ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
Под редакцией д-ра физ.-мат. наук А. Р. Р е г е л я
ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
МОСКВА АТОМИЗДАТ 1976
То же наблюдается и в отношении к. п. д. Поскольку qvl —
плотность теплового потока
П =	_____________ (5.36)
4vl 2[(1 +Л1)7’г + (1 М)*[z — &Т[2}	v '\
Уменьшение электрической мощности и к. п. д. в два раза;
по сравнению с термоэлементами с внешними источникам^
тепла — не единственный недостаток рассматриваемых термоэле+
ментов. Как уже отмечалось, максимальная температура у дан-t
ных термоэлементов имеет место не на горячем спае, а смещена
несколько в сторону холодного спая. Этот факт может привестй
к уменьшению располагаемого температурного перепада на
термоэлементе, а следовательно, к дополнительному уменьше-
нию электрической мощности и к. п. д.; правда, последнее на-
всегда имеет место. Поскольку часто наиболее слабым звеном
в температурном отношении является сам горячий спай (припой
и т. д.), а не термоэлектрический материал, то такое повышение
температуры не приведет к снижению указанных выше парамет-
ров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Черкасский А. X. «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1967, № 3, с. 45_
2.	Михеев М. А. Основы теплопередачи. Изд. 3, перераб. М.—Л., Госэнерго-
издат, 1956.
3.	Шорин С. Н. Теплопередача. М., «Высшая школа», 1964.
4.	Патенты США, кл. 62—3 № 3256696—3256702, РЖЭЭ, 1967 г., 8А88—8А94П.
Глава 6
КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
6.1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ И БАТАРЕИ
ТЭГ по принципу действия представляет собой тепловую ма-
шину, в которой рабочим телом является электронный газ полу-
проводника, преобразующий тепловую энергию в электрическую.
Как во всякой тепловой машине, к. п. д. ТЭГ в первую очередь
зависит от к. п. д. цикла Карно (Тт—Тх)/Тт, поэтому конструк-
ция должна иметь минимальные тепловые потери при передаче
тепла к полупроводниковому материалу и при съеме тепла с
него. Основными узлами ТЭГ являются источники тепла, термо-
батарея с коммутационными и изоляционными слоями, устрой-
ство для съема тепла (холодильник) и несущая конструкция,
обеспечивающая необходимую прочность всей машины и надеж-
ность ее работы.
ТЭГ классифицируют по источникам тепла, назначению, ра-
бочим температурам, типу геометрии и конструкции термобата-
рей. Все классификации имеют как положительные, так и отри-
цательные стороны, и ни одна из них не дает достаточно четкого
деления ТЭГ по типам, так как большинство принципов кон-
струирования сохраняется у ТЭГ самых разных мощностей,
назначений и конструкций.
Эти принципы можно свести к основным. Термобатарея
должна быть компактной, аккумулировать по возможности боль-
шую часть подведенного к ней тепла, обладать необходимой ме-
ханической прочностью и химической стойкостью в условиях
большого градиента температур в течение длительного времени,
от 1000 ч до года и более. Иногда конструкция должна выдер-
живать вибрацию, удары и перегрузку. Учитывая, что подавляю-
щее большинство ТЭГ даже при малых мощностях вырабатывает
электрический ток в десятки и сотни ампер, в конструкциях
необходимо предусмотреть условия передачи электрического то-
ка к нагрузке без существенных потерь. Несмотря на все мно-
гообразие конкретных конструкций и значительное число требо-
241
ваний к ним, можно условно разделить все известные ТЭГ по
основным конструктивным схемам на панельные, радиальные,
шаровые и короткозамкнутые.
Панельные ТЭГ (рис. 6.1, а) представляют собой плоскую тер-
мобатарею прямоугольной или квадратной формы, набранную
из последовательно или параллельно соединенных полупро-
водниковых термоэлементов. В этой конструктивной схеме мо-
Рис. 6.11. Схемы ТЭГ:
гут использоваться различ-
ные источники тепла. При
использовании солнечной
энергии не нужна электро-
изоляция. Плоскую термо-
батарею можно нагревать
теплоносителем — жидким
металлом или насыщенным
паром. В этом случае теп-
лоноситель прокачивается в
плоских теплопроводах, что
вызывает дополнительные
конструктивные проблемы:
создание системы циркуля-
ции с наименьшими элект-
рическими затратами 1в
большинстве случаев это
принудительная циркуля-
ция), выбор материала теп-
лопровода с возможно ма-
лым тепловым сопротивле-
нием, обеспечение надежно-
го теплового контакта теп-
лопровода с электрической
изоляцией и последней с
термобатареей. При этом
<а — панельный; б — радиальный; в — шаровой; Существенную рОЛЬ ИГравТ
г - короткозамкнутый	механическая ПРОЧНОСТЬ СИ-
стемы, обеспечение кото-
рой зависит от согласования коэффициентов линейного расшире-
ния слоев или конструктивных термических развязок. В качестве
источников тепла панельных термобатарей могут применяться
радиоизотопы, хотя возникают проблемы выбора материала
оболочек и его контакта с изоляцией (аналогично теплопроводу)
и создания конструкции, обеспечивающей минимальные тепловые
потери от теплопровода в окружающее пространство. Газовый
нагрев панельных термобатарей, как правило, не применяется,
так как невелик коэффициент теплопередачи от источника тепла
к тепловоспринимающей поверхности.
Охлаждение панельных термобатарей возможно двумя спо-
собами— хладагентом и оребрением. Теплоноситель также.на-
242
ходится в теплопроводе, и его эффективное применение требует
решения тех же вопросов, что и для горячего теплоносителя.
Охлаждающим теплоносителем могут быть вода и жидкий ме- >
талл. Есть более эффективные хладагенты. Так, использование
фреона-113 дало увеличение к. п. д. всего устройства на 31%
в результате улучшения эффективности цикла Карно [1]. Ореб-
рение используется и в наземных условиях, когда невозможна
затрата энергии на циркуляцию охлаждающего теплоноси-
теля.
Положительная особенность панельных ТЭГ — почти идеаль-
ное использование поверхности нагрева при плотном ее заполне-
нии термоэлементами. Даже в случае разнесенных термоэлемен-
тов (дак будет показано далее) коэффициент е не снижается.
Панельная термобатарея очень удобна в изготовлении, техноло-
гия ее сборки проста и поддается, как правило, механизации.
Наиболее удобна эта схема при создании ТЭГ большой мощ-
ности, так как она позволяет создать компоновку большого чис-
ла панельных термобатарей (особенно при нагреве теплоносите-
лем) с минимальными тепловыми и электрическими потерями
всего устройства.
К недостаткам панельной схемы надо отнести недостаточно-
высокие коэффициенты теплопередачи от источника тепла к
термобатарее и от последней к холодильнику; трудность со-
здания надежного ' теплового контакта между материалами
теплопроводов и изоляцией, особенно если площадь нагрева
термобатареи велика и значительно число слоев материалов,
отличающихся друг от друга по своим термическим, электриче-
ским, механическим и прочим свойствам.
Вопрос надежности длительной работы такой конструкции
очень сложен. При этом надо учитывать и химическое взаимо-
действие материалов, особенно полупроводника с конструкцион-
ными материалами. Однако в конкретных конструкциях ТЭГ
эти трудности или разрешают, или обходят с помощью различ-
ных конструкторских и технологических приемов. Панельная
схема, учитывая ее многочисленные положительные стороны,—
одна из основных в термоэлектрогенераторостроении.
Радиальная конструкция (см. рис. 6.1,6) представляет собой
в основе трубчатый теплообменник, стенками которого является
термобатарея. Внутри теплообменника находится источник теп-
ла: радиоизотопы, теплоносители, горячие газы или твэлы атом-
ных реакторов.
К оболочке радиоизотопа крепятся через изоляцию кольце-
вые, если оболочка цилиндрическая, или плоские, если она имеет
вид многогранника, термоэлементы. В этом случае при конст-
руировании ТЭГ возникают те же трудности, что и для панель-
ной схемы. Еслй в качестве источника тепла применять теплоно-
ситель в виде жидкого металла или насыщенного пара, то имеем
дело с классическим теплообменным аппаратом. При этом также
могут быть применены кольцевые или плоские термоэлементы.
^Циркуляция теплоносителя в этих ТЭГ в большинстве случаев
принудительная, что неизбежно приводит к потерям на прокачку,
но зато увеличивается коэффициент теплоотдачи от теплоноси-
теля к термобатарее и повышается эффективность использования
тепловой энергии.
Радиальная схема единственно приемлема при использовании
газового нагрева — горячих газов от горелок различного типа
или газовых отходов процессов в тепловых машинах, в двигате-
лях внутреннего сгорания, реактивных двигателях и т. п. Основ-
ная задача при этом — создание конструкции, наиболее эффек-
тивно использующей тепло уходящих газов. При нагреве от га-
зовых горелок наиболее рационально помещение многогранной
беспламенной горелки внутри теплообменника. Использование
твэлов в радиальной конструкции аналогично применению радио-
изотопов, только в этом случае можно изготавливать теплооб-
менники значительной длины и тем самым создавать ТЭГ боль-
шой мощности.
Тепло от термобатарей в радиальной схеме отводится или
излучением с помощью ребер охлаждения, или теплоносителем,
причем первый способ более рационален в случае использования
плоских, а второй — в случае кольцевых термоэлементов.
Положительная особенность радиальной схемы — высокие
коэффициенты теплопередачи от источника тепла к термобата-
рее и от нее к охлаждающему теплоносителю. При этом наибо-
лее эффективно используется поверхность излучающих ребер.
Другое, не менее важное преимущество — компактность ТЭГ при
удобстве изготовления и сборки.
К недостаткам схемы следует отнести неполное использова-
ние тепла в случае газового нагрева и, в меньшей степени, на-
грева изотопами и трудность создания при использовании этих
источников тепла ТЭГ большой мощности. Так же, как и в слу-
чае панельной конструкции, трудно обеспечить необходимую
механическую и термическую прочность. Особенно это сложно
при использовании кольцевых термоэлементов. Решение этих
задач в каждом конкретном ТЭГ выглядит по-разному и будет
конкретно рассмотрено ниже. Радиальная конструкция, учи-
тывая ее важные положительные стороны, является в настоя-
щее время основной для ТЭГ малой и средней (до 1 кет)
мощностей.
