थर्मिओनिक कनवर्टर

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एक तापायनिक रूपांतरक में एक गर्म विद्युतद्वार होता है जो एक संभावित ऊर्जा अवरोध पर एक शीतलक विद्युतद्वार के लिए तापायनिक रूप से इलेक्ट्रॉन (अतिसूक्ष्म परमाणु) का उत्सर्जन करता है, जो एक उपयोगी विद्युत शक्ति प्रक्षेपण का उत्पादन करता है। सीज़ियम वाष्प का उपयोग विद्युतद्वार कार्य कार्यों को अनुकूलित करने और इलेक्ट्रॉन आवरक आवेश को निष्प्रभावित करने के लिए आयन आपूर्ति (प्लाविक में सतह आयनीकरण या इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण द्वारा) प्रदान करने के लिए किया जाता है।

परिभाषा

एक भौतिक इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण से, ऊष्मीय ऊर्जा रूपांतरण ऊष्मीय इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन द्वारा ताप से विद्युत शक्ति का प्रत्यक्ष उत्पादन है। ऊष्मागतिक दृष्टिकोण से,[1] यह विद्युत-उत्पादक चक्र में कार्यशील द्रव के रूप में इलेक्ट्रॉन वाष्प का उपयोग है। एक तापायनिक रूपांतरक में एक गर्म उत्सर्जक विद्युतद्वार होता है जिसमें से इलेक्ट्रॉनों को तापायनिक उत्सर्जन और एक शीतल संकलनकर्ता विद्युतद्वार द्वारा वाष्पीकृत किया जाता है जिसमें वे अंतर-विद्युतद्वार प्लाज्मा (भौतिकी) के माध्यम से चालन के बाद संघनित होते हैं। परिणामी धारा, सामान्यतः उत्सर्जक सतह के प्रति वर्ग सेंटीमीटर कई एम्पेयर, उत्सर्जक तापमान (1500-2000 K) के आधार पर 0.5-1 वोल्ट के विशिष्ट संभावित अंतर और 5-20% की तापीय दक्षता पर भार को विद्युत शक्ति प्रदान करती है।[2][3]


इतिहास

1957 में वी. विल्सन द्वारा व्यावहारिक चाप-विधा सीज़ियम वाष्प तापायनिक रूपांतरक के पहले प्रदर्शन के बाद, इसके कई अनुप्रयोगों को अगले दशक में प्रदर्शित किया गया, जिसमें सौर ऊर्जा, दहन, विकिरण समस्थानिक और परमाणु प्रतिघातक ताप स्रोतों के साथ इसका उपयोग शामिल है। हालांकि, सबसे गंभीरता से लिया गया आवेदन, अंतरिक्ष में विद्युत शक्ति के उत्पादन के लिए सीधे परमाणु प्रतिघातकों के कोर में थर्मोनिक परमाणु ईंधन तत्वों का एकीकरण था।[4][5] तापायनिक कन्वर्टर्स का असाधारण रूप से उच्च ऑपरेटिंग तापमान, जो अन्य अनुप्रयोगों में उनके व्यावहारिक उपयोग को कठिन बना देता है, तापायनिक रूपांतरक को स्पेस पावर एप्लिकेशन में प्रतिस्पर्धी ऊर्जा रूपांतरण तकनीकों पर निर्णायक लाभ देता है जहां उज्ज्वल गर्मी अस्वीकृति की आवश्यकता होती है। 1963-1973 की अवधि में संयुक्त राज्य अमेरिका, अमेरिका, फ्रांस और जर्मनी में पर्याप्त ऊष्मीय अंतरिक्ष प्रतिघातक विकास कार्यक्रम आयोजित किए गए थे, और अमेरिका ने 1983-1993 की अवधि में एक महत्वपूर्ण ऊष्मीय परमाणु ईंधन तत्व विकास कार्यक्रम फिर से शुरू किया।

1967 और 1988 के बीच कई सोवियत सैन्य निगरानी उपग्रहों पर विद्युत ऊर्जा आपूर्ति के रूप में विभिन्न परमाणु प्रतिघातकों (BES-5, पुखराज परमाणु प्रतिघातक) के संयोजन में तापायनिक पावर सिस्टम का उपयोग किया गया था।[6][7] अधिक जानकारी के लिए कॉसमॉस 954 देखें।

यद्यपि ऊष्मीय प्रतिघातक के उपयोग की प्राथमिकता कम हो गई क्योंकि अमेरिका और रूसी अंतरिक्ष कार्यक्रमों को कम कर दिया गया था, ऊष्मीय ऊर्जा रूपांतरण में अनुसंधान और प्रौद्योगिकी विकास जारी रहा है। हाल के वर्षों में सौर-तापित थर्मोनिक स्पेस पावर सिस्टम्स के लिए प्रौद्योगिकी विकास कार्यक्रम आयोजित किए गए थे। घरेलू ताप और विद्युत शक्ति सह-उत्पादन के लिए और शुद्ध करने वाले के लिए प्रोटोटाइप दहन-गर्म तापायनिक सिस्टम विकसित किए गए हैं।[8]


