磁分离电离气体电荷的核电池

摘要

本发明公开了属于核能利用技术领域的磁分离电离气体电荷的核电池。该核电池的原理是，金属外壁(1)、金属外壁(4)和绝缘圈(3)形成封闭环形管道，管道内为气态α源与易电离气体的混合物，整个管道处在磁场中，(2)中α源释放出α粒子与周围气体碰撞将气体电离产生大量带电粒子，在风扇(5)的推动下，带电气体在磁场下定向流动，使得正负离子向相反方向运动，分别被金属外壁(1)、金属外壁(4)收集形成正负极，外界负载即可产生电流。风扇(5)的动力可以由电池分出一部分电力提供，也可以由外界风力、太阳能等自然力提供，也可以将(5)改为单向气阀，管内附一弱α源利用产生的热量使气体膨胀产生单向流动。

说明书

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，是将放射性核素衰变能转化为电能的电池装置。

技术背景

放射性同位素电池(或称核电池)是利用放射性同位素在衰变时释放的能量而制备的电池。最早的核电 池被用做为空间探测器提供电源，如1961年美国发射的一颗导航卫星使用的电源就是SNAP-3B₇型同位素 电池，放射源采用²³⁸Pu，半衰期87.7a。此后美国、前苏联(俄罗斯)发射的一系列导航通讯卫星、气象 卫星、深空探测器、行星登陆器、月面试验站都是用了类似的核电池作为电源。这类核电池往往重达几公 斤到几十公斤，输出能量达到瓦级，这类核电池称为温差核电池，原理是利用大剂量同位素辐射产生的热 效应，以热电偶为换能器，利用温度差在热电偶中形成的电势差进行发电，热电转换效率从4％到10％不等。 此类电池往往要使用数公斤到数十公斤同位素，价格极为昂贵，发电要先由同位素辐射动能粒子产热，再 由温差产生电动势，理论能量转换效率上限较低。

由于核电池具有理论能量密度大、放电时间长、输出稳定、体积小、可适应恶劣环境等优点，已在航 天、深海探测、无人气象站、心脏起搏器等领域得到了应用。科研人员相继开发出包括直接充电式核电池、 光电式核电池、β伏特效应核电池、热机转换核电池等不同原理的核电池，目前核电池的研究聚焦在了β 伏特效应核电池，即利用β源放出的高能电子流，设法使其能量沉积在半导体PN结的能量敏感区，电离 出电子-空穴对，在半导体内建电场作用下使电子空穴对分离产生电流，这种电池的优点在于避免了衰变 能的二次转换，直接将衰变发射出的电子动能转换为电能，理论转换效率达40％。国内外很多研究机构都 在半导体材料方面进行了持续的研究，并且获得一定成果，发表了大量相关论文并申请了专利。

发明内容

本发明提出了一种新的核电池发电机制，可以将同位素的衰变能直接转化为电能，避免放射性能量通 过其他能量形式再转化为电能造成的低转换效率。

磁分离电离气体电荷的核电池，环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)与两者中间的环形绝缘体(3) 组成封闭环形管道，金属电极(12)连接环形金属内壁(4)，金属电极(13)连接环形金属外壁(1)，管 道内充气体α放射源和易电离气体的混合物(2)，磁铁(6)、(7)提供磁场，环形磁屏蔽层(8)、(9)将 磁场削弱至所需磁感应强度，环形绝缘层(10)、(11)使环形磁屏蔽层(8)、(9)与环形金属壁(1)、(4) 隔开，混合气体(2)由气体推动装置(5)推动形成定向流动，(5)可以是风扇，由核电池分出部分电能 推动或在外部设一具风轮由风能、潮汐能提供能量，(5)也可以是单向气阀，管内附一弱固体α源利用其 产生的热量使气体膨胀产生单向流动，电池外壳(14)保护电池内部并作为辐射屏蔽层。

该电池的工作原理是，管道内气体α放射源发射出大约5MeV的α粒子，α粒子与易电离气体分子发 生碰撞，使气体分子电离成正离子和自由电子，α粒子与气体分子多次碰撞后动能降到接近为零，电离出 的正离子和自由电子也具有一定动能继续与其他分子发生碰撞，部分能量较高的正离子和自由电子继续使 分子电离，部分自由电子被分子吸收形成负离子，也有部分正负离子发生复合变为中性分子，最终所有正 负离子和自由电子速度降低到接近零，在气体推动装置(5)的推动下，混合气体沿管道做定向圆周运动， 在磁场作用下，混合气体内的带电粒子发生偏转，正负带电粒子分别向相反方向做圆周运动，环形管道内 径小于正负离子偏转直径时，正负带电粒子分别被环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)吸收，使得金 属壁聚集大量电荷，在电极(12)、(13)外界负载后可形成电流。