Шаровая схема названа так условно, потому что под ней по-
нимается конструкция, в которой термобатарея со всех сторон
окружает источник тепла (см. рис. 6.1,в). Форма поверхности
нагрева может быть многогранной. Термоэлементы в этой кон-
струкции могут быть только плоские, соответственно располо-
женные и контактирующие с поверхностью нагрева. Источник
тепла — радиоактивный изотоп. Охлаждение — с помощью тепло-
носителя или излучением с поверхности ребер, которые в этом
244
случае должны быть игольчатого типа. Преимущество — полное
использование выделенного источником тепла. Недостатки сле-
дующие: большая трудность изготовления и сборки термобата-
рей для этой конструкции, невозможность создать на этом прин-
ципе ТЭГ большой мощности и ограниченность применения
различных источников тепла. Все это приводит к тому, что ша-
ровая схема очень редко используется.
Короткозамкнутая конструкция ТЭГ применяется для полу-
чения токов большой силы (сотни и тысячи ампер) при.малом
напряжении [2]. Такие генераторы необходимы для питания, на-
пример, электромагнитных насосов. Источник тепла расположен
между термоэлементами п- и р-тппов, как правило, большой
площади, равной даже площади панельной термобатареи
(см. рис. 6.1,а). К ветвям термоэлементов крепятся холодиль-
ники. Таким образом, в этой конструкции направление теплового
потока совпадает с направлением электрического тока. Электри-
ческая изоляция и коммутация отсутствуют, что повышает тер-
модинамический к. п. д. генератора. Крепящие детали в этом
случае являются проводниками тока и тепла (отсюда и назва-
ние— короткозамкнутые). Их сечения по отношению к сечению
полупроводника (с учетом их удельных электрических сопротив-
лений) подбирают так, чтобы потери тока по замыкающему кон-
туру не превышали 5—10%.
Источниками .тепла в короткозамкнутой схеме могут быть
теплоносители, радиоактивные изотопы и твэлы атомного реак-
тора. Надежные тепловой и электрический контакты полупровод-
ника с материалом теплопровода или оболочки осуществляются
хорошим прижимом, пайкой или сваркой через соответствующие
прослойки.
Так же, как и в случае панельной термобатареи, в этой схе-
ме-необходимо снять механические и термические напряжения,
особенно в местах контакта. Короткозамкнутый ТЭГ можно
охлаждать только теплоносителем, циркулирующим в теплопро-
воде.
Преимущества короткозамкнутой конструкции — увеличение
к. п. д. Карно вследствие отсутствия изоляционных и коммута-
ционных слоев, широкий выбор источников тепла и простота из-
готовления и сборки термобатарей и всей конструкции в целом.
Недостаток — неизбежные электрические и тепловые потери по
замкнутому контуру. Применяются короткозамкнутые ТЭГ ред-
ко, в основном в лабораторных и проектных работах. В пер-
спективе они могут использоваться в генераторах большой
мощности (сотни и тысячи киловатт) для получения высоких
напряжений.
Плоские модули и батареи. Первый и простейший термомо-
дуль— обыкновенная термопара, составленная из двух разно-
родных металлов. Несмотря на крайне низкий к. п. д. металли-
ческой* термопары, этот модуль используется в ТЭГ малой мощ-
245.
ности, в которых необходимо получить возможно большее на-
пряжение при малом токе и стоимость которого играет основную
роль при выборе конструктивной и технологической схем
устройства. Известно, что металлы и технология создания метал-
лических термопар значительно дешевле полупроводниковых
термоэлектрических материалов и технологии создания термо-
элементов. И, наконец, в перспективе могут быть созданы эф-
фективные термоэлектрические материалы в виде проволок и,
следовательно, модули такого типа.
Рис. 6.2. Термомодуль металл — полупро- Рис. 6.3. Жесткий полу-
водник	проводниковый термо-
модуль
На следующем этапе развития термомодулей был создан
комбинированный термоэлемент, одна ветвь которого — метал-
лическая проволока, а другая — полупроводниковый материал,
.изготовленный в виде брикета. Например, пара ZnSb — констан-
тан (рис. 6.2), в которой положительная ветвь изготовлена в
виде параллелепипеда из ZnSb, а отрицательная — из запрессо-
ванной в него константановой проволоки. Преимущества этого
модуля — удачная развязка механических и термических напря-
жений за счет свободно размещенной константановой проволо-
ки, отсутствие коммутационных слоев, простота изготовления
и возможность широкой механизации при одновременном изго-
товлении термобатарей. Важный положительный фактор рабо-
ты этого модуля заключается в том, что контакт, а следова-
тельно, и механическое, и химическое согласование с материала-
ми конструкции осуществляются только с одним типом матери-
ала (здесь ZnSb). Это значительно облегчает создание конструк-
ции ТЭГ, работающего длительное время.
Недостатки — сравнительно низкая добротность, так как до-
бротность металлической ветви много ниже полупроводниковой^
и неполное использование подведенного к термоэлементу пере-
пада температур. Из схемы видно, что рабочая часть модуля
246
заключена между местами запрессовки константана в ZnSb, а
участки полупроводникового брикета от поверхностей нагрева
и охлаждения до мест запрессовки термодинамически паразит-
ны. Однако, несмотря на отмеченные недостатки, такие модули
широко применялись в первых серийно изготавливаемых в
СССР керосиновых ТЭГ типа ТГК, причем отмеченные поло-
жительные особенности термоэлемента позволили получить
экономичность всего устройства, не превзойденную до сего вре-
мени ни одним из действующих типов ТЭГ.
Наибольший возможный к. п. д. может быть получен в тер-
момодуле, обе~в£твд. которого представляют собой полупровод-
ники р- и «-типов. Наиболее распространен’ модуль, который
'можно условно назвать жестким (рис. 6.3) [3, 4]. Он представ-
ляет собой параллелепипед, составленный из двух разнородных
полупроводниковых брикетов, разделенных изоляционной, про-
кладкой. Полупроводниковые брикеты соединены по горячей
стороне коммутационной шиной. На холодной стороне комму-
тационные шины прикреплены к каждому брикету отдельно и
служат для соединения с соседними термоэлементами. Такой
модуль можно изготовлять несколькими технологическими спо-
собами. Наиболее простой способ — раздельное прессование
полупроводниковых брикетов р- и «-типов с последующим
-соединением пайкой (низкотемпературных материалов) или
диффузионной сваркой (средне- и высокотемпературных мате-
риалов). Поскольку трудно подобрать припои для соединения
термоэлектрических материалов с коммутационными, то к полу-
проводниковым брикетам припрессовываются различные пере-
ходные (или коммутационные) слои. Часто эти слои обеспечи-
вают плавный переход коэффициентов расширения от полупро-
водника к коммутации.
Другой способ состоит в одновременном прессовании термо-
тиодуля, включая полупроводниковые брикеты, изоляционную
прослойку между ними, переходные слои и коммутационные
шины. Прессование обычно проводится в два приема: холодное
брикетирование и последующее горячее прессование. Термо-
модули соединяются между собой по холодной стороне обычно
пайкой. Этот способ чаще применяется при изготовлении низко-
температурных термобатарей.
Термомодули,_изготовленные обоими.щиособамщ, включают
в себя и электрическую изоляцию, которая, как правило, выпол-
яяется~Т виде тёплопровбдящих пластин из А12О3 или ВеО и
прикрепляется с одной стороны к термоэлементу, а с другой —
к горячей или холодной стенке конструкции пайкой или диффу-
зионной сваркой через переходные слои, обеспечивающие
надежный тепловой, механический и химический контакт и Плав-
ный переход коэффициентов линейного расширения. Учитывая
их большое различие (в 2—3 раза) у полупроводника и изоля-
тора, изолят’ора и металла конструкции, количество переходных
247
слоев может быть достаточно велико, что приводит к снижению
термодинамического к. п. д. ТЭГ. Поскольку такой модуль яв-
ляется монолитной конструкцией от источника тепла до холо-
дильника, то он и был назван жестким, в отличие от конструк-
ции модуля, в котором переход от полупроводника к холодиль-
нику и нагревателю осуществляется прижимом.
Наиболее характерный пример такого прижимного модуля
изображен на рис. 6.4. Этот модуль состоит из значительного
числа деталей. Коммутационная пластина горячего спая выпол-
Qr
а
Рис. 6.4. Прижимной тер-
момодуль:
a — общий вид; б — схема;
1 — термостолбик р-типа;
2 — соединительная пружи-
на; 3 — термостолбик л-ти-
па; 4 — горячая коммутаци-
онная пластина
йена в виде чашечки, в которую вставляется полупроводниковая
ветвь термоэлемента п- или p-типа. Полупроводник с коммута-
ционной пластиной соединен при помощи переходных слоев.
"На холодной стороне полупроводник вставлен в коммутацион-
ную пластину в виде чашечки, которая через специальный пере-
ход соединяется с пружинно-оплеточным устройством. Оно
представляет собой пружину из толстой проволоки, внутри кото-
рой проходит гибкая тепло- и токопроводящая оплетка, позво-
ляющая вместе с пружиной эффективно передавать тепло от
полупроводника к холодильнику. Это устройство — основа дан-
ного типа термомодуля, так как надежно прижимает все эле-
менты и тем самым обеспечивает электрический и тепловой
контакты между слоями и компенсирует механические и терми-
ческие напряжения, возникающие в конструкции.
Полупроводниковые ветви в таком модуле могут быть
прессованными или литыми, причем его конструкция не допус-
кает плотного расположения полупроводников. Это вызывает
необходимость концентрировать подводимую тепловую энергию
248
в местах контакта полупроводника и неизбежные тепловые по-
тери в конструкции ТЭГ. Термодинамический к. п. д. также
уменьшается вследствие паразитного перепада температур
в пружинно-оплеточном устройстве. Однако эти недостатки
компенсируются надежностью длительной работы прижимного
термомодуля, и его принцип широко применяется в различ-
ных ТЭГ.