विवरण

ऊष्मीय ऊर्जा रूपांतरण के वैज्ञानिक पहलू मुख्य रूप से सतह भौतिकी और प्लाज्मा भौतिकी के क्षेत्रों से संबंधित हैं। विद्युतद्वार सतह गुण विद्युतद्वार सतहों पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन वर्तमान और विद्युत क्षमता के परिमाण को निर्धारित करते हैं, और प्लाज्मा गुण उत्सर्जक से संकलनकर्ता तक इलेक्ट्रॉन प्रवाह के परिवहन को निर्धारित करते हैं। आज तक के सभी व्यावहारिक तापायनिक कन्वर्टर्स विद्युतद्वार के बीच सीज़ियम वाष्प का उपयोग करते हैं, जो सतह और प्लाज्मा दोनों गुणों को निर्धारित करता है। सीज़ियम कार्यरत है क्योंकि यह सभी स्थिर तत्वों में सबसे आसानी से आयनित होता है।

एक तापायनिक जनरेटर एक चक्रीय ताप इंजन की तरह है और इसकी अधिकतम दक्षता कार्नोट के नियम द्वारा सीमित है। यह एक लो-वोल्टेज हाई करंट डिवाइस है जहां 1-2V से वोल्टेज पर 25-50 (A/squarecm) की करंट डेंसिटी हासिल की गई है। उच्च तापमान गैसों की ऊर्जा को आंशिक रूप से बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है यदि बॉयलर के राइजर ट्यूबों को आयनित सीज़ियम वाष्प से भरे इंटरस्पेस के साथ थर्मोनिक जनरेटर के कैथोड और एनोड प्रदान किया जाता है।

प्राथमिक ब्याज की सतह संपत्ति कार्य कार्य है, जो बाधा है जो सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को सीमित करती है और अनिवार्य रूप से सतह से इलेक्ट्रॉनों के वाष्पीकरण की गर्मी है। कार्य समारोह मुख्य रूप से विद्युतद्वार सतहों पर सोखने वाले सीज़ियम परमाणुओं की एक परत द्वारा निर्धारित किया जाता है।[9] इंटरविद्युतद्वार प्लाज्मा के गुण तापायनिक रूपांतरक के संचालन के तरीके से निर्धारित होते हैं।[10] प्रज्वलित (या चाप) विधा में प्लाज्मा को गर्म प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों (~ 3300 के) द्वारा आंतरिक रूप से आयनीकरण के माध्यम से बनाए रखा जाता है; अज्ञात विधा में प्लाज्मा को ठंडे प्लाज्मा में बाहरी रूप से उत्पादित सकारात्मक आयनों के इंजेक्शन के माध्यम से बनाए रखा जाता है; हाइब्रिड विधा में प्लाज्मा को गर्म-प्लाज्मा इंटरविद्युतद्वार क्षेत्र से आयनों द्वारा ठंडे-प्लाज्मा इंटरविद्युतद्वार क्षेत्र में स्थानांतरित किया जाता है।

