Sr-90放射性同位素热光伏系统初步设计研究

【摘要】：放射性同位素热光伏系统主要由放射性同位素热源、辐射器、半导体光伏元件和散热部件组成。系统利用放射性同位素加热辐射器，将热能转换为不同波长的光子，利用光子与半导体换能元件的光电效应而产生电能，是一种能量密度与转换效率高，受环境影响小的分布式先进供能装置。 目前的放射性同位素热源主要使用238Pu供能，但238Pu的生产，制备成本高，经济性差。90Sr是235U的裂变产物之一，大量的90Sr可以从核燃料后处理厂的铀和钚高放废液中分离得到。此外，采用90Sr燃料不同于使用238Pu会产生氦气导致热源内压问题，也不同于238Pu具有极毒性，90Sr产生的污染物治理也相对容易。我国238Pu生产技术不成熟，生产成本较高，采用放射性同位素90Sr作为系统燃料具有较大现实和经济意义。 本文简述了放射性同位素热光伏系统的换能原理以及90Sr燃料特点，基于其原理以及燃料特点，探讨了提供1000W热功率，使用GaSb光伏换能元件的90Sr放射性同位素热光伏系统的设计问题，主要研究内容如下： (1)分析了一种表面微结构辐射器光谱发射性能的影响因素；讨论了其材料的选择后，并以辐射器单个微腔为研究对象，探讨了微腔的宽度，壁厚以及高度对辐射器发射性能的影响，并利用时域有限差分方法对讨论结果进行了计算与验证，根据分析结果，发现使用钨材料时，表面微结构微腔的宽度，壁厚以及高度分别为0.8μm、0.1μm以及1.8μm时，辐射器的发射率曲线与GaSb光伏换能元件量子效率匹配程度较好的辐射器结构。 (2)探讨了90Sr放射性同位素热源的燃料化合物形式，选用铀与钨材料对具有1000W热功率的90Sr燃料产生的轫致辐射进行了屏蔽，并结合文中所获得结构的辐射器发射率对热源进行了传热结构研究，最后，联合实例中的GaSb半导体光伏元件的光电转换效率，最终发现当热源的绝热材料厚度为5cm，工作面积为70cm2时，系统将获得最大的电功率输出。 以上结果可以为表面微结构辐射器以及采用90Sr燃料放射性同位素热光伏系统的进一步研发提供方法和理论参考。 【关键词】：90Sr 热光伏 表面微结构辐射器 热源
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM613
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 第1章 引言8-14
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 放射性同位素供电系统的发展9-13
• 1.3 本文的研究内容13-14
• 第2章 放射性同位素热光伏系统换能原理14-19
• 2.1 放射性同位素热源基本原理及衰变类型选择14-15
• 2.2 辐射器发光机理15-16
• 2.3 光伏换能元件的换能过程16-17
• 2.4 本章小结17-19
• 第3章 表面微结构辐射器发射性能影响因素分析及结构设计19-35
• 3.1 表面微结构辐射器与材料选择19-21
• 3.2 表面微结构辐射器结构因素分析21-24
• 3.3 数值计算24-30
• 3.4 计算结果及分析30-32
• 3.5 辐射器结构设计及发射率计算32-35
• 第4章 ~90Sr 放射性同位素热源的设计研究35-58
• 4.1 热源的放射性同位素燃料35-39
• 4.2 放射性同位素热源的屏蔽设计39-45
• 4.3 放射性同位素热源的传热结构研究45-52
• 4.4 实例联合52-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第5章 总结58-61
• 5.1 表面微结构辐射器58
• 5.2 ~90Sr 放射性同位素热源58-59
• 5.3 工作中的不足与展望59-61
• 参考文献61-66
• 研究生期间学术论文发表情况66-67
• 致谢67

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