Конструкции отдельных элементов такого модуля даны на
рис. 6.5. Как видно, термомодуль состоит из горячей, шины,
Рис. 6.5. Термомодуль газового ТЭГ:
1— горячая коммутация; 2 — термостолбик; 3 — холодная коммутация; 4—пру-
жина; 5 — прижимной винт; 6 — изоляция
полупроводника, холодной шины с токоотводом в виде полу-
шарнира, входящего в нее подпятника и прижимной пружины.
Прижим производится через -изоляционную прокладку жесткой
пластиной. Термоэлементы такого типа были использованы и
в первых ТЭГ серии SNAP.
Конструкция термомодуля на рис. 6.6 была разработана
с учетом предохранения термоэлемента от замыкания па обо-
лочку и от разрушения в результате термических расширений.
Тепло от горячей оболочки через электроизоляцию из нитрида
бора передается горячему спаю термоэлемента из железа.
К горячему спаю крепятся ветви термоэлемента, которые на
холодном конце закрыты железными наконечниками, медными
шайбами и прокладками. Надежный контакт осуществляется
с помощью расположенной между стопорной пластиной и ста-
каном пружины, изолированной от теплоотвода втулками. На-
правляющей пружины служит коническая теплопроводящая
втулка, укрепленная в муфте, которая навинчена на алюминие-
вую оболочку. Все устройство через изоляционное кольцо за-
крывается запорной пробкой.
В более поздних модификациях SNAP плоские термомодули
выполнялись с коммутацией без прижима и имели вид, приве-
денный на рис. 6.7. В термобатареях SNAP-7A и -7С были
применены термоэлементы (см. рис. 6.7, а), состоящие из РЬТе
п- и p-типов, соединенные горячим спаем и изолированные
слюдяными гильзами. К термоэлементам припаяны холодные
249
Рис. 6.6. Термоэлемент SNAP-1A (а) и схема термомодуля (б):
1 — внешняя алюминиевая оболочка; 2 — изоляционное кольцо; 3— стопорная пластина?
4 — запорная пробка; 5 — стакан пружины; 6 — изолирующая втулка; 7 — медная теп-
лопроводящая прокладка; 8—медный электропроводящий язычок; 9 — железный холод-
ный спай; 10 — пробка из Min-K 1307; И — элемент РЬТе; 12 — электроизоляция горя-
чего спая (нитрид бора); 13 — внутренняя оболочка (нержавеющая сталь); 14 — желез-
ный горячий спай; 15— слюдяная втулка; 16 — коническая теплопроводящая втулка?
17 — коническая теплопроводящая муфта
Рис. 6.7. Термоэлемент термоэлектрогенераторов SNAP-7A и -7С (а\
и SNAP-7B и -7D (б):
1 — холодные наконечники; 2 — /г-элемент; 3 — слюдяные гильзы; 4 — р-э'лемент;
5 — горячий спай
наконечники. Каждый модуль собирался из пяти термоэлемен-
тов, и на одну из плоских поверхностей устанавливалось по три
модуля. Термоэлемент для SNAP-7B и -7D (см. рис. 6.7,6)
аналогичен элементам генератора SNAP-7A, только он короче
и имеет большее сечение ветвей для преобразования большего
количества тепла.
Интересна конструкция
термомодуля для изотопного
ТЭГ, изготовленного в 1961 г.
для питания морского сейсмо-
графа в США (рис. 6.8). От
источника тепла через элект-
роизоляцию и горячую комму-
тацию тепловой поток прохо-
дит к горячему спаю термоэле-
мента. Термоэлемент пред-
ставляет собой коаксиальные
цилиндры: центральный — р-
РЬТе и внешний я-РЬТе, раз-
деленные керамическими изо-
ляторами. Через железные за-
щитные пластины тепло про-
ходит к элементам п- и p-ти-
пов, расположенным в цоко-
ле модуля. Электрические вы-
воды осуществлены с помо-
щью коммутатора, отделенно-
;го от полупроводника зазором.
Утверждение авторов о более
надежной коммутации, ком-
пактном размещении и, как
следствие этого, уменьшении
веса термобатареи вряд ли
обосновано, так как в дан-
ной конструкции термомодуля
значительный вес материала
полупроводника приходится на
наружное пространство между
Рис. 6.8. Термоэлемент генератора с
изотопом 137Cs:
/ — тепловой источник; 2 — электроизоля-
цня; 3 — керамические изоляторы; 4 — же-
лезные защитные пластины; 5 — печатный
коммутатор; 6 — холодный спай; 7 — эле-
мент p-типа в медном цоколе; 8— кон-
тактные точки цепи; 9 — элемент и-типа
в медном цоколе; 10 н И — элемент п- н
р-РЬТе соответственно; 12 — горячий спай
на железе армко
горячим спаем и горячей ком-
мутацией и холодным спаем и холодной коммутацией.
Внутренние напряжения в термоэлементах в последних моди-
фикациях SNAP уменьшаются введением в коммутационные
слои и контакт с теплопроводом прокладок из пластичных
металлов (рис. 6.9). Со стороны горячего спая применены три
прокладки из золота и одна диафрагма из вольфрама между
теплопроводом из жаропрочного сплава хастеллой и изолято-
ром из окиси бериллия. На холодном спае использована про-
кладка из отожженной меди. В таком термомодуле высокая
термостойкость сочетается с незначительными тепловыми поте-
251
рями, приводящими к перепаду температур между источником
тепла и горячим спаем термоэлемента порядка 15°.
На основе описанных плоских термомодулей собираются тер-
мобатареи, также имеющие особенности и принципиальные
Л-Л
Рис. 6.9. Термоэлемент нэ
сплава Si—Ge:
1 — прокладка из меди толщи-
ной 0,61 мм; 2 — радиатор из
алюминия толщиной 1,58 мм;
3 — электрод из меди 0,61 мм
с никелевым покрытием; 4 —
пластина из вольфрама 1,02 мм;
5 — ветви термоэлемента: б —
пластина из вольфрама 1,02 мм
с цементированным слоем; 7 —
горячая шина из золота 0,76 мм;
8 — изолятор из металлизиро-
ванной пластинки окиси берил-
лия 0,71 мм; 9—прокладка из
золота 0,76 мм с никелевым
покрытием; 10— пластина из
вольфрама 0,51 мм; 11 — тепло-
провод из золота; 12 — трубо-
провод из жаропрочного спла-
ва хастеллой с теплоносителем
конструктивные отличия. Основными требованиями при сборке
термобатарей являются их высокая механическая прочность,
обеспечение равномерности температур
Рис. 6.10. Панельная тер-
мобатарея:
/—труба с теплоносителем;
2 — коммутационные пласти-
ны; 3 — изоляция; 4— тер-
моэлектрический материал
ных термоэлементов.
или тепловых потоков по горячему и хо-
лодному спаям и, наконец, минимальные
тепловые и электрические потери в теп-
левой и электрической схемах термоба-
тарей. Одной из распространенных яв-
ляется панельная термобатарея (рис.
6.10), состоящая из плотно расположен-
ных отдельно изготовленных ветвей р- и
«-типов, разделенных изоляционными
прослойками и коммутированная одно-
временной пайкой или диффузионным
сращиванием. От теплоносителя такая
термобатарея также отделена электро-
изоляцией. Недостатком ее является
большая внутренняя Напряженность, ко-
торая требует специальных внешних кон-
структивных оформлений, позволяющих
сохранить ее механическую и электриче-
скую целостность.
В других конструкциях исполь-
зуются термобатареи из разнесен-
Так, в ТЭГ SNAP-10A термоэлектри-
ческий преобразователь (рис. 6.11) состоит из 120 модулей
(по 3 последовательно соединенных модуля на каждую из
40 трубок с теплоносителем), включающих 2880 термоэлемен-
252
тов, изготовленных из сплавов Ge—Si п- и p-типов. Таким обра-
зом, каждый модуль имеет по 6 последовательно соединенных
термоэлементов и вырабатывает мощность 4—5 вт. Термоэле-
мент представляет собой цилиндрические столбики р- и п-Типов^
Рис. 6.11. Термо-
модуль
SNAP-1OA:
J — термоэлемент
Ge—Si;	2 — излуча-
тель;	3 — горячая
коммутация; 4 — изо-
ляция; 5 — труба с
Na — К-теплоносите-
лем
располагающиеся вдоль трубки с теплоносителем. Столбики
электрически изолированы от трубок тонкими дисками из окиси
алюминия и алюминиевыми шинами, образующими излучатель
на холодной стоооне. Каждая алюминиевая пластина излуча-
Рис. 6.12. Тер-
момодуль
SNAP-8:
1 — холодная ком-
мутация; 2— тру-
ба с Na — К-теп-
лоиосителем; 3 —
изоляция
теля изолирована от соседних зазором. Коэффициент излучения
этих пластин ~0,9. Такая схема обеспечивает среднюю темпе-
ратуру горячего спая термоэлемента •—500° С, среднюю темпе-
ратуру холодного спая 315° С и к. п. д. преобразования 1,43%.
Последовательно-параллельное соединение термомодулей исклю-
чает возможность выхода из строя всей системы при разрушении
одного элемента. Увеличение температуры горячего спая
до 705° С позволило получить мощность 1,2 вт с одного термо-
элемента.
Термобатарея SNAP-8 состоит из отдельных модулей, внеш-
ний вид которых показан на рис. 6.12. Он принципиально мало
отличается от модуля SNAP-10A, хотя в нем ветви термоэле-
253
мента р- и «-типов изготовлены из сплава Ge—Si в виде полу-
цилиндров и объединены в один термоэлемент. Такое располо-
жение приводит к меньшим электрическим потерям, чем
в SNAP-10A. Технология приготовления этого термомодуля так-
же была значительно усовершенствована, что привело к умень-
шению числа слоев материалов в термостолбике до 10 по
сравнению с 16 в SNAP-10A.
