Изобретение описывает изделие и способ для генерирования электрической энергии непосредственно из ядерной энергии. Более точно, изобретение описывает применение жидкого полупроводника в качестве средства для эффективного преобразования ядерной энергии, т.е. энергии ядерного деления и/или энергии излучения, непосредственно в электрическую энергию. Прямое преобразование ядерной энергии в электрическую энергию достигается путем размещения ядерного материала в непосредственной близости к жидкому полупроводнику. Ядерная энергия, испускаемая из ядерного материала в виде осколков деления или радиации, проникает в жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. При использовании надлежащей электрической цепи прикладывается электрическая нагрузка и генерируется электрическая энергия в результате создания электронно-дырочных пар.

 

(57) Реферат / Формула:
описывает изделие и способ для генерирования электрической энергии непосредственно из ядерной энергии. Более точно, изобретение описывает применение жидкого полупроводника в качестве средства для эффективного преобразования ядерной энергии, т.е. энергии ядерного деления и/или энергии излучения, непосредственно в электрическую энергию. Прямое преобразование ядерной энергии в электрическую энергию достигается путем размещения ядерного материала в непосредственной близости к жидкому полупроводнику. Ядерная энергия, испускаемая из ядерного материала в виде осколков деления или радиации, проникает в жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. При использовании надлежащей электрической цепи прикладывается электрическая нагрузка и генерируется электрическая энергия в результате создания электронно-дырочных пар.

 

---

2420-137408ЕА/22
ЯДЕРНЫЙ ВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
ОПИСАНИЕ
Область техники, к которой относится изобретение Изобретение в целом относится к способу и установке для генерирования электрической энергии непосредственно из ядерной энергии, а в частности, к использованию жидких полупроводников в качестве средства для эффективного преобразования ядерной энергии, т.е. энергии ядерного деления и/или радиации, непосредственно в электрическую энергию. Уровень техники изобретения
Неизменно, с тех пор как потенциальная возможность генерирования электрической энергии в результате ядерных реакций стала общепризнанной, ученые стремились изобрести наилучшие способы использования ядерной энергии и доведения ее до практического применения. Главные цели таких исследований состояли в том, чтобы создать наиболее эффективные способы преобразования энергии, преобразователи энергии, которые могут вырабатывать электрическую энергию из источников ядерной энергии на протяжении длительных периодов времени без обслуживания, а также менее притязательные, более управляемые преобразователи энергии, которые могут быть использованы в качестве повседневных источников энергии. Те источники ядерной энергии, которые ученые предполагали использовать, включают в себя ядерное деление (расщепление атомов), радиацию (излучение при испускании альфа-, бета- или гамма-лучей) и ядерный синтез (слияние атомов). Настоящее изобретение предназначено для вырабатывания электрической энергии из энергии, полученной от ядерного деления и/или радиации. Для целей этого документа следующие термины будут обладать, в дополнение к их общепринятому значению, значениями, перечисленными ниже:
(a) термин "ядерный материал" или "ядерные материалы" указывает на делящиеся (расщепляемые) материалы и радиоактивные изотопы, которые не являются расщепляемыми, но выделяют радиацию - радиацию альфа-, бета- или гамма-типа;
(b) термин "делящийся материал" охватывает уран, плутоний,
торий, нептуний и смеси плутония и урана;
(c) термин "уран" относится к следующим классификациям: обедненный уран (концентрация U-235 менее 0,7%), природный уран (концентрация U-235 равна приблизительно 0,7%), низкообогащенный уран (концентрация U-235 или U-233 менее 20%), высокообогащенный уран (U-235 или U-233 более 20%);
(d) термин "плутоний" относится к плутонию реакторного качества, в котором концентрация Ри-240 составляет номинально от 10% до 15%.
Наиболее известный способ генерирования электрической энергии с использованием ядерной энергии осуществляют посредством процессов теплообмена, причем этот способ используется на атомных электростанциях для генерирования электричества, предназначенного для использования в государственной электроэнергетической системе Соединенных Штатов. На атомной электростанции в активной зоне ядерного реактора размещают стержни из урана-235, где происходит деление, т.е. расщепление атомов урана-235. Когда атом урана-235 расщепляется на части, выделяется большое количество энергии. На атомной электростанции стержни с ураном скомпонованы в периодическую сборку и погружены в воду внутри сосуда высокого давления. Большое количество энергии, выделяемой при делении атомов урана-235, разогревает воду и превращает ее в водяной пар. Водяной пар используется для приведения в движение паровой турбины, которая вращает генератор для производства электрической энергии. В некоторых реакторах перегретая вода из реактора проходит через вторичный промежуточный теплообменник для преобразования воды в водяной пар во вторичном контуре, который приводит в движение турбину. Не считая того обстоятельства, что источником энергии является уран-235, на атомной электростанции используются идентичные способы преобразования энергии, заложенные в тех электростанциях, которые сжигают ископаемые виды топлива.
Атомные электростанции обычно характеризуются
коэффициентами преобразования энергии между 30 и 40 процентами. Этот коэффициент полезного действия является очень хорошим,
принимая во внимание, что на таких электростанциях используется несколько стадий для преобразования ядерной энергии в электрическую энергию. Следовательно, атомные электростанции являются хорошим источником при крупномасштабной выработке электричества. Однако, установки, в которых используются технологии теплопереноса для выработки электричества из ядерной энергии, вообще говоря, являются громоздкими и неэффективными при мелкомасштабном преобразовании энергии.
Были выполнены исследования, направленные на поиск путей уменьшения размера оборудования, необходимого для эффективной системы теплопереноса с целью вырабатывания электрической энергии из ядерных материалов. Некоторый успех был достигнут и, начиная с 1950-ых гг., малогабаритные атомные электростанции снабжают энергией большое число подводных лодок военного назначения и надводных судов. Однако, вследствие связанных с этим опасностей, системы теплопереноса не использовались для других мелкомасштабных источников энергии, и больше не используются на космических кораблях Соединенных Штатов. Использование ядерной энергии для приведения в движение атомных подводных лодок подчеркивает те преимущества, которыми ядерные материалы обладают в качестве источников энергии; например, атомная подводная лодка может покрыть расстояние в 400000 миль до того, как ей понадобиться перезагрузка топливом.
Вследствие потенциальных возможностей ядерных материалов в качестве источника для снабжения энергией на протяжении длительного периода времени, были выполнены многочисленные исследования с целью разработки малогабаритного, автономного источника питания с использованием ядерных материалов, который не имел бы связанных с ними опасностей, присущих системам теплопереноса. Эти исследования привели к разработке нескольких способов преобразования ядерной энергии в электрическую энергию.
Теоретически, наилучшими способами для преобразования ядерной энергии в электрическую энергию должны быть прямые способы, в которых ядерная энергия превращается непосредственно в электрическую энергию. Обсуждавшиеся выше атомные
электростанции работают на основе непрямого, двухстадийного процесса, в котором ядерная энергия превращается в тепловую энергию, которая заставляет воду обращаться в водяной пар, который используется для приведения в движение турбин и создания электрической энергии. Прямые способы преобразования потенциально являются наиболее эффективными способами преобразования, так как они будут предотвращать неизбежные потери энергии во время каждого процесса преобразования. Примерами технологий прямого преобразования, которые были предложены вплоть до настоящей даты, являются следующие.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием твердотельных полупроводников.
В этом технологическом процессе энергия радиации от радиоактивного изотопа преобразуется непосредственно в электрическую энергию посредством облучения полупроводникового материала продуктами радиоактивного распада для продуцирования электронно-дырочных пар в этом материале. Для достижения этого ядерный материал, такой как радиоактивный изотоп, помещают в непосредственной близости от твердотельного полупроводника. По мере своего распада радиоактивный изотоп порождает радиацию. Так как он находится в непосредственной близости с твердотельным полупроводником, некоторое количество этой радиации проникает в твердотельный полупроводник и вызывает образование пар электрон-дырка. Обычно твердотельный полупроводник сконфигурирован так, что он заключает в себе р-п-переход, который содержит встроенное электрическое поле в пределах области, называемой обедненной областью. Это электрическое поле прикладывает силу, которая приводит в движение образовавшиеся в обедненной области электроны и дырки в противоположных направлениях. Это заставляет электроны дрейфовать по направлению к нейтральной области р-типа, а дырки - по направлению к нейтральной области n-типа. В результате этого, когда радиация проникает в твердотельный полупроводник, генерируется электрический ток. Ток также может вырабатываться из электронно-дырочных пар, порожденных в пределах нескольких диффузионных пробегов от обедненной области, за счет механизма,
подразумевающего как диффузию, так и дрейф. Вместо р-п-перехода также может использоваться переход с барьером Шотки, сформированный в полупроводнике либо n-типа, либо р-типа. В таком случае, аналогичный процесс происходит, когда металл на полупроводнике n-типа (р-типа) накапливает дрейфующие дырки, как действовала нейтральная область р-типа (n-типа) в р-п-переходе.
Потенциально возможный коэффициент полезного действия при преобразования энергии твердотельной полупроводниковой системой является высоким. Однако, способ преобразования ядерной энергии с использованием твердотельных полупроводников не может использоваться для выработки больших выходных мощностей в течение длительных периодов времени, так как радиация высокой энергии, которая проникает в твердотельный полупроводник, также вызывает повреждение кристаллической решетки полупроводника. Более того, если источником энергии является делящийся материал, то некоторые из осколков делящегося материала, которые проникают в твердотельный полупроводник, остаются в этом твердотельном полупроводнике. Внедрение следовых количеств дефектов, в том числе собственных и примесных точечных дефектов и протяженных дефектов, может значительно уменьшать рабочие характеристики полупроводникового устройства. Со временем твердотельный полупроводник разрушается, а коэффициент полезного действия уменьшается до тех пор, пока он уже становится непригодным для преобразования энергии. Следовательно, не смотря на то, что системы с использованием твердотельных полупроводников в качестве прямых
преобразователей ядерной энергии в электрическую энергию потенциально весьма эффективны, они часто непрактичны для применений с большой мощностью и большой продолжительностью.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием комптоновского рассеяния.