हाल का काम

ऊपर उद्धृत सभी अनुप्रयोगों में नियोजित तकनीक है जिसमें मूल भौतिक समझ और तापायनिक रूपांतरक का प्रदर्शन अनिवार्य रूप से वही था जो 1970 से पहले हासिल किया गया था। 1973 से 1983 की अवधि के दौरान, हालांकि, उन्नत निम्न-तापमान तापायनिक रूपांतरक तकनीक पर महत्वपूर्ण शोध जीवाश्म-ईंधन वाले औद्योगिक और वाणिज्यिक बिजली उत्पादन के लिए अमेरिका में आयोजित किया गया था, और संभावित अंतरिक्ष प्रतिघातक और नौसेना प्रतिघातक अनुप्रयोगों के लिए 1995 तक जारी रहा। उस शोध से पता चला है कि रूपांतरक के प्रदर्शन में पर्याप्त सुधार अब कम ऑपरेटिंग तापमान पर सीज़ियम वाष्प में ऑक्सीजन के अतिरिक्त प्राप्त किया जा सकता है,[11] विद्युतद्वार सतहों पर इलेक्ट्रॉन प्रतिबिंब के दमन से,[12] और हाइब्रिड विधा ऑपरेशन द्वारा। इसी तरह, उन्नत तापायनिक रूपांतरक प्रदर्शन को नियोजित करने वाली प्रणालियों के डिजाइन अध्ययन के साथ-साथ रूस में ऑक्सीजन युक्त विद्युतद्वार के उपयोग के माध्यम से सुधार का प्रदर्शन किया गया है।[13] हाल के अध्ययन[14] ने दिखाया है कि तापायनिक कन्वर्टर्स में उत्साहित सीएस-परमाणु सीएस-राइडबर्ग पदार्थ के क्लस्टर बनाते हैं जो 1.5 ईवी से 1.0 - 0.7 ईवी तक संकलनकर्ता उत्सर्जक कार्य समारोह की कमी उत्पन्न करते हैं। रिडबर्ग मामला की दीर्घजीवी प्रकृति के कारण यह लो वर्क फंक्शन लंबे समय तक कम रहता है जो अनिवार्य रूप से लो-टेम्परेचर कन्वर्टर की दक्षता को बढ़ाता है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Rasor, N. S. (1983). "Thermionic Energy Converter". In Chang, Sheldon S. L. (ed.). इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग की बुनियादी बातों की पुस्तिका. Vol. II. New York: Wiley. p. 668. ISBN 0-471-86213-4.
  2. ↑ Hatsopoulos, G. N.; Gyftopoulos, E. P. (1974). थर्मिओनिक ऊर्जा रूपांतरण. Vol. I. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 0-262-08059-1.
  3. ↑ Baksht, F. G.; G. A. Dyvzhev; A. M. Martsinovskiy; B. Y. Moyzhes; G. Y. Dikus; E. B. Sonin; V. G. Yuryev (1973). "थर्मिओनिक कन्वर्टर्स और निम्न-तापमान प्लाज्मा": 490. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  4. ↑ Mills, Joseph C.; Dahlberg, Richard C. (January 10, 1991). "Thermionic Systems for DOD Missions". AIP Conference Proceedings. 217 (3): 1088–92. Bibcode:1991AIPC..217.1088M. doi:10.1063/1.40069. Archived from the original on July 10, 2012.
  5. ↑ Gryaznov, G. M.; E. E. Zhabotinskii; A. V. Zrodnikov; Yu. V. Nikolaev; N. N. Ponomarev-Stepnoi; V. Ya. Pupko; V. I. Serbin; V. A. Usov (June 1989). "Thermoemission reactor-converters for nuclear power units in outer space". Soviet Atomic Energy. Plenus Pub. Co. 66 (6): 374–377. doi:10.1007/BF01123508. ISSN 1573-8205. S2CID 95666931.
  6. ↑ Bulletin of the Atomic Scientists. July 1993. pp. 12–.
  7. ↑ Proceedings of a Symposium Advanced Compact Reactor Systems: National Academy of Sciences, Washington, D.C., November 15-17, 1982. National Academies. 1983. pp. 65–. NAP:15535.
  8. ↑ van Kemenade, E.; Veltkamp, W. B. (August 7, 1994). "Design of a Thermionic Converter for a Domestic Heating System" (PDF). Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. II.
  9. ↑ Rasor, Ned S.; Charles Warner (September 1964). "धातु की सतहों पर अवशोषित क्षार फिल्मों के लिए उत्सर्जन प्रक्रियाओं का सहसंबंध". Journal of Applied Physics. The American Institute of Physics. 35 (9): 2589. Bibcode:1964JAP....35.2589R. doi:10.1063/1.1713806. ISSN 0021-8979.
  10. ↑ Rasor, Ned S. (December 1991). "थर्मिओनिक ऊर्जा रूपांतरण प्लाज़्मा". IEEE Transactions on Plasma Science. 19 (6): 1191–1208. Bibcode:1991ITPS...19.1191R. doi:10.1109/27.125041.
  11. ↑ J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, "HET IV Final Report", Volumes 1 & 2, Rasor Associates Report #NSR-71/95/0842, (Nov. 1995); performed for Westinghouse Bettis Laboratory under Contract # 73-864733; 344 pages. Also available in total as C.B. Geller, C.S. Murray, D.R. Riley, J-L. Desplat, L.K. Hansen, G.L. Hatch, J.B. McVey and N.S. Rasor, "High-Efficiency Thermionics (HET-IV) and Converter Advancement (CAP) programs. Final Reports", DOE DE96010173; 386 pages (1996).
  12. ↑ N.S. Rasor, "The Important Effect of Electron Reflection on Thermionic Converter Performance", Proc. 33rd Intersoc. Energy Conv. Engr. Conf., Colorado Springs, CO, Aug., 1998, paper 98-211.
  13. ↑ Yarygin, Valery I.; Viktor N. Sidelnikov; Vitaliy S. Mironov. "Energy Conversion Options For NASA's Space Nuclear Power Systems Initiative – Underestimated Capability of Thermionics". Proceedings of the 2nd International Energy Conversion Engineering Conference.
  14. ↑ Svensson, Robert; Leif Holmlid (May 15, 1992). "Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydberg matter of cesium". Surface Science. 269–270: 695–699. Bibcode:1992SurSc.269..695S. doi:10.1016/0039-6028(92)91335-9. ISSN 0039-6028.
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