Рис. 6.13. Герметичная плоская термобатарея:
3— теплопровод; 2 — теплоконтактная изоляция; 3 — ветвн термоэлементов; 4— герме-
тичный корпус; 5 — шины; 6 — сильфон; 7 — электроизоляционная плнта
При нагреве и охлаждении термобатарей теплоносителями
удобно использовать герметичную термобатарею (рис. 6.13),
в которой обеспечивается защита от внешней среды. В такой
батарее компенсация термических напряжений осуществляется
сильфонами, а электроизоляция имеет малое термическое сопро-
тивление.
Одна из модификаций плоского термомодуля жесткого
типа — модуль из пленочных термоэлементов, которые изготав-
ливаются в виде панелей напылением полупроводникового
материала р- и «-типов на изоляционную подложку из
стекла [5]. Такие модули соединяются между собой по типу
печатных схем радиоустройств. Они используются, как правило,
при малых перепадах между горячим и холодным спаями
(~100°) и различаются высоким внутренним сопротивлением,
т. е. позволяют получать электроэнергию высокого напряжения
при малой силе тока.
Принципиально отличаются от перечисленных кольцевые
термомодули, внешний вид которых изображен на рис. 6.14 [6].
Модуль представляет собой трубчатый теплообменник, внутри
которого находится источник тепла, а снаружи — холодильник.
Полупроводниковые р- и «-ветви выполняются в виде полуколец
или полных колец, изготавливаемых, как правило, одновремен-
254
Рис. 6.14. Кольцевые тер-
моэлементы
Рис. 6.16. Атомная тер-
моэлектрическая бата-
рея:
1 — стальной корпус; 2 —
ветвь p-типа из делящейся
топливной композиции UCh;
3— диски электрической изо-
ляции; 4 — оболочка из
алюминия; 5 — ветвь п-типа
из молибдена в форме чаши
со штырем; 6 — пружина
Рис. 6.15. Трубчатая термоэлектри-
ческая батарея:
1 _ токоотводы; 2 — газовая камера; 3—
поршень системы подлавливания тепло-
контактной прослойки; 4 — наружный кор-
пус- 5 _ пластичная или жидкая тепло-
контактная прослойка; б —уплотнение то-
коотводов; 7 — межэлементная изоляция;
8 — кольцевые ветви термоэлементов; У —
геплоконтактная электрическая изоляция;
Ю — труба с теплоносителем
255
ным прессованием. Ветви термоэлемента и модулей друг с дру-
гом соединяются пайкой или диффузионной сваркой. Электро-
изоляция выполняется в виде керамических трубок или напыле-
нием непроводящих слоев. Существенный недостаток такого
модуля — большие механические и термические напряжения.
Компенсация их при больших градиентах температуры пока не
решена, и поэтому такой модуль используется при небольших
разностях температур (в термохолодильниках и тепловых полу-
проводниковых насосах).
Однако конструкция имеет и преимущества, такие, как удоб-
ство компоновки ТЭГ, особенно с теплоносителями, компакт-
ность и наиболее полное использование подведенного тепла.
Типичная конструкция такой термобатареи дана на рис. 6.15.
В ней надежные тепловой и омический контакты обеспечиваются
заполнением кольцевого зазора пластичным материалом или
жидкостью, находящейся под давлением инертного газа.
Другим конструктивным и принципиальным решением [7]
отличается кольцевая термобатарея, изображенная на рис. 6.16.
Здесь термоэлементами p-типа служит тепловыделяющий мате-
риал из двуокиси урана, обогащенного до 1,19% 235U. Элемен-
тами «-типа является молибден, выполненный в виде чашки
с направляющим стержнем. На этой батарее получен перепад
температур до 1000° и э. д. с. 1,2 в.
Особенно эффективно кольцевые конструкции термобатарей
могут использоваться совместно с тепловыми трубами, которые,
как известно, являются эффективными передатчиками тепла на
относительно большие расстояния. В таких ТЭГ, как реакторные
или радиоизотопные, это позволяет вынести термобатарею из
зоны интенсивного облучения, значительно увеличить надеж-
ность конструкции и улучшить ее эксплуатационные качества.
Типичная компоновка кольцевой термобатареи с тепловой тру-
бой приведена на рис. 6.17. Изготовленный для такой схемы
кольцевой термомодуль испытывался в течение 14 500 ч [8].
Термомодуль в этих испытаниях был расположен в зоне кон-
денсации натриевой тепловой трубы, а для сброса тепла в нем
использовался радиатор. На рис. 6.18 приведены временные
зависимости мощности Р, э. д. с. Е и электрического сопротив-
ления Дви термомодуля. Конечное уменьшение мощности от 112
до 91,2 вт, т. е. на 18,6%, показывает достаточную работоспо-
собность конструкции в целом. Указанное падение мощности
можно объяснить изменением свойств термоэлектрического
материала, контактных тепловых сопротивлений и частичной
закупоркой капиллярной системы тепловой трубы.
Возможно применение кольцевых термомодулей с тепловыми
трубами и в солнечных ТЭГ. Созданная для этой цели термо-
батарея показана на рис. 6.19 [6]. Эта батарея может работать
в интервале температур от 20°С на холодном спае до 300° С
на горячем спае. Ее энергетические характеристики приведены
256
на рис. 6.20, где показаны экспериментальные зависимости мощ-
ности Кд и к. п. д. т) батареи от температуры тепловой трубы Т
и мощности №2 от расхода охлаждающей воды G при ее темпе-
ратуре 20° С. На этом же графике указаны потери мощности Ря
на прокачку охлаждающей воды.
Рис.. 6.17. Радиоизотоп-
ный ТЭГ с тепловой
' трубой:
1 — ребра радиатора; 2 —
тепловая труба; «3 —радио-
активное топливо i0Sr; 4 —
тепловая изоляция; 5 — аб-
ляционная оболочка; 6 —
радиационная защита; 7 —
термоэлектрический преоб-
разователь
О 2 4 6 . 8 10 12 14 16
Время испытаний,103ч
Рис, 6.18. Временные характеристики коль-
цевого термомодуля с тепловой трубой
Рис. 6.19. Кольцевой термомодуль с теп-
ловой трубой для солнечного ТЭГ:
1 — штуцеры внутреннего теплопровода; 2 — ру-
башка охлаждения; 3 — отверстие для подачи
охлаждающей воды; 4 — электровыводы
Как уже указывалось в предыдущих главах; увеличение
к. п. д. и мощности термопреобразователя часто достигается
созданием каскадной схемы термоэлемента. Одна из типичных
конструкций каскадной термобатареи приведена на рис. 6.21 [10].
Она состоит из двух термобатарей: среднетемпературной из тел-
лурида свинца и высокотемпературной из сплава Ge—Si, отде-
ленных друг от друга изоляцией. Исследования такой термо-
батареи, состоящей из 18 высокотемпературных и 32 средне-
температурных термоэлементов, показали, что при общем
перепаде температур от 1004 до 204° С ее полная мощность
составляла 38,4 вт при к. п. д. 10,8% и весе 0,47 кГ. Ресурсные
испытания в течение 5 лет привели к снижению ее к. п. д. до 9%.
Недостаток такой схемы — большие термические сопротивления
9 Зак. 610	257
между каскадами, поэтому часто используют другие модифика-
ции каскадных термобатарей. В одной из них содержится
непосредственный электрический и тепловой контакт материа-
лов через прослойки, в другой [11] этот контакт осуществляется
тепловой трубой. В пос-
Рис. 6.20. Зависимости характеристик
термомодуля с тепловой трубой для
солнечного ТЭГ
леднем случае при пере-
паде температур от 1000
до 254° С полезная мощ-
ность термобатареи со-
ставила 41,7 вт при теп-
ловой мощности 1680 вт.
Уменьшение почти вдвое,,
по сравнению с расчетом,
выходной мощности в
этом случае было вызва-
но электрическим замора-
живанием большой части:
ТЭГ.
Известен каскадный
термоэлемент, где в ка-
честве низкотемператур-
ных материалов использо-
ваны халькогениды сурь-
мы и висмута, а в каче-
стве среднетемператур-
ных — теллурид свинца
для n-типа и теллурид германия для p-типа. Термоэлемент ра-
ботал в интервале температур 50—550° С, и при этом был по-
лучен к. п. д. 11%. Каскадный термоэлемент из этих же мате-
Рис. 6.2’1. Герметичный кас-
кадный термомодуль с элект-
рической изоляцией между со-
ставляющими его батареями
из Ge—Si и РЬТе:
1— герметичный корпус; 2— горя-
чая шина; 3 — ветви термоэлемен-
та из сплава Ge—Si; 4 — холодный*
спай; 5 — коммутационные прослой-
ки; 6— пружина; 7 — изолятор; 8 —
стержень, создающий давление в
контактах термоэлементов; 9 — сто-
порное кольцо; W — распорная де-
таль; II— холодная плита; 12—
припой; /<3 —шина; /4 — контур*
хладагента; 15 — токоотвод
риалов, но работающий в интервале 50—700° С, позволил по-
высить к. п. д. до 13,5% {12]. На основе сплавов Ge—Si р- и п-
типов при температурах 30—1150° С был получен к. п. д. 7%.
[13], в работе [12] — даже 8,5% в интервале 150—1100° С.
Эти немногочисленные результаты показывают большую перс-
пективность каскадных термобатарей. Но практическое созда-
258	•
ние промышленных ТЭГ на их основе требует решения многих
проблем: выбора прослойки между материалами каскадов,
препятствующей взаимодиффузии полупроводников, не дающей
заметных переходных тепловых и электрических сопротивлений
и сглаживающей разные значения коэф-
фициентов линейного расширения; созда-
ния каскадных термоэлементов малой
суммарной высоты при допустимой доле
коммутационных сопротивлений; выбо-
ра материалов тепло- и электроизоляции
между каскадами (в схеме каскадирова-
ния отдельными термоэлементами), от-
вечающих тем же требованиям, что и
материал прослойки. Успешное решение
этих вопросов при удачной компоновке
каскадного термомодуля в генераторе
позволит создать высокоэффективные
ТЭГ.