Комптоновское рассеяние возникает в том случае, когда высокоэнергетическое (жесткое) гамма-излучение взаимодействует с веществом, вызывая выбивание электронов из этого вещества. Был предложен способ прямого преобразования ядерной энергии в
электрическую энергию, при котором источник гамма-излучения окружают изолирующим материалом. В результате комптоновского рассеяния гамма-лучи взаимодействуют с этим изолирующим материалом и вызывают образование электронов. Эти электроны могут собираться, что дает электрический ток. Эксперименты до настоящего времени не были способны продемонстрировать, что этот способ позволяет генерировать достаточно большие количества электричества с требуемыми эффективностью и надежностью при достаточно низкой стоимости для того, чтобы быть пригодным для широкого использования в практических применениях.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием индукционного процесса.
Использование индукции для преобразования ядерной энергии в электрическую энергию подразумевает применение установки, которая выдает электрическую энергию посредством модулирования плотности облака заряженных частиц, удерживаемого в пределах замкнутого пространства магнитным полем. Радиоактивный материал располагают в центре замкнутой полой сферы, внутренняя поверхность которой покрыта металлом, таким как серебро. Сфера расположена по центру между полюсами постоянного магнита. По мере того, как радиоактивный материал распадается, он испускает радиацию, которая, в свою очередь, заставляет облако заряженных частиц двигаться. Движение заряженных частиц приводит в результате к изменению плотности облака заряженных частиц и изменению магнитного поля, создаваемого этим облаком. Это изменение магнитного поля индуцирует электрический ток в токопроводящей шине. Однако, опять же, эффективность преобразования такой системы очень низка, а количество получаемой электрической энергии слишком мало для большинства применений.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием термоэлектрических систем.
Системы термоэлектрического преобразования основываются на прямом преобразовании тепловой энергии в электричество посредством эффекта Зеебека. Эффект Зеебека описывает явление,
заключающееся в том, что при возникновении температурного градиента в системе, содержащей два смежных разнородных материала, может генерироваться электрическое напряжение. Поэтому, если вблизи такой системы размещают радиоактивный материал, то радиация, порожденная данным радиоактивным материалом, будет нагревать упомянутый выше материал, вызывая температурный градиент, и в результате эффекта Зеебека может формироваться разность напряжений. В систему может быть включена нагрузка, предоставляющая возможность снимать электрическую мощность с такой системы. Термоэлектрические преобразователи используются в радиоизотопных
термоэлектрических генераторах для беспилотных аппаратов (зондов) по исследованию дальнего космоса и могут выдавать до киловатта мощности. Однако, теоретические эффективности преобразований для широко используемых материалов составляют всего лишь 15-20 процентов, а на практике эффективности преобразования гораздо меньше.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием термоионных систем.
Термоионные системы (называемые также термоэлектронными или термоэмиссионными) используют физический принцип, заключающийся в том, что определенные материалы при нагревании будут испускать электроны. Термоионные системы используют ядерное вещество, радиоизотопы или делящийся материал в качестве источника энергии для нагревания катода-излучателя, который испускает электроны, которые могут собираться на поверхности анода, выдавая электрическую мощность на внешнюю нагрузку. Эффективности преобразования в случае термоионных систем увеличиваются с температурой излучателя, причем теоретические эффективности находятся в диапазоне от 5% при 900 К до свыше 18% при 1750 К. Недостатками систем термоионного преобразования являются плохие эффективности, высокие рабочие температуры и среды с интенсивным излучением.
Преобразование ядерной энергии в электрическую энергию с использованием люминесцирующих материалов.
В такой системе смесь радиоактивного вещества и
люминесцирующего материала размещают между парой фотоэлектрических элементов. Радиоактивное вещество дает радиоактивные лучи, которые возбуждают атомы люминесцирующего материала и заставляют его испускать фотоны. Фотоэлектрические элементы используют эту радиацию для вырабатывания электричества. Вообще говоря, эта система требует очень сложной конструкции, но, не смотря на это, обеспечивает плохую эффективность преобразования по порядку величины менее 0,01%.
Сущность изобретения Как описано выше, неизменно, с тех пор как ядерная энергия была признана в качестве жизнеспособного источника энергии в 1950-ых годах, были выполнены многочисленные исследования по поиску наилучших способов преобразования ядерной энергии в электрическую энергию. Однако, не было создано ни одного способа прямого преобразования, который был бы эффективным и практичным. Ввиду вышеизложенного, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы качественно превзойти предшествующий уровень техники посредством предоставления способа и установки для эффективного прямого преобразования ядерной энергии, т.е. либо энергии радиоактивного распада, либо энергии деления, в электрическую энергию. Более точно, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить автономные
("самоподдерживающиеся") способ и установку для преобразования ядерной энергии в электрическую энергию, которые могут вырабатывать большие количества электрической энергии на протяжении длительных периодов времени без необходимости в частой дозаправке (перезагрузке) топлива и требуют незначительного обслуживания или не требуют никакого обслуживания вообще. Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ и установку, которые удовлетворяют давно назревшую потребность в способе преобразования ядерной энергии в электрическую энергию, который является малым по размеру, надежным и способен вырабатывать большие количества электрической энергии, для использования в подводных лодках, надводных судах и в качестве батареи для питания целого ряда изделий, включая, например, военные
снаряжение, оборудование и боевую технику, спутники и космические корабли.
Каждый вариант воплощения настоящего изобретения относится к использованию жидкого полупроводника в сочетании с источником радиации: либо делящимся материалом, таким как уран-235 или плутоний, или радиоактивным изотопом. Использование жидкого полупроводника минимизирует эффект радиационного повреждения, так как жидкие полупроводники быстро самовосстанавливаются и могут быть рафинированы или "очищены" от осколков деления, оставшихся в результате актов деления. Настоящее изобретение охватывает различные варианты воплощения, некоторые из которых описаны ниже.
Варианты воплощения с использованием делящихся материалов:
1- ый вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент (атомный источник тока) с делящимся материалом, нанесенным сплошным слоем, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
2- ой вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент с делящимся материалом, нанесенным сплошным слоем, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны друг другу и уложены поверх друг друга в пакет.
3- ий вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент с делящимся материалом, находящимся в растворенном виде в жидком полупроводнике, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны и намотаны вокруг сердечника.
4- ый вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент с делящимся материалом, находящимся в растворенном виде в жидком полупроводнике, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны друг другу и уложены поверх друг друга в пакет.
5- ый вариант воплощения: Сборка ядерных вольтаических элементов согласно 1-му, 2-му, 3-му или 4-му вариантам воплощения.
6- ой вариант воплощения: Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов, с одним замкнутым контуром в
виде двух секций для бесперебойного ("спокойного", от англ. "quiet") непрерывного отвода сбросной теплоты. Единственный жидкий полупроводник используется как для преобразования энергии, так и для охлаждения. Устройство извлечения тепла в одной из секций также используется для очистки жидкого полупроводника от нежелательных осколков деления, в то время как противостоящее устройство извлечения тепла может быть использовано для замены выгоревшего делящегося материала (если это необходимо).
7- ой вариант воплощения: Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов с раздельными контурами, одним - для очистки от осколков деления, и одним - для охлаждения. Жидкий полупроводник используется для преобразования энергии, а другое вещество (инертный газ, вода и т.п.) используется для охлаждения.
Варианты воплощения с использованием радиоактивных изотопов:
8- ой вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент с радиоактивным изотопом, находящимся в растворе с жидким полупроводником, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
9- ый вариант воплощения: Ядерный вольтаический элемент с радиоактивным изотопом, находящимся в растворе с жидким полупроводником, причем слои этого ядерного вольтаического элемента аксиально противоположны друг другу и уложены поверх друг друга в пакет.
10- ый вариант воплощения: Сборка ядерных вольтаических элементов согласно 8-му или 9-му вариантам воплощения.
В соответствии с одним из вариантов воплощения изобретения, предложен компактный элемент для снабжения большим количеством электрической энергии на протяжении большого срока действия. Данный элемент включает в себя ядерный материал для обеспечения ядерной энергии, т.е. либо энергии радиации, либо энергии деления.
В 1-ом варианте воплощения сплошной слой ядерного
материала помещают в непосредственной близости к жидкому полупроводнику. Ядерная энергия в виде осколков деления проникает в этот жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником п-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником n-типа или р-типа. Конструкция содержит как контакт с барьером Шотки, так и низкоомный или омический контакт. Как следствие этой компоновки с диодом Шотки, на жидком полупроводнике образуется разность потенциалов, которая заставляет электронно-дырочные пары, созданные за счет взаимодействий с ядерным излучением или "энергетическими" (быстрыми) частицами, мигрировать к металлическим контактам. При подключении электрической нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В предпочтительном варианте воплощения ядерный вольтаический элемент, содержащий ядерный материал и жидкий полупроводник, выполнен посредством обертывания этих слоев материалов вокруг сердечника спиральным образом.
Во 2-ом варианте воплощения сплошной слой ядерного материала помещен в непосредственной близости к жидкому полупроводнику. Как и в 1-ом варианте воплощения, ядерная энергия в виде осколков деления проникает в этот жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником n-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки и низкоомный или омический контакт при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником n-типа или р-типа. Как следствие этой компоновки с диодом Шотки, в обедненной области в пределах жидкого полупроводника порождается встроенное поле, которое заставляет электронно-дырочные пары дрейфовать в разных направлениях. При воздействии на материал радиации и подключении электрической нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В
предпочтительном подварианте 2-го варианта воплощения ядерный вольтаический элемент выполнен посредством укладки слоев материалов в пакет ("пакетирования").
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, описанном выше в качестве 3-го варианта воплощения, ядерный материал, обеспечивающий энергию деления, растворен в жидком полупроводнике. Снова ядерная энергия высвобождается в жидком полупроводнике в виде осколков деления, что порождает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником n-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки и низкоомный или омический контакт при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником n-типа или р-типа. В пределах обедненной области жидкого полупроводника порождается встроенное поле, которое заставляет электроны и дырки, образовавшиеся либо в пределах ширины обедненной области, либо в пределах нескольких диффузионных пробегов от нее, двигаться в противоположных направлениях. Это приводит в результате к генерированию тока. При подключении электрической нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В предпочтительном варианте воплощения ядерный вольтаический элемент выполнен посредством обертывания слоев материалов вокруг сердечника спиральным образом.
