[发明专利]一种利用核衰变能量直接生产电能的装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用自然化学、物理和生物的方法，尤其涉及一种利用核衰变能量直接生产电能的装置。

背景技术

几乎所有可实现转化为电能的化学、物理和生物反应转换器均发明于十八和十九世纪；二十世纪，人们开始考虑将核能和太阳能转化为电能。此后，发明方法的效率得到了极大的提高，然而，仍无任何核电厂或太阳能转换器能提供预期的高效率，而效率系数始终维持在20％左右。

世界各地均在使用通过铀核的放射性衰变获得电能的已知方法和装置。该方法包括将铀置于、用于放射性衰变连锁反应的人造环境的反应堆中。该连锁反应后会释放大量热量，可用于使水受热形成蒸汽。该蒸汽可使发电机的涡轮旋转。理论上，通过该过程产生蒸汽，可使该方法的有效性提高30％。世界上第一座核电厂就是根据这一原则建立起来的。效率低是由于能量转化是一个多阶段过程，包括人为制造用于放射性衰变链式反应的环境、吸热以产生蒸汽以及利用热能使发电机旋转。此外，根据世界惯例，该方法的主要缺点是存在爆炸危险以及造成反应堆周围区域的放射性污染。

理解了利用热能将核能转化为电能时效率低的原因，世界各地的科学家们一直设想利用核衰变进行直接能量转化。通过核技术开发可获得自然和人造的半衰期放射性同位素，便于很好地观察。因此，该半衰期同位素推动了β电压转换器的发展。同样，由于基于光伏技术，因而转化效果不佳；当然也存在相同缺点，主要原因是β辐射的离子化能力较弱。

现分析利用众所周知的太阳能硅转换器(平面太阳能电池板)将太阳能转化为电能的方法。将太阳能电池板的每项设计为半导体二极管(即P-N结)。此时，P和N结配备有集电器，半导体板之间的势垒是电荷相互干扰及复合的结果。

太阳能硅转换器运行原理如下：光束落在并通过半导体N板(或P)到达两个半导体的连接点，半导体是导电本征硅薄膜(I)，厚度为5。光束落在该薄层后，光量子释放自由电荷，从而电荷通过N和P(P和N)区域并在外部电路中产生直接电流。

应注意到，该太阳能硅转换器的使用与太阳能光子能量转化为电荷能量这一多阶段过程有关，仅在该过程中，可利用两个半导体晶片的电压差，强制电荷单向移动。是否每个落在光电转换器上的光量子均可转化为电子，该问题尚未解决，实践表明，任何类型的能量转化均不可能无损失，其原因在于太阳能转换器难以获得高效率系数。

众所周知，利用太阳能光电转换器获得电能的已知方法和装置存在缺点，所接收的能量完全取决于光线条件、季节、位置(纬度)和与太阳的距离，这是自然规律，不可改变。

从半导体无膜燃料电池设计的观点来看，可继续考虑利用光电转换器从太阳获得电能的方法。易理解到，光电转换器的效率不比半导体燃料电池高或低，其中N和P板用作电极，其间(两个半导体的连接面积)可填充电解质，包含自由电荷。人们在该空间内导入光束会出现这个现象。光量子到达本征半导体的I区域并将其电离(类似用电解液填充)。此时，人们可利用太阳能转化中获得的人造电解质，但事实证明了如上所述将太阳能转化成电能存在的缺点。

在现有技术中，专利申请号201510021013.1公开了一种成本低、操作安全、同位素放射转换效率高的热核电池，包括至少一个热核电池单元，所述热核电池单元以含有β射线源的物质作为发射极，以该发射极为中心从近至远对称设置：硅晶片、合金片、永磁片、电容板。本发明提供的热核电池中采用特有结构的硅晶片，增大与放射性同位素衰变放出的载能粒子的接触面积，提高转换效率；同时采用涂覆有特殊镀层的硅晶片和合金片，利用其磁热特性，提高热能的利用效率，整合硅晶片的热释电能力，从而提高输出的电能；经实验证实，以氚为放射源的本发明的热核电池，采用160×87×23mm规格，放电电压达到3.7-4.2V，接入手机电流达到850-1000mA，12年衰降50％，放电时长持续使用至少达6年，核同位素的转换效率达到25-30％。该热核电池存在转换效率低。