В том случае, когда ТЭГ должен вы-
рабатывать большой ток при низком
напряжении (например, для питания
электромагнитных насосов), успешно ис-
пользуются короткозамкнутые ТЭГ [14—
16], конструктивная схема термобатареи
которых дана на рис. 6.22 [14]. Эти тер-
мобатареи обладают меньшими терми-
ческими потерями, более просты в изго-
товлении и надежны в работе. Изобра-
женные на схеме ветви термоэлемента
могут быть выполнены в виде монолитно-
го материала, но чаще применяются в
виде параллельно включенных неболь-
шого размера элементов.
Рис. 6.22. Принципиаль-
ная схема ТЭГ без
электрической изоляции:
/ — токосъемник; 2 — контур
хладагента; 3, 4 — ветви тер-
моэлемента п- и р-типов
соответственно; 5 — греющий
контур
6.2.	РЕАКТОРНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Атомная энергетика в настоящее время вступила в такую
фазу своего развития, когда большое значение приобретают пути
повышения эффективности и экономичности энергетических уста-
новок. До настоящего времени в атомных установках использо-
валась в основном многоступенчатая схема преобразования
тепловой энергии деления атома в электрическую с помощью
турбин и машинных генераторов тока. Однако эта схема не
обеспечивает высокого к. п. д. агрегата из-за ограничения макси-
мальной рабочей температуры цикла и наличия тепловых потерь.
Надежная длительная работа таких агрегатов снижается вслед-
ствие низких прочности и термостойкости конструкционных
материалов турбин. Установки, непосредственно преобразующие
9»	259
тепловую энергию деления в электрическую, лишены большин-
ства из этих недостатков и в перспективе позволяют получить
более высокие к. п. д. и удельную мощность при больших эф-
фективности, надежности и компактности [17—19].
Одна из особенностей этой системы — радиоактивность топ-
лива, представляющая потенциальную опасность для человека.
И если для стационарных АЭС большой мощности эта проблема
относительно успешно решена, то для передвижных (транспорт-
ных) АЭС, включая и космические, она достаточно сложна и
требует решений [20].
Понятно, что только некоторые ТЭГ экономичны при боль-
шой мощности, поэтому создано очень мало действующих аппа-
ратов этого типа, а большинство работ находится в проектной
стадии. ТЭГ, использующие тепло ядерного реактора, можно
условно разделить на два принципиальных вида: встроенный
и выносной.
Встроенные ТЭГ представляют собой конструкцию, в кото-
рой термобатарея расположена непосредственно в активной
зоне реактора. Они имеют ряд существенных преимуществ:
высокую удельную мощность, высокий к. п. д. как результат
малых тепловых потерь в термобатарее, компактность уста-
новки. К основным недостаткам схемы следует отнести слож-
ность отвода тепла от термобатареи и возможную нестабиль-
ность свойств полупроводников под воздействием радиоактив-
ных излучений — вопрос, пока мало изученный.
Реакторный ТЭГ выносного типа представляет собой конст-
рукцию, в которой термобатарея расположена вне активной
зоны и преобразует тепло выходящего из реактора теплоноси-
теля. Основными преимуществами этой схемы являются практи-
ческое отсутствие влияния радиоактивного излучения на полу-
проводники, лучшая организация отвода тепла от термобатареи
и большая свобода при конструировании термобатареи. Недо-
статки— низкие значения удельных мощностей, большие габа-
риты установки и необходимость затрат энергии на циркуляцию
теплоносителя.
К реакторным ТЭГ встроенного типа относится разработан-
ная впервые в мире в СССР реакторная установка «Ромашка»
с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую
[21—26]. Источник тепловой энергии — реактор на быстрых
нейтронах. Тепло, выделяемое в активной зоне реактора в ре-
зультате деления 235U, передавалось в радиальном направлении
на отражатель, а с его боковой поверхности — на примыкающий
к нему полупроводниковый преобразователь. Расположение
реактора — вертикальное. Активная зона по высоте набиралась
из твэлов, каждый из которых был изготовлен из графитового
корпуса и пластин из дикарбида урана с обогащением 90% 235U,
загрузка — 49 кг. Радиальный отражатель собран из коакси-
ально расположенных элементов из бериллия и графита,
260
а торцевые отражатели из металлического бериллия. Для
уменьшения утечек тепла через торцы реактора была использо-
вана теплоизоляция.
Система регулирования реактора состояла из четырех стерж-
ней автоматического регулирования, расположенных в радиаль-
ном отражателе, и нижнего торцевого отражателя. Эти стержни
были изготовлены из бериллия и окиси бериллия в оболочке
из жаропрочной стали. Нужно сразу же отметить, что во время
эксплуатации установки автоматическое регулирование не ис-
пользовалось, так как «Ромашка» практически не нуждалась
в регулировании. После вывода на номинальный режим основ-
ные параметры установки с достаточной точностью поддержива-
лись на требуемом уровне за счет отрицательного температур-
ного коэффициента реактивности.
Термобатарея «Ромашка» состояла из элементов на основе
сплава Ge—Si. Термоэлемент представлял собой два столбика
р- и «-типов, соединенные на горячей стороне коммутационной
пластиной. По холодной стороне все термоэлементы коммути-
ровались в единую электрическую цепь. Термобатарея была
разделена на четыре группы элементов, каждая из которых
имела автономные силовые выводы. Это позволило исследовать
как отдельные группы термоэлементов, так и термобатарею
в целом при последовательном или параллельном соединении
групп. Внутри каждой группы термоэлементы были скоммути-
рованы последовательно в четыре параллельные группы.
Энергетические возможности встроенного ТЭГ определяются,
как показал анализ, предельными характеристиками используе-
мых в нем материалов, размерами его основных элементов и их
конструктивным оформлением. Все эти параметры связаны
между собой, что при расчете установки вызвало необходимость
решения сложной системы уравнений на ЭВМ. Особенностью
«Ромашки» является тот факт, что полезная мощность опреде-
ляется допустимой температурой отдельных элементов реактора
и термобатареи и возможностью съема тепла с помощью оребре-
ния. Решение всех вопросов, связанных с тепловым режимом
установки, потребовало выполнения ее полного! теплового рас-
чета. Эти расчеты позволили определить полезную мощность
в зависимости от теплового потока, прошедшего через термо-
батарею при различных значениях добротности.
Для отыскания оптимальных форм излучающей поверх-
ности была решена система уравнений и получена зависимость
потока снимаемого тепла от числа и веса ребер (рис. 6.23).
Одновременно были определены скорость испарения дикарбида
урана в инертной среде при температуре 2000° С (рис. 6.24)'
и зависимость его теплопроводности от температуры (рис. 6.25).
Электрическая мощность, вырабатываемая установкой, изме-
нялась в пределах 500—800 вт при температуре бериллиевого
отражателя 980—1200° С и основания излучающих ребер 550° С,
261
Рис. 6.93. Зависимость теплосъема
от числа (цифры иа кривых) и ве-
са ребер
Рис. 6.24. Зависимость скорости ис-
парения дикарбида урана от вре-
мени (разные точки — разные об-
разцы)
что обеспечивало к. п. д. реактора-преобразователя 1,5—2%.
При параллельном соединении всех термоэлементов батарея
вырабатывала ток силой 88 а. Мощность и температура с хоро-
шей точностью поддержи-
вались на заданном уровне
при саморегулировании ре-
актора.
Общая плотность потока
нейтронов на границе ак-
тивной зоны 7-Ю12 ней-
трон/ (см.2-сек).
Эксплуатации установки
предшествовал комплекс эк-
спериментальных исследо-
ваний ее материалов и уз-
лов, из которого наиболее
интересным является изуче-
ние работоспособности тер-
моэлементов в потоках нейт-
ронного и у-излучений.
Испытания проводились
при флюенсе нейтронов
3-1019 нейтрон/см2 и пока-
зали (рис. 6.26), что в те-
чение 240 ч температура го-
рячего спая, разность тем-
ператур на термоэлементе,
э. д. с. и мощность практи-
чески остаются неизменны-
ми. Также были исследова-
ны зависимость критической
загрузки от состава актив-
ной зоны, распределение
тепловыделения в активной
зоне, влияние на реактив-
ность конструктивных зазо-
ров и другие вопросы.
Энергетический пуск «Ромашки» состоялся 14 августа 1964 г.
В процессе ее испытаний измерялись температурные поля в раз-
личных элементах установки, для чего в реакторе и термобата-
рее были установлены 53 вольфрам-рениевых и 86 хромель-алю-
мелевых термопар. Энергетические характеристики измерялись
на специальном пульте, который позволял плавно менять на-
грузку от 0,1 до 10 ом. и измерять э. д. с., ток короткого замы-
кания, рабочие ток и напряжение.
Высокотемпературный реактор-преобразователь «Ромашка»
испытывался в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова
(Москва) по апрель 1966.г. в течение 15 000 ч и выработал около
262
6100 квт-ч электроэнергии. В течение этого времени была
осуществлена широкая программа испытаний режимов работы
реактора-преобразователя и комплексное исследование различ-
Рис. 6.25. Зависимость коэффициента теплопроводности ди-
карбида урана от температуры (разные точки — разные
образцы)
ных узлов установки и рабочих характеристик. Эти иссле-
дования позволили изучить теплоэнергетические и физиче-
ские характеристики системы как в стационарных, так и
в нестационарных режимах
работы (рис. 6.27). При де-
монтаже установки был
проведен анализ всех ее
элементов.
Полученные результаты
подтвердили высокую сте-
пень надежности системы и
стабильность основных ра-
бочих параметров. При ра-
боте реактора-преобразова-
теля в режиме номинальной
мощности максимальная
температура бериллиевого
отражателя составляла око-
ло 1200° С, а максимальная
температура активной зо-
ны — порядка 1800° С. В
процессе испытаний эти
Рис. 6.26. Энергетические характери-
стики преобразователя «Ромашка»:
/ — температура горячего спая; 2 — э. д. с.*
секции; 3— перепад температур на термо-*
элементах; 4 — мощность реактора, отн, ед.