В 4-ом варианте воплощения ядерный материал, обеспечивающий энергию деления, растворен в жидком полупроводнике. Ядерная энергия в виде осколков деления большой энергии взаимодействует с жидким полупроводником и создает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником n-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки и низкоомный или омический контакт при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником п-типа или р-типа. В пределах обедненной области жидкого полупроводника порождается встроенное поле, которое заставляет электроны и дырки, образовавшиеся либо в пределах ширины
обедненной области, либо в пределах нескольких диффузионных пробегов,от нее, двигаться в противоположных направлениях. Это приводит в результате к генерированию тока. При подключении электрической нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В предпочтительном варианте воплощения ядерный вольтаический элемент выполнен посредством укладки слоев материалов в пакет.
В отличие от предыдущих способов преобразования ядерной энергии в электрическую энергию с использованием твердотельных полупроводников, настоящее изобретение может использовать деления или излучение высокой энергии для вырабатывания больших величин электрической мощности без быстрого ухудшения эффективности собирания (носителей заряда). Это происходит потому, что, в отличие от кристаллической решетки твердотельного полупроводника, ближний порядок жидкого полупроводника постоянно не разрушается вследствие взаимодействия с осколками деления или высокоэнергетическим излучением. Поэтому, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения жидкий полупроводник принудительно заставляют протекать через активную область ядерного вольтаического элемента (что невозможно в случае с твердотельными полупроводниками) и рафинируют или очищают от нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации, так что его чистота и полупроводниковые свойства со временем не ухудшаются, тем самым делая устройство преобразования способным к непрерывному оптимальному преобразованию энергии. В дополнение, выгоревший делящийся материал может быть заменен в то время, как реактор находится в работе, что позволяет избежать простоя для дозаправки (перезагрузки) топлива. Вследствие этих преимуществ, настоящее изобретение обеспечивает эффективное преобразование и выработку больших величин электрической мощности, т.е. характеризуется признаками, которые невозможны в случае устройств с твердотельным полупроводником.
Настоящее изобретение является очень легко
приспосабливаемым, так как многочисленные ядерные вольтаические
элементы - заключающие в себе любые из описанных выше вариантов воплощения, например, 1-ый, 2-ой, 3-ий или 4-ый варианты воплощения, - могут быть соединены вместе с формированием критической сборки, описанной выше в качестве 5-го варианта воплощения, для выдачи мощности вплоть до и превышающей мегаваттный диапазон. В случае потребностей в небольшой мощности, могут быть использованы единственный элемент или небольшое число элементов. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, описанном выше в качестве 6-го варианта воплощения, сформированная таким образом сборка составляет активную зону вольтаического ядерного реактора, окруженную подходящими защитными и охлаждающими материалами. В предпочтительном варианте воплощения активная зона вольтаического ядерного реактора использует тот же самый жидкий полупроводник, используемый при преобразовании энергии, и для охлаждения. В предпочтительном варианте воплощения охлаждающий контур разделен на две секции, каждая - с устройством извлечения тепла. Секции этого контура разделены качающимися клапанами и "качающимся" (совершающим возвратно-поступательное движение) поршнем пневматического цилиндра, и охлажденный теплоноситель из одного устройства извлечения тепла бесперебойно ("спокойно") прогоняется высоким давлением инертного газа через активную зону реактора, в то время как теплоноситель, нагретый сбросной теплотой в активной зоне реактора, втекает в другое устройство извлечения тепла при низком давлении инертного газа. Когда первое устройство извлечения тепла становится пустым, а второе устройство извлечения заполнено, качающиеся клапаны изменяют свои положения, а поршень изменяет направление движения на противоположное с тем, чтобы обеспечивать непрерывное бесперебойное охлаждение активной зоны реактора. Одно из устройств извлечения тепла также используется для очистки от нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации, тогда как другое может использоваться для замены выгоревшего делящегося материала.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего
изобретения активная зона вольтаического ядерного реактора, описанная выше в 7-ом варианте воплощения, имеет два раздельных контура, один - для преобразования энергии и очистки от осколков деления/продуктов активации, а другой - для охлаждения, но теплоноситель может быть чем-то иным, нежели жидким полупроводником. Таким образом, настоящее изобретение является легко приспосабливаемым и может удовлетворять разным потребностям, включая генерирование мощности для электрической энергосети и обеспечение электрической энергии для широкого диапазона разнообразных областей применения, включая космические корабли, подводные лодки и военные снаряжение, оборудование и боевую технику.
В еще одном предпочтительном варианте воплощения настоящее изобретение также может быть использовано для построения ядерной вольтаической батареи. В описанном выше 8-ом варианте воплощения ядерный материал в виде радиоактивного изотопа растворен в жидком полупроводнике. Растворение радиоактивного изотопа в жидком полупроводнике является предпочтительным вариантом воплощения изобретения, однако в другом варианте воплощения радиоактивный изотоп может быть вместо этого помещен в непосредственной близости к жидкому полупроводнику. Ядерная энергия в виде альфа-, бета- и/или гамма-излучения проникает в жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником n-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки и низкоомный или омический контакт при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником n-типа или р-типа. В пределах обедненной области жидкого полупроводника порождается встроенное поле, которое заставляет электроны и дырки, образовавшиеся либо в пределах ширины обедненной области, либо в пределах нескольких диффузионных пробегов от нее, двигаться в противоположных направлениях. Это приводит в результате к генерированию тока. При подключении нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В предпочтительном варианте воплощения ядерный
вольтаический элемент выполнен посредством обертывания слоев материалов вокруг сердечника спиральным образом.
В описанном выше 9-ом варианте воплощения ядерный материал в виде радиоактивного изотопа растворен в жидком полупроводнике. Как и в 8-ом варианте воплощения, ядерная энергия в виде альфа-, бета- и/или гамма-излучения проникает в жидкий полупроводник и создает электронно-дырочные пары. Жидкий полупроводник является полупроводником n-типа или р-типа, который помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, которые подобраны так, что образуют диод Шотки и низкоомный или омический контакт при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником n-типа или р-типа. В пределах обедненной области жидкого полупроводника порождается встроенное поле, которое заставляет электроны и дырки, образовавшиеся либо в пределах ширины обедненной области, либо в пределах нескольких диффузионных пробегов от нее, двигаться в противоположных направлениях. Это приводит в результате к генерированию тока. При подключении электрической нагрузки на контактах согласно настоящему изобретению вырабатывается электрическая мощность. В предпочтительном варианте воплощения ядерный вольтаический элемент выполнен посредством укладки слоев материалов в пакет.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения жидкий полупроводник принудительно заставляют протекать через активную область ядерного вольтаического элемента (что невозможно в случае с твердотельными полупроводниками) и рафинируют или очищают от нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации, так что его полупроводниковые свойства со временем не ухудшаются, тем самым делая устройство преобразования способным к непрерывному оптимальному преобразованию энергии. Вследствие этих преимуществ, настоящее изобретение обеспечивает эффективное преобразование и выработку больших величин электрической мощности на протяжении длительных периодов времени, т.е. имеет те атрибуты, которые были невозможны в случае с твердотельными полупроводниками.
Настоящее изобретение является очень легко
приспосабливаемым, так как многочисленные ядерные вольтаические элементы могут быть соединены вместе в сборку с формированием ядерной вольтаической батареи, описанной выше в 10-ом варианте воплощения, для обеспечения диапазонов мощности от долей ватта до больших, чем мегаватты. В случае потребностей в небольшой мощности, могут быть использованы единственный элемент или небольшое число элементов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает схематичный поперечный разрез ядерного вольтаического элемента по одному из вариантов воплощения, в котором ядерный материал нанесен в виде покрытия на подложку.
Фиг. 2 показывает диаграмму потенциальной энергии для перехода между контактом с барьером Шотки и жидким полупроводником п-типа.
Фиг.З показывает акт деления, происходящий в ядерном вольтаическом элементе.
Фиг.4 показывает схематичный поперечный разрез предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором ядерный материал находится в растворенном виде в жидком полупроводнике.
Фиг. 5 показывает акт деления, происходящий от делящегося материала, растворенного в жидком полупроводнике, в ядерном вольтаическом элементе в одном из вариантов воплощения настоящего изобретения.
Фиг. б показывает испускание альфа-, бета- или гамма-лучей из радиоактивного изотопа, растворенного в жидком полупроводнике, в ядерном вольтаическом элементе в одном из вариантов воплощения настоящего изобретения.
Фиг-. 7 показывает предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения, в которых аксиально противоположные друг другу слои по настоящему изобретению намотаны вокруг сердечника.
Фиг. 8 показывает, каким образом в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения многочисленные ядерные вольтаические элементы подключаются для создания
сборки.
Фиг. 9 показывает, каким образом в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения многочисленные ядерные вольтаические элементы объединяются для создания вольтаического ядерного реактора.
Фиг.10 показывает предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, в котором осуществляют циркуляцию теплоносителя и жидкого полупроводника через реактор на основе ядерных вольтаических элементов.
Фиг.11 показывает, каким образом, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, отделяют друг от друга охлаждающий контур и контур преобразования энергии/очистки от осколков деления.
Подробное описание изобретения
Фиг.1 показывает поперечный разрез ядерного вольтаического элемента 5 по одному из вариантов воплощения. В этом варианте воплощения жидкий полупроводник 20 помещен прослойкой между двумя металлическими контактами: омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки. Устройство также будет функционировать, если вместо омического контакта 10 используется низкоомный контакт (контакт с малым электрическим сопротивлением). Это может быть необходимо в том случае, если идеальный омический контакт 10 не является легко достижимым в результате принципиальных или практических причин.