所述气态α放射源为²²²Rn，产生的方式是用粉末状²²⁶Ra衰变产生气体²²²Rn，或者使用²³⁸PuF₆压力保 持在2kPa以下，此时²³⁸PuF₆密度在0.31mg/cm³以下。

所述易电离气体为氯气、氢气、一氧化碳或一氧化硫等。

所述环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)、金属电极(12)、(13)如放射源使用²³⁸PuF₆材质为镍， 如使用²²⁶Ra材质可为铝、铜、镍等。

所述环形绝缘体(3)如放射源使用²³⁸PuF₆材质为派勒克斯玻璃，如使用²²⁶Ra材质可为有机玻璃、高 分子塑料等。

所述环形磁铁(6)、(7)为铁氧体磁铁、橡胶磁铁或铝镍钴磁铁，为了减弱磁性可以进行高温处理或 反向磁化处理。

所述磁屏蔽层(8)、(9)材质为铁。

所述环形缘层(10)、(11)材质为有机玻璃、高分子塑料、云母等。

所述电池外壳(14)材质为掺杂重金属铅的高分子塑料或有机玻璃。

所述气体推动装置(5)可以是风扇，由核电池分出部分电能推动或在外部设一具风轮由风能、潮汐 能提供能量，也可以是单向气阀，管内附一弱固体α源利用其产生的热量使气体膨胀产生单向流动。

本发明指出了一种新的同位素衰变能转化为电能的思路，气态放射源自吸收能量损失很小，单位时间 产生电荷量大，理论能量转换效率高，且结构简单，容易实现，具有较好的研究和应用前景。

附图说明

图1为本发明俯视示意图。

图2为本发明侧视示意图。

1-环形金属外壁，2-气体α放射源和易电离气体的混合物，3-环形绝缘体，4-环形金属内壁，5-气体 推动装置，6-上磁铁，7-下磁铁，8-上磁屏蔽层，9-下磁屏蔽层，10-上环形绝缘层，11-下环形绝缘层， 12-内电极，13-外电极，14-电池外壳。

技术方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明

实施例1

磁分离电离气体电荷的核电池如图1、图2，环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)与两者之间的环 形绝缘体(3)组成封闭环形管道，环形直径0.1m到1m，管道内直径1mm到10mm，环形绝缘体(3)的作 用是防止环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)连接导致收集到的正负电荷中和，管道内充气体α放射 源和易电离气体的混合物(2)，气体α放射源将气体电离产生正负电荷，环形磁铁(6)、(7)提供磁场， 环形磁屏蔽层(8)、(9)的厚度应将磁铁提供的磁感应强度削弱至10Gs到100Gs，环形绝缘层(10)、(11) 使材质为导体的磁屏蔽层(8)、(9)与环形金属壁(1)、(4)隔开，混合气体(2)由气体推动装置(5) 推动形成定向流动，(5)可以是风扇，由核电池分出部分电能推动或在外部设一具风轮由风能、潮汐能提 供能量，(5)也可以是单向气阀，管内附一弱固体α源利用其产生的热量使气体膨胀产生单向流动，气体 流动速度应达到1m/s以上。

气体α源选择²³⁸PuF₆，气体放射源密度上限0.31mg/cm³，此时²³⁸PuF₆沸点约为零下3摄氏度，平均每 立方厘米活度在10⁸Bq，易电离气体使用氯气。

环形金属外壁(1)、环形金属内壁(4)、金属电极(12)、(13)材质使用金属镍，环形绝缘体(3) 使用派勒克斯玻璃，能够有效减少因²³⁸Pu衰变辐射造成的²³⁸PuF₆分子分解。

环形磁铁(6)、(7)采用铁氧体磁铁、橡胶磁铁或铝镍钴磁铁，使用反向磁化的方式将磁体磁感性强 度减弱，环形磁屏蔽层(8)、(9)材质为铁，进一步减弱磁感应强度至10Gs到100Gs。

环形缘层(10)、(11)材质为有机玻璃。

电池外壳(14)材质为掺杂重金属铅的高分子塑料或有机玻璃。