температуры практически
оставались постоянными. Этот факт указывает на отсутствие
заметных изменений теплофизических свойств материалов ак-
тивной зоны реактора, радиального отражателя и полупровод-
никового преобразователя, а также на отсутствие заметных ме-
ханических повреждений элементов во время испытаний.
263

Реактор-преобразователь «Ромашка» в соответствии с наме-
ченной программой работал в следующих режимах по тепло-
отводу: тепло с холодильника-излучателя отводилось в первые
1200 ч только излучением при вакууме в испытательной камере
10"5—10~3 мм рт. ст. и в последующие 14 000 ч излучением и
естественной конвекцией гелия при давлении 0,15—1 ат.
В первые 4000 ч испытаний периодически компенсировались
изменения реактивности системы органами регулирования и под-
держивалась температура внутренней поверхности радиального
отражателя 1200° С. Затем для анализа изменений рабочих
характеристик «Ромашка» испытывалась в режиме саморегу-
лирования с компенсацией изменений реактивности после
12 000 ч. На протяжении всех испытаний реактор-преобразова-
тель работал в режиме постоянной нагрузки. Некоторые замеры
параметров производились в импульсном режиме включения
нагрузки после работы на режиме э. д. с. В течение около 500 ч
были проведены нестационарные испытания установки.
При указанных температурах в режиме сброса непреобразо-
ванного тепла с холодильника излучением реактор-преобразо-
ватель обеспечил в начале ресурса мощность 485 вт (эл.) при
постоянной оптимальной внешней нагрузке и 550 вт (эл.) в им-
пульсном режиме. К концу 1000-часовых испытаний было заме-
чено некоторое увеличение внутреннего сопротивления преобра-
зователя. В связи с этим электрическая мощность, снимаемая
с него, уменьшилась на 8%. Однако э. д. с. оставалась практи-
чески постоянной. К концу ресурса работы реактора-преобразо-
вателя при его номинальной мощности возрастание внутреннего
сопротивления составило около 30%, а уменьшение электриче-
ской мощности — около 25%.
Некоторые изменения тепловой и электрической мощности
при работе в режиме саморегулирования объясняются 'уменьше-
нием реактивности системы. Падение реактивности за этот
период было компенсировано системой регулирования. Измене-
ние реактивности можно объяснить главным образом уменьше-
нием геометрии активной зоны вследствие некоторой деформа-
ции твэлов и отражателя из-за температурных расширений.
Нужно сказать, что значение создания и испытания этой
установки очень велико, так как на ней впервые исследованы
многие конструкторские и технологические вопросы разработки
установок подобного рода. Но при этом нельзя не отметить, что
конструкция «Ромашки» содержала много недостатков, которые
вызвали большие тепловые потери в установке в целом и, сле-
довательно, низкий к. п. д. Добротность современных материа-
лов и технология изготовления термобатарей позволяли полу-
чить более высокие энергетические параметры ТЭГ. Но нужно
учитывать, что такая задача не ставилась при создании
«Ромашки», а главная цель ее создания — показ возможности
длительной успешной работы встроенных ТЭГ и накопление
265
опыта создания и эксплуатации их — была решена. Результаты
испытаний позволили сделать выводы, что конструкция стати-
ческой ядерно-энергетической установки «Ромашка» на основе
высокотемпературного реактора-преобразователя с кремний-
германиевыми термоэлементами обладает высокой надежностью.
Экспериментально подтверждена длительная (до 15 000 ч)
работоспособность реактора-преобразователя.
К выносным реакторным ТЭГ относилась американская
ядерная установка SNAP-10A, предназначенная для работы в
условиях космоса [27—34]. Она состояла из реактора, насоса для
(Прокачки теплоносителя, расположенного в головной части реак-
тора, и термобатареи с отражателем, имеющей вид усеченного
конуса, состыкованной с реактором и отделенной от него радиа-
ционной защитой. В установке использовался ядерный реактор
на тепловых нейтронах мощностью 35 кет (т.), где в качестве
топлива и замедлителя применялась гомогенная смесь урана
и гидрида циркония, а в качестве теплоносителя — сплав Na—К.
Активная зона состояла из 37 твэлов длиной 33 см и диамет-
ром 3 см. Загрузка активной зоны составляла 4,3 кГ 235U,
Высота реактора 40 см, диаметр 35 см, вес без защиты 135 кГ,
а с защитой 385 кГ. Четыре бериллиевых отражателя в нерабо-
чем состоянии реактора располагались в радиальных плоско-
стях и не обеспечивали условий для возникновения ядерной
реакции. Для ввода реактора в действие два отражателя с по-
мощью пружин прижимались к его корпусу, а два других раз-
ворачивались электродвигателями по заданной программе
в течение 72 ч, окружая активную зону и обеспечивая пуск реак-
тора и выход его на номинальный режим.
Тепло реактора передавалось термобатарее теплоотводящим
контуром с жидким сплавом Na — К эвтектического состава.
Жидкий металл циркулировался электромагнитным насосом
постоянного тока, который питался короткозамкнутой термо-
батареей из двух параллельно включенных элементов из
р- и л-типов. Температура горячего спая этой термобатареи
была равна температуре жидкого металла на выходе из кон-
тура, а температура холодного спая определялась оребрением
насоса. Необходимый для работы насоса постоянный ток, выра-
батываемый короткозамкнутой термобатареей, составлял 700 а; ।
вес насоса около 9,1 кГ. Необходимое для его работы количество	j
тепла достигало 700 вт. Один из вариантов такого насоса описан	1
в работе [35]. Поток теплоносителя от 1130003 проходил через I
40 трубок, смонтированных по образующим конической поверх-
ности термобатареи. Расход теплоносителя составлял 0,82 л/сек.
Помимо насоса контур теплоносителя содержал сильфонное
устройство для компенсации теплового расширения жидкого
металла.
Основным несущим элементом конструкции установки яв-
лялся усеченный конус из гофрированного титана с внутренними
266
укрепляющими кольцами. Общий контур теплоносителя и термо-
батарея укреплены на поверхности этой конструкции. Реактор
и защита смонтированы на верхнем кольце конуса. Защита
весила 98 кГ и состояла из тонкостенной стальной оболочки,
наполненной холодным прессованным гидридом лития, что сни-
жало нейтронный поток примерно на 4 порядка. Термобатарея
SNAP-10A состояла из 120 отдельных модулей, имела 1440 тер-
моэлементов, общий вес которых 68 кГ, а площадь излучения
5,8 м2. Внутреннее сопротивление термобатареи еоставляло
1,66—1,78 ом, напряжение 28,5 в и полезная мощность порядка
500 вт. При этом перепад температур был равен 160°, а темпе-
ратура теплоносителя на входе 520° С. В стендовых испытаниях
температура горячего спая термобатареи достигала 704° С,
а сплавы Ge—Si испытывались до температур 982° С. При рас-
четных режимах (7^ = 520° С) термомодули установки в стен-
довых испытаниях проработали более 12 000 ч.
Стендовые испытания системы показали некоторое снижение
напряжения и мощности в течение первых 50 дней, после чего
наблюдалось выравнивание характеристик (рис. 6.28).
После проведения комплекса наземных испытаний установка
SNAP-10A была в апреле 1965 г. запущена в космос ракетой
«Аджена» на орбиту со средней высотой 1300 км. В табл. 6.1
даны основные характеристики установки во время полета.
Полезная мощность несколько превышала расчетные и стен-
довые данные, что объясняется лучшим отводом тепла л более
низкой, чем расчетная, температурой горячих спаев. За время
работы полезная мощность установки несколько снизилась
вследствие увеличения внутреннего сопротивления термобата-
реи и уменьшения тепловой мощности реактора. К. п. д. всей
установки составлял 1,4%, а удельная мощность—1,3 вт/кГ
при полном весе 435,8 кГ. Эти значения, безусловно, невелики,
особенно если учесть достаточно большую разность температур
на термобатарее. По-видимому, это можно объяснить работой
термоэлементов в температурной области, где термоэлектриче-
267
Таблица 6.1
Результаты летных испытаний SNAP-10A
Параметр	Время с момента старта, ч		
	19 .	610	1026
Тепловая мощность реактора, квт	40,5	40,5	39,4
Температура Na—К, °C	549	550	546
Напряжение, в	29,6	29,8	29,9
Ток, а	19,0	18,5	17,9
Полезная мощность, вт	563	- .550	535
Внутреннее сопротивление термобата-	1,66	1,78	1,78
реи, ом			>
ский материал не обладает максимальной добротностью, а так-
же несколько неудачной конструкцией термомодуля. Значитель-
ное разнесение термостолбиков и потери в коммутационных и
изоляционных слоях привели к большим тепловым потерям, что
снизило к. п. д. и удельную мощность.
Через 43 суток работы SNAP-10A были обнаружены непо-
ладки системы, вызванные неисправностями в электрической
части спутника, несущего реактор, после чего он был приземлен
и сгорел в атмосфере.
В США разрабатывался другой высокотемпературный
реактор-преобразователь большой мощности SNAP-8 [36, 371.
Реактор имел 211 твэлов из UZrHx с 10 вес.% a5U и содержа-
нием водорода 36-10~22 атом/см3. Полная загрузка 235U дости-
гала 6,56 кГ. При этом тепловая мощность реактора составляла
600 кет. С июня 1966 г. реактор SNAP-8 работал в течение
60 суток при тепловой мощности 450 кет и температуре 700° С,
а затем при предельных проектных параметрах (600 кет
и 700°С). Реактор развивал в активной зоне плотность нейтрон-
ного потока до 2,3-1012 нейтрон!(см2-сек) и средний тепловой
поток до 1,5-105 ккал/ (м2-ч). Максимальная температура топ-
лива достигала 788° С. Тепло реактора снималось теплоносите-
лем с температурой на входе 593° С и на выходе 704° С. Расход
теплоносителя составлял 8,8 л/сек.