Как показано на фиг.1, жидкий полупроводник 2 0 помещен прослойкой между двумя металлическими контактами, т.е. омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки. Более того, как показано на фиг.1, два металлических контакта, т.е. омический контакт 10 и контакт 30 с барьером Шотки, образуют канал, через который может протекать жидкий полупроводник 20. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения жидкий полупроводник 20 втекает по направлению стрелки 15 в канал между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки, а затем вытекает из этого канала между омическим каналом 10 и контактом 30 с барьером Шотки по направлению стрелки 25. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения два
конца канала между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки соединены замкнутым контуром, и при этом используется насос для циркуляции жидкого полупроводника 20 через канал между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки и по этому замкнутому контуру.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, омический контакт 10 предпочтительно выполнен из металла, так что не существует никакого или существует минимальный барьер между омическим контактом 10 и жидким полупроводником 20. Более того, как будет понятно специалистам в данной области техники, контакт 30 с барьером Шотки предпочтительно выполнен из металла, так что, при приведении в соприкосновение с жидким полупроводником 20, создается существенный электростатический барьер по жидкому полупроводнику 20. В варианте воплощения настоящего изобретения, описанном на фиг.1, подложка 40 покрыта ядерным материалом 50, а металлический контакт 30 с барьером Шотки нанесен поверх ядерного материала 50. В предпочтительном варианте воплощения изобретения омический контакт 10 и контакт 30 с барьером Шотки соединены в цепь, что так к этой цепи может быть приложена нагрузка 35, а электрическая энергия - снята с настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения поперечное сечение наслоения, составляющего активные части по изобретению, имеет порядок 1,63х10~2 см в поперечнике. В предпочтительном варианте воплощения между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки расположены неактивные прокладки для обеспечения разделения двух этих контактов. В альтернативном варианте воплощения ядерный материал 50 может быть заменен неделящимся радиоактивным изотопом, который дает любое из или сочетание альфа-, бета- или гамма-излучения по мере своего распада.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения жидкий полупроводник 20 является твердым телом при комнатной температуре и осажден между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки. В предпочтительном варианте воплощения
настоящего изобретения слои ядерного вольтаического элемента 5 изготовлены с использованием тонкопленочной технологии. В предпочтительном варианте воплощения изобретения, после того как слои ядерного вольтаического элемента 5 были изготовлены, ядерный вольтаический элемент 5 нагревают с тем, чтобы расплавить жидкий полупроводник 20. Оптимальные рабочие температуры будет варьироваться в зависимости от свойств используемого жидкого полупроводника 20. В предпочтительном варианте воплощения жидким полупроводником является селен, а рабочая температура составляет 230-250° по Цельсию. Специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть применены иные жидкие полупроводники, чем селен. В пределах конкретных диапазонов температуры и состава, жидкие полупроводники могут быть составлены из чистых халькогенов (кислород, сера, селен и теллур). В числе других возможных вариантов, подходящие жидкие полупроводники включают в себя смеси халькогенов и сплавы халькогенов с металлами. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, после первоначального нагрева посредством внешнего источника, температуру ядерного вольтаического элемента 5 поддерживает теплота, выделяемая из ядерного материала.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения внешний источник электропитания используется для разогрева ядерного вольтаического элемента и перевода полупроводника в жидкое состояние. В альтернативном варианте воплощения жидкий полупроводник 20 является жидким при комнатной температуре, а настоящее изобретение не требует разогрева перед работой.
Фиг. 2 показывает энергетическую зонную диаграмму для перехода 60 между контактом 30 с барьером Шотки и жидким полупроводником 20. Металл контакта 30 с барьером Шотки подобран так, что в равновесном состоянии на жидком полупроводнике 20 создается разность потенциалов. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения жидким полупроводником 20 является полупроводник n-типа. Место
соприкосновения между контактом 30 с барьером Шотки и жидким полупроводником 20 часто называют в данной области техники как переход.
При тепловом равновесии, без приложенного внешнего напряжения, в жидком полупроводнике 20 существует область, близкая к переходу 60, которая обеднена подвижными носителями. Она известна в данной области техники как обедненная область 70. Высота барьера в жидком полупроводнике 20 от уровня Ферми до верха электростатического барьера, равна потенциалу Фь 80 поля р-п-перехода. Электроны 90 или дырки 100, которые проникают в обедненную область 70, будут испытывать воздействие некоторой силы между нейтральной частью жидкого полупроводника 20 и металлом контакта 30 с барьером Шотки из-за электрического поля, являющегося следствием потенциального барьера 80 в жидком полупроводнике 20. Диффузионный пробег 110 зависит от свойств используемого жидкого полупроводника 20 и является мерой того, как далеко избыточные электроны 90 или дырки 100 в среднем могут диффундировать в жидком полупроводнике 20 до рекомбинации. Объемом 115 собирания (носителей заряда) является комбинация обедненной области 70 и умноженного на некоторый коэффициент диффузионного пробега 110 и представляет собой объем, в котором собираются электроны 90 и дырки 100. Эти носители, т.е. электроны 90 и дырки 100, инициируют процесс генерации, который имеет результатом ток, протекающий через жидкий полупроводник 20.
Как поймут специалисты в данной области техники, хотя диаграммы потенциальной энергии будут другими в том случае, если используется жидкий полупроводник р-типа, общий результат может быть получен тот же самый, т.е. поток электронов 90 и дырок 100 и создание электрического тока, посредством использования жидкого полупроводника как n-типа, так и р-типа.
В предпочтительном варианте воплощения изобретения жидким полупроводником 20 является жидкий селен при температуре свыше 233° по Цельсию. Жидкий селен является предпочтительным жидким полупроводником 20 потому, что он обладает очень большой
шириной запрещенной зоны, что дает большой потенциальный барьер 80 поперек обедненной области 70 и большой диффузионный пробег 110. Однако, могут быть использованы другие жидкие полупроводники, которые превосходят селен по этим характеристикам.
Фиг.З показывает поперечный разрез по настоящему изобретению, когда происходит акт 120 деления. В предпочтительном варианте воплощения изобретения ядерным материалом 50 является уран-235. Акт 120 деления происходит, когда расщепляется атом ядерного материала 50. Как поймут специалисты в данной области техники, акт 120 деления может происходить самопроизвольно или, что более вероятно, как результат столкновения с нейтроном, испущенным во время другого акта деления. В результате акта 120 деления образуются два осколка ядерного материала 50. В варианте воплощения настоящего изобретения, показанном на фиг.З, один осколок ядерного материала 50, т.е. потерянный осколок 130 деления, не проникает в жидкий полупроводник 20. Однако другой осколок 140 деления проникает в жидкий полупроводник 20. Как поймут специалисты в данной области техники, фрагмент 140 деления обладает высокой энергией. Например, в случае урана-235, средняя энергия осколка 140 деления составляет между 67 и 95 МэВ. Когда осколок 14 0 деления проникает в жидкий полупроводник 20, он взаимодействует с атомами и электронами жидкого полупроводника 20 и создает пары 150 электрон-дырка вдоль некоторой траектории движения в жидком полупроводнике 20. Этот процесс порождает большое количество электронов 90 и дырок 100 в жидком полупроводнике 20. Осколок 140 деления может также взаимодействовать с атомами и электронами жидкого полупроводника 20. Такое взаимодействие может вызывать создание, электрона 160 высокой энергии и выбитого атома-хозяина 170. Электрон 160 высокой энергии и выбитый атом-хозяин 17 0 также могут вызывать создание дополнительных электронов 90 и дырок 100. Вследствие потенциального барьера 80 между низкоомный или омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки, электроны 90 и дырки 100 двигаются в противоположных направлениях и приводят в
результате к протеканию электрического тока между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки. Как показано на фиг.2, потенциальный барьер 80 существует поперек обедненной области 70. Как результат, только те электроны 90 или дырки 100, которые находятся в обедненной области 70 или диффундируют в эту обедненную область 70, будут становиться частью потока электронов 90 и дырок 100 между омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки. Как обсуждено выше, жидкий селен является предпочтительным жидким полупроводником, так как он обладает большим присущим ему диффузионным пробегом 110 и, соответственно, обеспечивает захват большего количества электронов 90 и дырок 100.
Ядерный материал 50 не только порождает осколки 140 деления, когда расщепляется его атом, но также порождает вторичную радиацию, которая будет ионизировать атомы жидкого полупроводника 20, создавая электроны 90 и дырки 100, что будет приводит в результате к выработке электрической энергии. В альтернативном варианте воплощения настоящего изобретения ядерный материал 50 может быть неделящимся радиоактивным изотопом, который по мере своего распада дает любое из или сочетание альфа-, бета- или гамма-излучения. В таком варианте воплощения настоящего изобретения альфа-, бета- или гамма-лучи при их попадании в жидкий полупроводник 20 будут создавать электроны 90 и дырки 100. По существу, работа в этом варианте воплощения настоящего изобретения является такой же, как и в том случае, когда используется ядерный материал 50, за исключением, однако, того, что альфа-, бета- или гамма-лучи не порождают столь же много электронов 90 и дырок 100 на единицу падающего излучения, и, как следствие, вариант воплощения настоящего изобретения, в котором используются неделящийся радиоактивный изотоп, может не быть способен генерировать столь же большую электрическую мощность, как тот вариант воплощения, в котором используется ядерный материал 50.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения неделящиеся радиоактивные изотопы могут использоваться для обеспечения более низких выходных (отдаваемых) мощностей при
меньшей связанной с этим радиацией. Этот тип источников питания является более практичным для использования в тех устройствах, которые находятся в непосредственной близости от человека-оператора, так как вокруг этого устройства может быть размещен легкий радиационный экран. Такой источник питания (источник тока) хорошо приспособлен для применения в космических кораблях и военном снаряжении, оборудовании и боевой технике, где не требуются высокие выходные мощности и необходимо более малогабаритное устройство, которое не является высоко радиоактивным.
Фиг. 4 показывает поперечный разрез предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения, в котором ядерный материал 50 находится в растворенном виде в жидком полупроводнике 20. В этом предпочтительном варианте воплощения жидкий полупроводник 20 помещен прослойкой между низкоомный или омическим контактом 10 и контактом 30 с барьером Шотки, а ядерный материал 50 находится в растворе в жидком полупроводнике 20. Это является предпочтительным вариантом воплощения изобретения, так как, когда происходит акт 120 деления, нет никаких потерянных осколков деления, и оба осколка деления будут проходить через жидкий полупроводник 20, и любой осколок деления может вызывать образование электронно-дырочных пар внутри жидкого полупроводника 20. Как следствие, этот предпочтительный вариант воплощения является более эффективным, чем вариант воплощения, описанный на фиг.2.
