e, essencialmente, é o calor de vaporização dos elétrons da superfície. A função de trabalho é determinada principalmente por uma camada de átomos de césio adsorvidos nas superfícies do eletrodo. As propriedades do plasma intereletrodo são determinadas pelo modo de operação do conversor termiônico. No modo de ignição (ou "arco"), o plasma é mantido por ionização internamente por elétrons de plasma quentes (~ 3300 K); no modo não aceso, o plasma é mantido por meio da injeção de íons positivos produzidos externamente em um plasma frio; no modo híbrido, o plasma é mantido por íons de uma região intereletrodo de plasma quente transferida para uma região intereletrodo de plasma frio.

Trabalho recente

Todas as aplicações citadas acima empregaram tecnologia na qual o entendimento físico básico e desempenho do conversor termiônico eram essencialmente os mesmos que aqueles alcançados antes de 1970. Durante o período de 1973 a 1983, no entanto, pesquisas significativas sobre tecnologia avançada de conversor termiônico de baixa temperatura para combustível fóssil industrial e comercial, a produção de energia elétrica foi conduzida nos Estados Unidos e continuou até 1995 para possíveis aplicações em reatores espaciais e navais . Essa pesquisa mostrou que melhorias substanciais no desempenho do conversor podem ser obtidas agora em temperaturas operacionais mais baixas pela adição de oxigênio ao vapor de césio, pela supressão da reflexão do elétron nas superfícies do eletrodo e pela operação no modo híbrido. Da mesma forma, melhorias por meio do uso de eletrodos contendo oxigênio foram demonstradas na Rússia, juntamente com estudos de projeto de sistemas que empregam o desempenho do conversor termiônico avançado. Estudos recentes têm mostrado que átomos de Cs excitados em conversores termiônicos formam aglomerados de matéria Cs- Rydberg que produzem uma diminuição da função de trabalho de emissão de coletor de 1,5 eV para 1,0 - 0,7 eV. Devido à natureza de longa duração da matéria Rydberg, esta função de baixo trabalho permanece baixa por um longo tempo, o que essencialmente aumenta a eficiência do conversor de baixa temperatura.

Veja também

Referências