В SNAP-8 рассматривалось использование в качестве термо-
электрического материала РЬТе вместо применявшегося в
SNAP-10A Ge—Si. Это обусловлено более высокой доброт-
ностью РЬТе по сравнению с Ge—Si и его более высоким к. п. д.,
несмотря на почти вдвое меньшую (566° С для РЬТе и 987° С
для Ge—Si) рабочую температуру. В целом реактор-прёобразо-
ватель SNAP-8 мог вырабатывать мощность от 5 до-20 Квт (эл.)
со сроком надежной работы до 3—5 лет.
На основе SNAP-10A и SNAP-8 разрабатываются модифи-
кации для беспилотных космических аппаратов полезной мощ-
268
ностью от 1 до 10 квт [38, 39]. Основные характеристики этой
установки даны в табл. 6.2. Установка содержит двухкаскад-
Таблица 6.2
Характеристики ТЭГ с двухкаскадными термоэлементами
Параметр	Каскад Ge—Si			Каскад РЬТе		
Полезная мощность, квт	2	5	10	2	5	10
Температура иа выходе из реактора, °C	705	705	705	677	677	677
Тепловая мощность реактора, квт	85	215	430	60	150	300
Площадь излучателя, м2	9,3	23,2	46,5	9,3	23,2	46,5
Общий вес, кГ	545	940	1550	512	850	1405
Вес реактора, кГ	150	182	232	145	163	200
ную термобатарею, поэтому данные в таблице приведены раз-,
дельно для обоих каскадов при различных полезных мощностях.
На основе реактора SNAP-8 разработан проект реакторной
термоэлектрической установки для обитаемой орбитальной
станции [40—43]. Ее полезная мощность должна составлять
15,3 квт при тепловой мощности реактора 583 квт, что дает
общий к. п. д. 4,3%. Температура теплоносителя Na—К на вы-
ходе из реактора 674° С, а на горячих спаях термобатареи
607° С. Средняя температура излучателя 294° С. Обращают на
себя внимание большие тепловые потери от теплоносителя до
горячих спаев термобатареи, что является одной из причин низ-
кого к. п. д. установки. Общий вес 10 200 кГ, в том числе вес
собственно, термогенератора 615 кГ, а реактора — 832 кГ. Уста-
новка должна работать 4 года.
Установки мощностью 25 квт проектируются для питания
научной базы [44]. Компоновка такой установки дана на
рис. 6.29.
На базе SNAP-10A и SNAP-8 разрабатывается реакторная
установка «Нептун» с термоэлектрическим преобразованием
полезной мощностью 15 квт, предназначенная для работы под
водой при полностью автоматизированном управлении [45].
Срок ее работы запланирован до 5 лет с перспективой его
увеличения до 10 лет. Для повышения надежности по сравнению
с проектом SNAP-8 тепловая мощность реактора в установке
«Нептун» предполагается быть сниженной до 400 квт, а темпе-
ратура теплоносителя на выходе — до 567° С. Установка разме-
щена в прочном корпусе из титанового сплава толщиной 50 мм.
Реактор монтируется в нижней части корпуса и окружен биоло-
гической защитой. Непосредственно над реактором имеется
экран для защиты от у-излучения, который одновременно яв-
ляется тепловой изоляцией, и электропривод управляющих орга-
269
нов реактора. Над последним находится электромагнитный
насос для обеспечения циркуляции теплоносителя.
Термобатарея, расположенная в средней части установки,,
состоит из 12 000 элементов из теллуристого свинца р- и «-типов.
Теплоноситель из эвтектического сплава Na—К, нагреваемый
в реакторе до 576° С, поступает в термобатарею, обеспечивая
Рис. 6.29. Реакторная термоэлектрическая энергостанция для лунной базы:
/ — аппаратура для связи, контроля н автономного запуска; 2 — насос второго излуча-
тельного контура с теплоносителем Na — К; 3 — расширительный бачок теплоносителя;
4— излучатель насоса второго контура; 5 — термоэлектрические модули с теплонзлуча-
тельнымн пластинами; 6-—расширительный бачок первого (реакторного) контура; 7 —
насос теплоносителя первого контура; 8 — теплообменник; 9 — контур обтекателя лун-
ного посадочного модуля; 10 — реактор с круговой защитой
требуемый тепловой поток через ее элементы, а затем насосом
откачивается в активную зону. Холодные спаи термоэлементов,
охлаждаются естественной циркуляцией кипящей воды, тепло-
с которой, в свою очередь, снимается забортной водой. Система
пуска полностью автоматизирована. Выход установки на полную
мощность планируется производить за 8 ч. Рассматривался
также вариант увеличения полезной мощности до 100 квт. Уста-
новка «Нептун», безусловно, более совершенна по своим тепло-
вым и электрическим конструктивным решениям, чем ее прото-
типы.
Для электропитания глубоководной аппаратуры различного
назначения в США разрабатывается реакторный ТЭГ для ра-
боты на глубине до 5500 м [46]. Мощность реактора составит
270
2500 кет (т.). В' нем планируется использовать низкообогащенное
ядерное топливо. Тепловая энергия реактора поступит к термо-
батарее, охлаждаемой забортной водой.
По проекту термобатарея будет вырабатывать полезную
мощность около 130 квт при напряжении 40 в, которое преобра-
зователем будет повышаться до 110 в. Эта электроэнергия будет
накапливаться никель-кадмиевой аккумуляторной батареей.
Проектируемая установка, включает верхний и нижний сфери-
ческие резервуары высокого давления, соединенные между собой
трубчатым стояком, три группы термобатарей, контейнер с акку-
муляторами, преобразователи и трубопроводы для теплоноси-
теля. Нижний сферический резервуар высокого давления служит
для размещения активной зоны реактора, экрана и тепловой
изоляции. Внешний его диаметр 1,562 м. В нем имеется 4 отвер-
стия— одно для стояка и три для трубопроводов. Верхний
сферический резервуар имеет наружный диаметр 1,257 м и слу-
жит для размещения механизма привода управляющих стерж-
ней, а также является расширительным баком для компенсации
объемного расширения теплоносителя. Из верхнего резервуара
теплоноситель по трем трубопроводам подводится к группам
термобатарей. Внешние поверхности резервуара, стояка и трубо-
проводов термически изолируются от морской воды, причем
материал теплоизоляции должен успешно противостоять давле-
нию воды.
Активная зона представляет собой капсулу трубчатой конст-
рукции высотой 711,2 мм с 12 топливными блоками квадратного
сечения, каждый из которых содержит по 104 твэла. Управление
осуществляется четырьмя стержнями из карбида бора. Вся
активная зона реактора помещена в термоизоляционную обо-
лочку. В качестве ядерного топлива используется двуокись ура-
на, обогащенная до 8,7% 235U. Общий вес топлива 967 кГ,
вес 23r,U 73 кГ. В активной зоне расположено 1248 твэлов.
В качестве замедлителя, отражателя и теплоносителя ис-
пользуется обыкновенная вода, что обусловливает большой
отрицательный температурный коэффициент активной зоны,
а это обеспечивает саморегулирующий процесс поддержания
стабильной средней температуры. Среднее время цикла тепло-
носителя 50 сек. Поверхность нагрева активной зоны равна
'35,58 м2. Температура теплоносителя на выходе из реактора
в начале работы равна 343,3° С, а в конце работы 321,1°С.
Термобатарея состоит из трех групп, каждая из которых
подразделена на семь блоков. В каждый блок входит 34 комп-
лекта из пяти параллельно соединенных пар термоэлементов.
Группы и блоки соединены последовательно. Каждый блок имеет
ширину 762, длину 1575 и толщину 51 мм. Термоэлементы
/г-типа состоят из теллурида висмута на холодном конце и
сплава РЬТе—SnTe на горячем конце. Термоэлементы р-типа
состоят из пластин сплава В12Тез—Sb2Te3 на холодном конце
271
и теллурида свинца на горячем конце. Каждый элемент имеет
площадь 19,03 см2 при толщине 9,65 мм. В качестве прослойки
между пластинками термоэлементов использованы медные про-
кладки. Токонесущие элементы электрически изолированы
-окисью алюминия в виде покрытия или прокладок. Блоки термо-
элементов имеют снаружи антикоррозионное покрытие из сплава
хастеллой.
Теплоноситель проходит через группу термоэлементов по .
41 каналу диаметром 11,3 мм. На каждый конец блока термо-
элементов наварено по одному патрубку для равномерного рас-
пределения потока теплоносителя между термоэлементами. -
Температура горячего спая 285° С, а холодного 60° С. При этом
(Напряжение на термоэлементе составляет 56,7 мв при токе
около 3300 а. К. п. д. термобатареи ожидается 6%. На всех
714 последовательно соединенных термоэлементах получается
напряжение 40 в и полезная мощность 130 кет. Полученный
ток подается на 12 параллельно соединенных независимых ста-
тических преобразователей постоянного тока и регуляторы за-
рядного тока батарей. Полученный ток после повышения его
напряжения до 120 в подается на зарядку аккумуляторов.
Каждая из 12 групп аккумуляторной батареи, которая вклю-
чает 85 элементов общей емкостью 160 а-ч, заряжается по не-
зависимой цепи от отдельного преобразователя-регулятора.
Контейнер с аккумуляторной батареей расположен над верхним
резервуаром. С учетом к. п. д. преобразователей постоянного
тока (90%) и аккумуляторных батарей (85%) полезная мощ-
ность, отдаваемая от последних потребителю, составляет 100 кет.
Таким образом, общий к. п. д. этого реакторного ТЭГ состав-
ляет 5%, что, учитывая небольшую разность температур, сле-
дует считать удовлетворительным..
Представляются не совсем удачными выбор материалов кас-
кадных термоэлементов на указанный интервал температур и
-сложная конструкция единичного термоэлемента, приводящая
к неоправданным тепловым и электрическим потерям. В целом
конструкция установки оригинальна, и она может найти прак-
тическое применение, обладая достаточно высокими энергети-
ческими характеристиками.