Фиг.5 показывает акт 120 деления, происходящий внутри жидкого полупроводника 20, и иллюстрирует то, что в этом варианте воплощения, в котором ядерный материал 50 находится в растворенном виде в жидком полупроводнике 20, оба осколка 14 0 деления работают на образование электронно-дырочных пар в жидком полупроводнике 20.
Фиг.б показывает альтернативный вариант воплощения настоящего изобретения, где ядерным материалом 50 является неделящийся радиоактивный изотоп. В предпочтительном варианте воплощения этот неделящийся материал будет находится в растворенном виде в жидком полупроводнике 20, так что
испущенная в любом направлении радиация 190 может вызывать создание электронно-дырочных пар в жидком полупроводнике 20.
Фиг. 7 показывает предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, в котором аксиально противоположные слои по настоящему изобретению, как описано на фиг.1, намотаны вокруг сердечника 200 для создания единого ядерного вольтаического элемента 5 с характеристиками, подобными гальваническому элементу (химическому источнику тока). Преимущество этого предпочтительного варианта воплощения настоящего изобретения состоит в том, что он минимизирует пространственный объем настоящего изобретения и обеспечивает стабильность, поскольку длинные тонкие ядерные вольтаические элементы 5, которые намотаны вокруг сердечника 200, являются механически прочными. В альтернативном варианте воплощения аксиально противоположные слои ядерного вольтаического элемента 5 могут быть сложены пакетом поверх друг друга; однако, это не уменьшает пространственный объем настоящего изобретения настолько сильно, как описанным выше способ намотки, так как должно быть предусмотрено средство для поддержания механической целостности такого пакета.
Фиг. 8 показывает, каким образом, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, многочисленные ядерные вольтаические элементы 5 могут быть соединены с использованием перфорированных листовых проводников 210 для для создания сборки 220. В этом предпочтительном варианте воплощения, посредством соединения ядерных вольтаических элементов 5 в сборку 220, мощность, произведенная каждым ядерным вольтаическим элементом 5, может быть объединена для вырабатывания большей электрической мощности. Число ядерных вольтаических элементов 5, используемых в сборке 220, может варьироваться в зависимости от требуемого количества электрической энергии. Так как ядерные вольтаические элементы 5 подключены последовательным/параллельным образом, если один ядерный вольтаический элемент 5 выходит из строя, остальные в сборке 220 будут продолжать функционировать.
Фиг. 9 показывает предпочтительный вариант воплощения
настоящего изобретения, в соответствии с которым многочисленные ядерные вольтаические элементы 5 объединены для создания вольтаического ядерного реактора 230. В этом варианте воплощения отдельные ядерные вольтаические элементы 5 соединены с использованием перфорированного листового проводника 210. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения предусмотрены биологический защитный экран 24 0 и внешний корпус (кожух) 250, которые окружают данную сборку ядерных вольтаических элементов 5 для предотвращения утечки какой бы то ни было радиации. Теплоноситель 180 прокачивают вокруг внутренности вольтаического ядерного реактора 230, между биологическим защитным экраном 240 и внешним корпусом 250, для предотвращения перегрева. В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения теплоносителем 180 является жидкий полупроводник 20. Таким образом, жидкий полупроводник 20 может быть использован как для охлаждения вольтаического ядерного реактора 230, так и для вырабатывания электрической энергии.
Фиг.10 показывает предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения, в котором осуществляют циркуляцию служащего в качестве теплоносителя жидкого полупроводника из холодных ниток 280 через активную зону 230 вольтаического ядерного реактора в горячие нитки 290 для отвода сбросной теплоты (энергии осколков деления, не преобразованной в электричество), а также выполнения преобразования энергии. В этом предпочтительном варианте воплощения охлажденный жидкий полупроводник 20 принудительно заставляют протекать посредством совершающего возвратно-поступательное движение поршня 300 пневматического цилиндра. Совершающий возвратно-поступательное движение поршень 300 пневматического цилиндра сжимает инертный газ 320, заставляя жидкий полупроводник 20 вытекать из первого устройства 310 извлечения тепла через активную зону 230 вольтаического ядерного реактора, где он обеспечивает достижение ядерной критичности, преобразование ядерной энергии и охлаждение. Жидкий полупроводник 20 затем протекает во второе устройство 330 извлечения тепла с пониженным давлением
инертного газа, причем направлением потока управляют качающимися клапанами 340 и направлением движения совершающего возвратно-поступательное движение поршня 300 пневматического цилиндра. Когда второе устройство 330 извлечения тепла заполнено, качающиеся клапаны 34 0 меняют положение, а совершающий возвратно-поступательное движение поршень 300 пневматического цилиндра изменяет направление движения на противоположное для выдавливания охлажденного теплоносителя из второго устройства 330 извлечения тепла через активную зону 230 вольтаического ядерного реактора в первое устройство 310 извлечения тепла с целью непрерывного бесперебойного охлаждения. Отведенное тепло также может быть использовано для производства дополнительной электрической мощности посредством традиционного процесса теплообмена (например,
термоэлектрических преобразователей). Подобным же образом, при объединении механизма очистки со вторым устройством 330 извлечения тепла, жидкий полупроводник 20 может периодически втекать во второе устройство 330 извлечения тепла, где нежелательные частицы материала осколков деления и нежелательные продукты нейтронной активации могут быть удалены из этого жидкого полупроводника 20. Этот вариант является предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения, так как он позволяет настоящему изобретению быть самоподдерживающейся (автономной) системой, в которой имеет место непрерывное охлаждение и рафинирование или очистка, при этом жидкий полупроводник 20 используется непрерывно, без необходимости в добавлении нового жидкого полупроводника 20 в том случае, когда этот жидкий полупроводник 20 становится слишком загрязненным осколками 140 деления и продуктами нейтронной активации.
В сочетании с очисткой от осколков деления и продуктов нейтронной активации, делящийся материал может периодически добавляться в первом устройстве 310 извлечения тепла для замены (восполнения) делящегося материала, выгоревшего в процессе деления, чтобы поддерживать критическое ядерное состояние в реакторе.
Фиг.11 показывает вариант воплощения настоящего изобретения, в котором теплоноситель 180, который может быть или может не быть жидким полупроводником 20, осуществляет фазу охлаждения. Теплоноситель 180 и жидкий полупроводник 20 находятся в раздельных контурах и циркулируют через активную зону 230 вольтаического ядерного реактора. В этом предпочтительном варианте воплощения первый насос 37 0 используют для прокачивания теплоносителя 180 с протеканием в направлении стрелки 350, а жидкий полупроводник 20 прокачивают вторым насосом 370 с протеканием в направлении стрелки 360. Теплоноситель 180 втекает в устройство 380 извлечения тепла, которое обеспечивает возможность отвода тепловой энергии, так что теплоноситель 180 может быть использован в качестве средства для непрерывного охлаждения. Отведенное тепло может быть также использовано для производства дополнительной электрической мощности посредством традиционного процесса теплообмена (например, термоэлектрических преобразователей). Жидкий полупроводник 20 прокачивают с протеканием через очиститель 390, где нежелательные частицы материала осколков деления и нежелательные продукты нейтронной активации могут быть удалены из жидкого полупроводника 20.
При наличии в распоряжении описанного таким образом выше настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что напрашиваются многочисленные изменения в конструкции и схемах и самые различные варианты воплощения и области применения изобретения, без отклонения от объема настоящего изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ядерный вольтаический элемент, содержащий: первую подложку, имеющую первую поверхность;
слой делящегося материала, нанесенный на упомянутую первую поверхность упомянутой первой подложки;
первый металлический контактный слой, нанесенный на упомянутый слой делящегося материала;
вторую подложку, имеющую первую поверхность;
второй металлический контактный слой, нанесенный на упомянутую первую поверхность упомянутой второй подложки, при этом упомянутая первая подложка и упомянутая вторая подложка расположены так, что упомянутый первый металлический контактный слой и упомянутый второй металлический контактный слой обращены друг к другу;
жидкий полупроводник, введенный между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт; и
электрическую цепь, соединяющую упомянутый первый металлический контактный слой с упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
2. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена электрическая нагрузка.
3. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
4. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником n-типа.
5. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с введенным между ними
упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
6. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
7. Ядерный вольтаический элемент по п.1, в котором упомянутые первая подложка и вторая подложка аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
8. Ядерный вольтаический элемент, содержащий: первую подложку, имеющую первую поверхность;
слой радиоактивного изотопа, нанесенный на упомянутую первую поверхность упомянутой первой подложки;
первый металлический контактный слой, нанесенный на упомянутый слой радиоактивного изотопа;
вторую подложку, имеющую первую поверхность;
второй металлический контактный слой, нанесенный на упомянутую первую поверхность упомянутой второй подложки, при этом упомянутая первая подложка и упомянутая вторая подложка расположены так, что упомянутый первый металлический контактный слой и упомянутый второй металлический контактный слой обращены друг к другу;
жидкий полупроводник, введенный между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт; и
электрическую цепь, соединяющую упомянутый первый металлический контактный слой с упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
9. Ядерный вольтаический элемент по п. 8, в котором электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена электрическая нагрузка.
10. Ядерный вольтаический элемент по п.8, в котором
упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
11. Ядерный вольтаический элемент по п.8, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником п-типа.
12. Ядерный вольтаический элемент по п. 8, в котором между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с введенным между ними упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
13. Ядерный вольтаический элемент по п.8, в котором упомянутый радиоактивный изотоп представляет собой по меньшей мере один из излучателя альфа-частиц, бета-частиц или гамма-лучей .
14. Ядерный вольтаический элемент по п.8, в котором упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
15. Ядерный вольтаический элемент по п.8, в котором упомянутые первая подложка и вторая подложка аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
16. Ядерный вольтаический элемент, содержащий:
первый металлический контактный слой и второй металлический контактный слой, расположенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор делящегося материала, и упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт; и
электрическую цепь, соединяющую упомянутый первый металлический контактный слой с упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
17. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором
электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена электрическая нагрузка.
18. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
19. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником п-типа.
20. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с введенным между ними упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
21. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
22. Ядерный вольтаический элемент по п.16, в котором упомянутые первая подложка и вторая подложка аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
23. Ядерный вольтаический элемент, содержащий:
первый металлический контактный слой и второй металлический контактный слой, расположенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор радиоактивного изотопа, и упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт; и
электрическую цепь, соединяющую упомянутый первый металлический слой с упомянутым вторым металлическим слоем.
24. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена электрическая нагрузка.
25. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
26. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником п-типа.
27. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с введенным между ними упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
28. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем.
29. Ядерный вольтаический элемент по п.23, в котором упомянутые первая подложка и вторая подложка аксиально противоположны друг другу и намотаны вокруг сердечника.
30. Ядерная вольтаическая сборка, содержащая множество ядерных вольтаических элементов, скомпонованных в пакет, содержащий, по меньшей мере:
первый слой, содержащий подложку, имеющую первую поверхность, при этом на упомянутую первую поверхность нанесено покрытие из делящегося материала, и при этом дополнительно на упомянутое покрытие из делящегося материала нанесено покрытие первого металлического контакта;
второй слой, содержащий жидкий полупроводник, при этом упомянутый второй слой* является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым первым слоем, при этом упомянутый первый металлический контакт образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом втором слое контакт с барьером Шотки;
третий слой, содержащий подложку, имеющую нанесенные на две ее плоских поверхности второй металлический контакт и третий металлический контакт, при этом упомянутый второй металлический контакт упомянутого третьего слоя является
смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым вторым слоем, и при этом дополнительно упомянутый второй металлический контакт образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом втором слое низкоомный или омический контакт;
четвертый слой, содержащий жидкий полупроводник, при этом упомянутый четвертый слой является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым третьим металлическим контактом упомянутого третьего слоя и образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом четвертом слое низкоомный или омический контакт; и
пятый слой, содержащий третью подложку, имеющую нанесенное на ее первую поверхность покрытие из делящегося материала, при этом упомянутое покрытие из делящегося материала покрыто четвертым металлическим контактом, и при этом дополнительно упомянутый четвертый металлический контакт упомянутого пятого слоя является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым четвертым слоем и образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом четвертом слое контакт с барьером Шотки.
31. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой все упомянутые металлические контакты соединены вместе электрической цепью.
32. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена нагрузка.
33. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
34. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником n-типа.
35. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой между упомянутым слоем первого металлического контакта и упомянутым слоем второго металлического контакта с введенным между ними упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
36. Ядерная вольтаическая сборка по п.30, в которой упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым слоем первого металлического контакта и упомянутым слоем второго металлического контакта.
37. Ядерная вольтаическая батарея, содержащая множество ядерных вольтаических элементов, скомпонованных в пакет, содержащий, по меньшей мере:
первый слой, содержащий подложку, имеющую первую поверхность, при этом на упомянутую первую поверхность нанесено покрытие из радиоактивного изотопа, и при этом дополнительно на упомянутое покрытие из радиоактивного изотопа нанесено покрытие первого металлического контакта;
второй слой, содержащий жидкий полупроводник, при этом упомянутый второй слой является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым первым слоем, при этом упомянутый первый металлический контакт образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом втором слое контакт с барьером Шотки;
третий слой, содержащий подложку, имеющую нанесенные на две ее плоских поверхности второй металлический контакт и третий металлический контакт, при этом упомянутый второй металлический контакт упомянутого третьего слоя является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым вторым слоем, и при этом дополнительно упомянутый второй металлический контакт образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом втором слое низкоомный или омический контакт;
четвертый слой, содержащий жидкий полупроводник, при этом упомянутый четвертый слой является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым третьим металлическим контактом упомянутого третьего слоя и образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом четвертом слое низкоомный или омический контакт; и
пятый слой, содержащий третью подложку, имеющую нанесенный на ее первую поверхность слой радиоактивного изотопа, при этом упомянутое покрытие из радиоактивного изотопа покрыто четвертым металлическим контактом, и при этом дополнительно упомянутый
четвертый металлический контакт упомянутого пятого слоя является смежным с и находящимся в соприкосновении с упомянутым четвертым слоем и образует с упомянутым жидким полупроводником в упомянутом четвертом слое контакт с барьером Шотки.
38. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой все упомянутые металлические контакты соединены вместе электрической цепью.
39. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена электрическая нагрузка.
40. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником р-типа.
41. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой упомянутый жидкий полупроводник является полупроводником п-типа.
42. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой между упомянутым слоем первого металлического контакта и упомянутым слоем второго металлического контакта с введенным между ними упомянутым жидким полупроводником размещено множество непроводящих прокладок.
43. Ядерная вольтаическая батарея по п.37, в которой упомянутый жидкий полупроводник протекает между упомянутым слоем первого металлического контакта и упомянутым слоем второго металлического контакта.
44. Ядерная вольтаическая батарея, содержащая множество ядерных вольтаических элементов, скомпонованных в пакет, содержащий, по меньшей мере:
первую подложку, имеющую на своей поверхности первый металлический контактный слой;
вторую подложку, имеющую на своей поверхности второй металлический контактный слой;
причем упомянутая первая подложка и упомянутая вторая подложка расположены так, что упомянутый первый металлический контактный слой и упомянутый второй металлический контактный слой обращены друг к другу, с каналом между упомянутым первым
металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый канал между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем имеет первый конец и второй конец;
жидкий полупроводник, введенный в упомянутый канал между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с этим жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт;
причем упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор радиоактивного изотопа;
замкнутый контур, соединяющий упомянутый первый конец упомянутого канала между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с упомянутым вторым концом упомянутого канала между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем; и
насос, присоединенный к упомянутому замкнутому контуру, для прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутый канал между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем и через упомянутый замкнутый контур.
45. Ядерная вольтаическая батарея по п.44, дополнительно содержащая устройство извлечения тепла, присоединенное к упомянутому замкнутому контуру, при этом упомянутый жидкий полупроводник протекает через упомянутое устройство извлечения тепла и охлаждается упомянутым устройством извлечения тепла.
46. Активная зона вольтаического ядерного реактора, содержащая множество ядерных вольтаических элементов, скомпонованных в пакет, содержащий, по меньшей мере:
первую подложку, имеющую на своей поверхности первый металлический контактный слой;
вторую подложку, имеющую на своей поверхности второй
металлический контактный слой;
причем упомянутая первая подложка и упомянутая вторая подложка расположены так, что упомянутый первый металлический контактный слой и упомянутый второй металлический контактный слой обращены друг к другу, с каналом между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый канал между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем имеет первый конец и второй конец;
жидкий полупроводник, введенный в упомянутый канал между первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с этим жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с этим жидким полупроводником низкоомный или омический контакт;
причем упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор делящегося материала;
замкнутый контур, соединяющий упомянутый первый конец упомянутого канала между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем с упомянутым вторым концом упомянутого канала между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем; и
насос, присоединенный к упомянутому замкнутому контуру, для прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутый канал между упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем и через упомянутый замкнутый контур.
47. Активная зона вольтаического ядерного реактора по п.4 6, дополнительно содержащая устройство извлечения тепла, присоединенное к упомянутому замкнутому контуру, при этом упомянутый жидкий полупроводник протекает через упомянутое устройство извлечения тепла и охлаждается упомянутым устройством извлечения тепла.
48. Активная зона вольтаического ядерного реактора по п.4 6, дополнительно содержащая очиститель, присоединенный к упомянутому замкнутому контуру, при этом упомянутый жидкий полупроводник протекает через упомянутый очиститель, и часть нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации удаляются из упомянутого жидкого полупроводника упомянутым очистителем.
49. Сборка ядерных вольтаических элементов, содержащая множество ядерных вольтаических элементов, в которой:
упомянутое множество ядерных вольтаических элементов уложены в пакет поверх друг друга с перфорированным металлическим листовым проводником, помещенным между каждым из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов.
50. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.4 9, в которой все упомянутые перфорированные металлические листовые проводники соединены вместе электрической цепью.
51. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.50, в которой электрическая мощность вырабатывается, когда к упомянутой электрической цепи приложена нагрузка.
52. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.51, в которой каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере, первый металлический контактный слой с нанесенным на него слоем делящегося материала и второй металлический контактный слой, размещенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
53. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.51, в которой каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере, первый металлический контактный слой с нанесенным на него слоем радиоактивного изотопа и второй металлический контактный слой, помещенный
обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
54. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.51, в которой каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере, первый металлический контактный слой и второй металлический контактный слой, помещенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор делящегося материала, и упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
55. Сборка ядерных вольтаических элементов по п.51, в которой каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере, первый металлический контактный слой и второй металлический контактный слой, помещенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый жидкий полупроводник содержит раствор радиоактивного изотопа, и упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
56. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов, содержащая, по меньшей мере:
сборку ядерных вольтаических элементов с высокой концентрацией делящегося материала в ней для достижения самоподдерживающейся ядерной реакции;
первый замкнутый контур, присоединенный к упомянутой сборке ядерных вольтаических элементов, через который в сборке ядерных вольтаических элементов протекает жидкий полупроводник;
второй замкнутый контур, присоединенный к упомянутой сборке ядерных вольтаических элементов, через который протекает теплоноситель; и
первый теплообменник, присоединенный к упомянутому первому замкнутому контуру, и второй теплообменник, присоединенный к упомянутому второму замкнутому контуру, при этом тепло из упомянутого жидкого полупроводника и упомянутого теплоносителя отводится при их протекании через упомянутый первый и упомянутый второй теплообменники.
57. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.56, в которой к упомянутому первому замкнутому контуру присоединен порт динамической дозаправки, при этом делящийся материал добавляется в упомянутый жидкий полупроводник по мере его протекания через упомянутый порт динамической дозаправки.
58. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.57, дополнительно содержащая очиститель, присоединенный к упомянутому первому замкнутому контуру, при этом упомянутый жидкий полупроводник протекает через упомянутый очиститель, и часть нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации удаляются из упомянутого жидкого полупроводника упомянутым очистителем.
59. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов, содержащая, по меньшей мере:
сборку ядерных вольтаических элементов;
охлаждающий контур, разделенный на две секции первым качающимся клапаном между холодными нитками на впуске в активную зону и вторым качающимся клапаном между горячими нитками на выпуске из активной зоны, через который протекает жидкий полупроводник; и
совершающий возвратно-поступательное движение поршень пневматического цилиндра, который сжимает инертный газ для выдавливания жидкого полупроводника из первого устройства
извлечения тепла с одновременным понижением давления инертного газа во втором устройстве извлечения тепла с тем, чтобы позволить упомянутому второму устройству извлечения тепла заполниться упомянутым жидким полупроводником, нагретым при прохождении через упомянутую активную зону реактора на основе ядерных вольтаических элементов, при этом тепло из упомянутого жидкого полупроводника отводится при его протекании через упомянутое первое устройство извлечения тепла и упомянутое второе устройство извлечения тепла;
при этом сочетание упомянутых первого и второго качающихся клапанов, упомянутого совершающего возвратно-поступательное движение поршня пневматического цилиндра и упомянутых первого и второго устройств извлечения тепла обеспечивает непрерывное бесперебойное охлаждение упомянутой активной зоны реактора на основе ядерных вольтаических элементов и теплоотвод от упомянутого жидкого полупроводника, выходящего из упомянутых горячих ниток.
60. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.59, в которой к одному из упомянутого первого или упомянутого второго устройств извлечения тепла присоединен порт динамической дозаправки, и делящийся материал добавляется в упомянутый жидкий полупроводник по мере его протекания через упомянутый порт динамической дозаправки.
61. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.59, дополнительно содержащая:
очиститель, присоединенный к одному из упомянутого первого или упомянутого второго устройств извлечения тепла, при этом упомянутый жидкий полупроводник протекает через упомянутый очиститель, и часть нежелательных осколков деления и продуктов нейтронной активации удаляется из упомянутого жидкого полупроводника упомянутым очистителем.
62. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.59, в которой упомянутая сборка ядерных вольтаических элементов содержит множество ядерных вольтаических элементов, причем каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере,
первый металлический контактный слой с нанесенным на него слоем ядерного материала и второй металлический контактный слой, помещенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
63. Активная зона реактора на основе ядерных вольтаических элементов по п.59, в которой упомянутая сборка ядерных вольтаических элементов содержит множество ядерных вольтаических элементов, причем каждый из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов содержит, по меньшей мере, первый металлический контактный слой с нанесенным на него слоем радиоактивного изотопа и второй металлический контактный слой, помещенный обращенным к упомянутому первому металлическому контактному слою, с введенным между ними жидким полупроводником, при этом упомянутый первый металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки, а упомянутый второй металлический контактный слой образует с упомянутым жидким полупроводником низкоомный или омический контакт.
64. Способ прямого преобразования ядерной энергии в электрическую энергию, включающий в себя этапы, на которых:
помещают жидкий полупроводник между двумя металлическими контактами, при этом упомянутый первый металлический контакт создает с упомянутым жидким проводником низкоомный или омический контакт, а упомянутый второй металлический контакт создает с упомянутым жидким полупроводником контакт с барьером Шотки;
размещают ядерный материал в непосредственной близости к упомянутому жидкому полупроводнику; и
создают электрическую цепь между упомянутым первым металлическим контактом и упомянутым вторым металлическим контактом.
65. Способ прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую энергию, включающий в себя этапы, на которых:
наносят слой ядерного делящегося материала на подложку;
наносят металлический контактный слой на упомянутый слой ядерного делящегося материала;
наносят второй металлический контактный слой на вторую подложку;
помещают жидкий полупроводник между упомянутой первой и упомянутой второй подложками так, что упомянутый жидкий полупроводник находится в соприкосновении с упомянутым первым металлическим контактным слоем и упомянутым вторым металлическим контактным слоем;
создают•контакт с барьером Шотки между упомянутым первым металлическим контактом и упомянутым жидким полупроводником;
создают омический контакт или низкоомный контакт между упомянутым вторым металлическим контактом и упомянутым жидким полупроводником;
создают электрическую цепь между упомянутым контактом с барьером Шотки и упомянутым омическим контактом; и
снимают электрическую энергию с упомянутой электрической цепи, причем упомянутая электрическая энергия вырабатывается вследствие высвобождения ядерной энергии упомянутым делящимся материалом, вызывающей создание множества электронно-дырочных пар в упомянутом жидком полупроводнике, при этом упомянутая электрическая энергия генерируется в результате протекания тока между упомянутым контактом с барьером Шотки и упомянутым низкоомным или омическим контактом.
66. Способ по п.65, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
приводят упомянутый ядерный вольтаический элемент в соприкосновении с теплоносителем и осуществляют циркуляцию упомянутого теплоносителя в замкнутой системе для отвода тепла от упомянутого ядерного вольтаического элемента.
67. Способ по п.66, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
размещают упомянутый ядерный вольтаический элемент в
замкнутой системе и прокачивают упомянутый жидкий полупроводник через упомянутый ядерный вольтаический элемент и по упомянутой замкнутой системе.
68. Способ по п.67, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
отводят тепло от упомянутого жидкого полупроводника посредством размещения устройства извлечения тепла в упомянутой замкнутой системе и прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутое устройство извлечения тепла.
69. Способ по п.68, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
удаляют нежелательные осколки деления и нежелательные продукты нейтронной активации из упомянутого жидкого полупроводника посредством размещения очистителя в упомянутой замкнутой системе и прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутый очиститель.
70. Способ прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую энергию, включающий в себя этапы, на которых:
помещают ядерный делящийся материал в растворенном виде в жидкий полупроводник;
прослаивают упомянутый жидкий полупроводник, содержащий упомянутый делящийся материал, между первым и вторым металлическим контактом;
создают контакт с барьером Шотки между упомянутым первым металлическим контактом и упомянутым жидким полупроводником;
создают низкоомный или омический контакт между упомянутым вторым металлическим контактом и упомянутым жидким полупроводником;
создают электрическую цепь между упомянутым контактом с барьером Шотки и упомянутым омическим контактом; и
снимают электрическую энергию с упомянутой электрической цепи, причем упомянутая электрическая энергия вырабатывается вследствие высвобождения ядерной энергии упомянутым делящимся материалом, вызывающей создание множества электронно-дырочных пар в упомянутом жидком полупроводнике, при этом упомянутая электрическая энергия генерируется в результате протекания тока
между упомянутым контактом с барьером Шотки и упомянутым низкоомным или омическим контактом.
71. Способ по п.70, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
приводят упомянутый ядерный вольтаический элемент в соприкосновении с теплоносителем и осуществляют циркуляцию упомянутого теплоносителя в замкнутой системе для отвода тепла от упомянутого ядерного вольтаического элемента.
72. Способ по п.70, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
размещают упомянутый ядерный вольтаический элемент в замкнутой системе и прокачивают упомянутый жидкий полупроводник через упомянутый ядерный вольтаический элемент и по упомянутой замкнутой системе. ;
73. Способ по п.72, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
отводят тепло от упомянутого жидкого полупроводника посредством размещения устройства извлечения тепла в упомянутой замкнутой системе и прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутое устройство извлечения тепла.
74. Способ по п.72, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
удаляют нежелательные осколки деления и нежелательные продукты нейтронной активации из упомянутого жидкого полупроводника посредством размещения очистителя в упомянутой замкнутой системе и прокачивания упомянутого жидкого полупроводника через упомянутый очиститель.
75. Способ по п.74, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
добавляют делящийся материал в упомянутый жидкий полупроводник для восполнения делящегося материала, израсходованного при актах деления.
76. Способ прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую энергию, включающий в себя этапы, на которых:
размещают множество ядерных вольтаических элементов в непосредственной близости друг к другу; и
соединяют упомянутое множество ядерных вольтаических элементов так, что электрическая выходная мощность упомянутых ядерных вольтаических элементов объединяется.
77. Способ прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую энергию, включающий в себя этапы, на которых:
соединяют множество ядерных вольтаических элементов так, что электрическая выходная мощность каждого из упомянутого множества ядерных вольтаических элементов объединяется;
окружают упомянутое множество ядерных вольтаических элементов биологическим защитным экраном;
окружают упомянутый биологический защитный экран корпусом;
помещают теплоноситель между упомянутым биологическим защитным экраном и упомянутым корпусом.
78. Способ по п.77, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
отводят тепло от упомянутого множества ядерных вольтаических элементов посредством прокачивания упомянутого теплоносителя через устройство извлечения тепла.
По доверенности
1/11
137408
Ядерный вольтаический элемент 5
Жидкий полупроводник
Контакт с барьером Шотки
Ядерный материал
Подложка
Ядерный материал
Контакт с барьером Шотки
Жидкий полупроводник
Омический контакт
Жидкий полупроводник
Контакт с барьером Шотки
Ядерный материал
Подложка
Ядерный материал
Контакт с барьером Шотки
Жидкий полупроводник
Омический контакт
Жидкий полупроводник
-10
-20
-30 -50
-40
.50
-30
• 20 ¦ 10 25
vwwv^35
ФИГ.1
2/11
ФИГ.2
3/11
Ядерный материал
50>
Омический контакт
Акт деления
Потерянный осколок деления
\ \ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \
Электрон высокой энергии
90 100 "У45* d> -
_ _ ___ЧБ>
Осколок деления
150

Выбитый атом-хозяин
\ \ \ \
\ \ \ \
\ \
140
170
Контакт с барьером Шотки
Жидкий полупроводник 20
ФИГ.З
4/11
Ядерный вольтаический элемент
о о
0 Жидкий полупроводник с ядерным материалом в растворе о о
Омический контакт
Жидкий полупроводник ° с ядерным материалом в растворе о о о о
Контакт с барьером Шотки
о о
Жидкий полупроводник с ядерным материалом в растворе о о о
Омический контакт
О о <=>
_ Жидкий полупроводник с ядерным материалом в растворе о о о
V\AA/Wj35
ФИГ.4
5/11
Осколок деления 140
Ядерный материал 50
Осколок деления 140
ФИГ.5
6/11
Испускание радиации
190
10 ^^sNX> ^; Омский кон^
""Чф w Ядерный
^ материал
2q_^ j-. 1 Жидкий полупроводник ^
^^\\^\^^ барьером Шот^ч^Ч^ч^ч^ч^
Фиг.6
ФИГ.7
8/11
Сборка 220
Перфорированные листовые проводники
210
Ядерный вольтаический элемент
Сердечник 200
Вид сверху
Ядерный вольтаический элемент 5
8 см
> ФИГ.8
Вид сбоку
9/11
Вольтаический ядерный реактор
230
210
ФИГ.9
10/11
Активная зона вольтаического ядерного реактора 230
Первое устройство извлечения тепла (с дозаправкой делящихся материалов, если требуется^^
Совершающий возвратно-поступательное движение поршень пневматического цилиндра, 300
Горячие нитки
Инертный газ / | 290 Инертный газ (высокое давление^. ^-"DTHbl^ \\ \ (низкое давление)
Второе устройство извлечения тепла (с очистителем от продуктов деления)
330
Качающийся клапан 340
Холодные нитки 280
Жидкий полупроводник 20
ФИГ.10
11/11
ФИГ.11
PATENT COOPERATION TREATY
PCT
INTERNATIONAL SEARCH REPORT (PCT Article 18 and Rules 43 and 44)
Applicant's or agent's file reference 35811-01-PCT
FOR FURTHER set Топя РСТЛ5ЛЯ20
ACTION " wall as. when applicable, item S below.
International Application No. PCT/US04/39028
International filing date (day/tnonih/ytar) 19 November 2004 (19.11.2004)
(Earliest) Priority Date (day/month/year) 21 November 2003 (21.11.2003)
Applicant
GLOBAL TECHNOLOGIES. INCORPORATED
This international search report has been prepared by this International Searching Authority and Is transmitted to the applicant according to Article 18. A copy is being transmitted to the International Bureau.
This international search report consists of a total of (JU sheets.
__] It is also accompanied by a copy of each prior art document cited in this report-
Basis of the Report
a. With regard to the language, the international search was carried out on the basis of: IXI the international application in the language in which it was filed.
I I a translation of the international application into _______,____________ ¦ which is the language
of a translation furnished for the purposes of international search (Rules 12.3(a) and 23.1(b)) With regard to any nucleotide and/or amino acid sequence disclosed in the international application, see Box No. I. Certain claims were found unsearchable (See Box No. 11)
Unity of Invention Is lacking (See Box No. Ill) With regard to the title,
1X1 the text is approved as submitted by the applicant.
I I the text has been established by this Authority to read as follows:
With regard to the abstract,
1X1 the text is approved as submitted by (he applicant,
1 1 the text has been established, according to Rule 38.2(b), by this Authority as it appears in Box No. IV. The applicant may, within one month from the date of mailing of this international search report, submit comments to this Authority.
With regard to the drawings,
a. the figure of the drawings to be published with the abstract is Figure No._
as suggested by the applicant.
as selected by this Authority, because the applicant failed to suggest a figure, as selected by this Authority, because this figure better characterizes the invention.
b. |__] none of the figures is to be published with the abstract.
Form PCT/1SA/210 (first sheet) (April 2005)
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No. PCT/US04/39028
Box No. II Observations wfacrc certain claims were found unsearchable (Continuation of item 2 of first sheet)
This international search report has not been esiublished in reaped uf ceruiin claims under Article 17(2)(u) Гиг Ihe following reasons:
I. ? Claims Nos.:
because they relate to subject manor not required to be searched by this Authority, namely:
2. L_ZJ Claims Nos.:
because they relate to parts of the international application that do not comply with the prescribed requirements lo such ал extent thai no meanhigflil international search can be carried out, specifically:
П Claims Nus.:
because they are dependent claims and Ore not drafted in accordance with the second and third sentences of Rule 6.4(e).
Box No. Ill Observations where unity of Invention is lacking (Continuation of Item 3 of first sheet)
This International Searching Authority found multiple inventions in this international application, as follow!;: See the Leek of Unity/ Invitation lo Pay additional Fees mailed 20 April 2006 (20.04.2006)
1. I_I As all required additional search fees were timely paid by the applicant, this international search report covers all
searchable claims.
2. I I As all searchable claims could be searched without effort justifying additional fees, this Authority did not invite payment
и Г any additional fees.
3. I I As only some ofthe required additional search fees were timely paid by the applicant, this international search report
covers only those claims for which fees were paid, specifically claims Nos.:
No required additional search fees were timely paid by the applicant. Consequently, this international search report is restricted to the invention first mentioned in the claims; it is covered by claims Nos.: 1-3 and 5-7
Remark on Protest I I The additional search fees were accompanied by the applicant's protest and, where applicable, the _ payment о f a protest fee.
I I The additional search fees were accompanied by the upplictml's protest but the applicable protest fee _ was not paid within the time limit specified in the invitation.
I I No protest accompanied tho payment of additional search fees.
Form fCr/lSA/210 (continuation of first sheet(2)) (April 2005)
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No. PCT/US04/39028
A. CLASSIFICATION OP SUBJECT MATTER IPC: G21D 7/00(2006.01)
USPC: 376/320
According 10 International Patent Classification (IPC) or to both national classification and IPC
B, FIELDS SEARCHED
Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols) U S.; Э76/Э20; 310/300.301,302,303, 304,305; 429/111, 11
Documentation searched other than minimum documentation to the extent that such documents are included in the fields searched
Electronic data base consulted during the international search (name of dam base and, where practicable, search terms used) Internet, Inventors names, Nuclear voltaic cell
DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVAN1"
Category1
Citation of document, with indication, where appropriate, о Г the relevant passages
Relevant to claim No.
У Y
Y Y Y
US 6,118,204B1 (BROWN ET AL)29May 2001 (29.05_001). Fig* 1-4, column4 lines 49K column 8 lines 1-23 and 52-56, column 10 lines 53-57, column 5 lines 10-12 Dcnninger, Schoiucy Contacts, Semiconductor physics I, WS 2001/2002 Denninger, available _ hi^:/Airww.ee_e.edu/rese_ch/_C_Re" accessed 11/14/2005
US 5,260.621 (LITTLE et al.) 9November 1993 (09.11.1993), column 6 lines 19-51
US 5,606,213 (KHERANl et al.) 25 February 1997 (25.02.1997). column 6 lines 57+
Gotflevsky et я!., Ab Initio Molecular Dynamics Simulation of Liquid CdTc and GaAs: Semiconducting versus Metallic Behavior, Department of Chemical Engineering and Materials Science, Minnesota Supercomputer Institute, University of Minnesota, 13 May 1998, page 4962, first columnn, 3rd fult paragraph
1-3.5,6 1-3,5,6
1-3,5,6 1-3,5,6 1-3.5,6
further documents are listed in the continuation of Box C, ?
See patent family annex.
• Special cttceoiici о Г cited document!;
"A" document ovinias l"e general lUIr вГ|ле -I wnieb is INI MBiidcrtd to be оГ particular relevance
"?" earlier applieenen or pilem published cm or liter die mtcmitionel fill*g 4Ms
-L" document widen mty uirew devbu on priority ehdm(i) er which It oticd lo eeubllfh the риЪПсааоя dm of another ri-lioa or osier jperiil reuon (n specified)
"O" doc-ini Riming lo HI onl disclosure, ни, exhibition or ether means
"Г documc/ii publiiked prior и the inlernntior- Ming due but kw tltu eta prioriryde'celaiaied
-Ti later docemeo.1 published едет ate inien"ii6ul niing dele er pnoruy
dote, ami not la conflict with ihe applies von aui cued u undinuad ins priDdpti or theory undertrlnf IM utvendea
"Xм deCUIMIH ef perdevler relevance; the llaimed leventioa eannel bt
Considered novel orcaimoibe considered to involve an inventive it*p when the doctBHEnl it taken alone
-Y" doeijmcnf of perPCUlsr relevance; Die claimed Invention cannot be
conaldemt lo torolvc an InvenUvc iiep when the document Is combined with one or more outer tatb document!, luck combination being obvioiu lo ¦ реме" skilled in Ihe art
"tV* dactrrnein member оГете iuu paienl family
Dale of the actual completion of the international search 25 Scpicmbcr_2006 (25.09.2Q06)_______
Date of mailing of th
uthonzed officer Daniel L. Greene Telephone No. (S7I)
шиш
larch report
Name and moiling address of the ISA/US Mail Stop PCT. Attn: ISA/uS Commissioner for Patents P.O. Box 14S0
Alexandria, Virginia 22313-1450 Facsimile No. (571) 273-3201
71)^72.6876
Form PCTYISA/2lO (second sheet) (April 2O05)
INTERNATIONAL SEARCH REPORT
International application No. PCT/US04/3902"
C. (Continuation) DOCUMENTS CONSIDERED TO BE RELEVANT
Caiogory'
Ci-tion of document, with indication, where oppropdai*, of the relevant passages
Relevant to claim No.
Y Y
Yu cl al., Molecular-dynamics sludy of surface segregation in liquid semiconductor alloys. Department of Physics, The Ohio State University, Columbus. Ohio. 16 May 1997, whole document
Price et al., Rotator Phases in Nerrow-Оер Semiconductors, Argonne National Laboratory, 12Л993, page 3, firsl paragraph under Fig. I
Kulkarni et a)., Ah initio molecular-dynamics study of the structural and transport propcrtiesof liquid germanium, Department of Physics, The Ohio State University, Columbus, Ohio, 23 September 1996, Whole document
Mauhiesen et al., Diffusion Processes in Molten Semiconductors, 3/2002, available % hnpi//zeta-lerc.nasa.gov/cxpr3/dpim3.htm, la" accessed 11/15/05, Whole document
Endcrby ct id., Liquid Semiconductors, Rep. Prog. Phys, 53 (1990) 85-179, Printed in the UK, available _ hop://ej.iop.DrrVlinb/q48/dryReZ58u8dN,T6YTA2whQ/rpv53i2p85.pdf; last accessed 11/14/05, Whole document
US 3.344,289 (KNIGHT) 19 November 1965 (19.11.1965), column 2 lines 65+. column 3 lines 1-8
1-3,5,6
1-3,5.6 1-3,5,6
1-3,5,6 1-3. 5, 6
Form PCT/ISA/210 (continuation of second sheet) (April 2005)