Для питания баз и станций, размещенных в отдаленных
районах, в США начата разработка реакторного ТЭГ URIPS
[47, 48] мощностью 100 кет (эл.), который мог бы работать без
обслуживания и перезагрузки топлива 5 лет. В этой установке
предложен новый принцип управления реактором, исключаю-
щий регулирующие стержни с механическим приводом. Управ-
ление производится миграцией водорода в твэл и из твэла.
В установке используется реактор с естественной циркуляцией.
В качестве теплоносителя в проекте принят тетрафосфористый
трисульфид, стойкий к излучениям. Теплоноситель, нагретый
в реакторе, испаряется и поступает в термобатарею, где он
272
конденсируется на горячей стороне тонких вафлеобразных пла-
стинчатых термоэлементов. Холодные спаи поддерживаются при
требуемой температуре с помощью воздуходувки. Сконденсиро-
ванный теплоноситель стекает обратно в реактор. При эксплуа-
тации реакторную часть предлагается разместить в земле
с целью радиационной защиты. Кроме того, для этой цели
предусмотрен свинцовый кожух. Установка должна быть очень
подвижна, разбираться на два блока и собираться в полевых
условиях за 7 ч. Отсутствие подробных данных о ней не? позво-
ляет сказать, насколько эффективны ее конструкция и выбор
материалов.
Среди более ранних американских проектов реакторных ТЭГ
следует отметить установки мощностью 100 [49] и 1300 кет (эл.)
для подводных объектов [49, 50]. В обоих случаях термоэле-
менты представляют собой каскад из материалов, аналогичный
описанному для глубоководной установки мощностью 130 кет.
Расчетные значения к. п. д. — соответственно 6 и 10,6%. Более
высокий к. п. д. у более мощной установки обусловлен увели-
чением в ней температуры горячего спая в результате приме-
нения теплоносителя с большей температурой кипения. Известен
также проект ТЭГ мощностью 3000 кет (эл.) и сроком службы
18 месяцев [51].
6.3.	ИЗОТОПНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Изотопные ТЭГ являются в настоящее время наиболее раз-
работанными и широко используемыми установками прямого
преобразования тепловой энергии в электрическую. В связи
с этим более детально изучены основы их конструирования и они
более широко применяются [52—55]. Изотопные ТЭГ отличаются
простотой конструкции, высокой надежностью и значительным
сроком службы.. Их энергоемкость достигает уже десятков
киловатт-часов на 1 кГ веса по сравнению с 200—300 вт-ч/кГ
у аккумуляторов и 150—200 вт-ч/кГ у электрохимических гене-
раторов. При этом срок службы двух последних много меньше,
чем у изотопных ТЭГ.
При выборе конструкции этих установок необходимо исхо-
дить из радиационно-физических свойств изотопа и условий
эксплуатации, затем определить наиболее эффективную тепло-
вую схему генератора и рассчитать тепловые потоки, термобата-
рею и защиту. Определяющими факторами для выбора изотопа
являются достаточно большие удельная активность, период
полураспада, минимальное содержание примесных радиоактив-
ных изотопов, минимальный выход нейтронного и у-излучений,
возможность экономичного получения изотопа в нужных коли-
чествах.
Преимущество изотопных источников состоит в их высокой
компактности и независимости теплового потока от внешних
273
условий. Основными недостатками следует считать невысокие
удельные тепловые потоки и биологическую вредность. Первый
недостаток вызывает необходимость изготовления термоэлемен-
тов большой высоты для создания требуемого градиента тем-
ператур. При этом для уменьшения тепловых потерь желательно
размещать термобатарею на возможно большой площади источ-
ника тепла. С другой стороны, для увеличения плотности тепло-
вого потока, что, в свою очередь, приводит к уменьшению вы-
соты термоэлементов и увеличению их удельной полезной мощ-
ности, желательно организовать процесс теплопередачи так,
чтобы все тепло проходило через возможно меньшую площадь
термобатареи. Для этого свободную площадь нагрева необхо-
димо окружить надежной тепловой изоляцией. Поскольку теп-
ловые потери все же имеют место, то при выборе конструктивной
схемы необходимо искать оптимум между тепловым потоком
и тепловыми потерями.
Второй недостаток преодолевается помещением изотопа
в оболочки из механически прочных и коррозионностойких
материалов, способных сохранять герметичность десятки и сотни
лет, окружением всего устройства биологической защитой (что
приводит к значительному увеличению веса установки) и выбо-
ром изотопа с определенными свойствами. К этим свойствам
следует отнести максимальное весовое содержание изотопа в
Данном химическом соединении, высокую его плотность, высо-
кие температуру плавления, теплопроводность и механическую
лрочность, слабую растворимость в воде и совместимость с гер-
метизирующей оболочкой.
Успешное решение всех названных проблем позволяет
создать изотопные ТЭГ с приемлемыми технико-экономическими
показателями, которые могут найти применение для питания
различных устройств в море и труднодоступных, отдаленных
районах Земли, а также в космических аппаратах.
В Советском Союзе два первых изотопных ТЭГ были созданы
с использованием 210Ро и 144Се [56]. В ТЭГ с 210Ро плоская ам-
пула с изотопом помещается между горячими сторонами двух
термобатарей, холодные концы которой упираются в корпус-
излучатель. Ампула изготовлена в виде прямоугольного парал-
лелепипеда размером 60X60X13 мм. Для обеспечения проч-
ности ампулы в условиях высокого давления (200 ат), созда-
ваемого гелием, образующимся при радиоактивном распаде,
температура ее поверхности должна быть не выше 850° С.
Температура корпуса-излучателя ограничивается термостой-
костью вакуумного уплотнения резиной и не превышает 250° С.
Длина полупроводников 3 см выбрана из учета минимальных
электрических потерь в коммутации и тепловых потерь в элек-
троизоляции. Примененный сплав Ge—Si имеет в интервале
температур 300—800°С z=0,4-10~3 град~\ Основные параметры
ТЭГ установки: начальная тепловая мощность ампулы — 320 вт;
274
тепловой поток через изоляцию — 49 ат; поверхность излуча-
теля— 900 см2; число термоэлементов при напряжении на внеш-
ней нагрузке 1,86 в—18 шт.; к. п. д. ТЭГ 3,5—3,9%, а всей
установки 3—3,3%.
Выбор сплава Ge—Si обусловлен его высокой рабочей тем-
пературой (выше 1000° С), низкой упругостью паров, хорошими
прочностными свойствами, устойчивостью термоэлектрических
свойств к радиоактивному излучению, малым удельным весом.
Каждая термобатарея состоит из 8 последовательно соединен-
ных термоэлементов, укрепленных винтами между двумя метал-
лическими плитами. Горячая плита выполнена из углеродистой
стали, а холодная — из меди. Термоэлементы соединяются
между собой контактной сваркой молибденовых выводов через
никелевую фольгу. Корпус-излучатель одного из вариантов уста-
новки выполнен из дюралюминия в виде цилиндра с днищем,
снабженным фланцем для вакуумно-плотного соединения с мед-
ной крышкой корпуса. Корпус других двух вариантов выполнен
целиком из дюралюминия, что увеличило их жесткость и позво-
лило усилить прижим термобатареи к ампуле тарельчатыми,
стальными пружинами. Корпуса установок снабжены отвер-
стиями для заполнения внутреннего объема термоизоляционной
засыпкой и для удаления воздуха.
Предварительные испытания с электрическим имитатором
показали стабильность характеристик в течение 1000 ч, после
чего, установка была заряжена изотопным источником.
ТЭГ с 210Ро собирался в течение 50 мин и затем испытывался
с измерением напряжения на нагрузке 0,34 ом, температуры
горячих сторон термобатареи, температуры корпуса-излучателя
и у-фона на расстоянии 0,3 м от источника. Результаты испы-
таний приведены в табл. 6.3. Установка значительно снизила
свои характеристики, что отчасти произошло вследствие сниже-
ния тепловой мощности ампулы.
ТЭГ с 144Се «Бета-1» [56—60] — прототип источника электри-
ческой энергии для автоматических радиометеорологических
Таблица 6.3
Результаты испытаний ТЭГ с 210Ро
•	Параметр	Время работы, ч			
	48	1000	1400	2000
Тепловая мощность ампулы, вт	244	200	185	163
Э. д. с., в	2,85	2,3	2,09	1,88
Напряжение, в	1,4	1,14	1,04	0,92
Электрическая мощность, вт	5,8	3,79	3,24	2,52
К. п. д. установки, %	2,36	1,91	1,75	1,55
Температура горячих плит, °C	’ 759	633	600	545
То же при работе на нагрузку	746	542	503	440
Температура корпуса-излучателя, °C	230	202	192	163
275
•станций. Он позволил определить технические возможности
генераторов в регулируемом (по выходной мощности) и нерегу-
лируемом режимах. Конструктивно ТЭГ выполнен из теплового
и изотопного блоков, термобатареи, теплового регулятора,
устройства для обеспечения перегрузки термобатареи, корпуса
и радиационной защиты.
Рис. 6.Э0. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-1»:
1 — механизм регулирования; 2 — свинцовая пробка; 3 — биологиче-
ская защита; 4— система сброса тепла; 5 — тепловая изоляция; 6 —
изотопный блок; 7 — тепловой блок; 8 — термобатарея.
ТЭГ «Бэта-1» в разрезе представлен на рис. 6.30. Тепловой
блок предназначен для размещения в нем изотопного источника
и представляет собой вольфрамовый цилиндр диаметром 100
с боковой стенкой толщиной 20 мм и днищем толщиной 40 мм,
закрыт полусферической крышкой, которая крепится к цилиндру
накидным кольцом. Изотопный блок представляет собой двой-
ную ампулу, выполненную из нержавеющей стали в виде двух
коаксиальных цилиндров, внутри которых помещается стакан,
заполненный расплавом молибдата церия.
276
Каждый цилиндр закрывается крышкой и заваривается
аргоно-дуговой сваркой. Тепловой блок установлен на термо-
батарее, составленной из 97 термоэлементов. Термобатарея ьре-
пится в специальном корпусе и опирается на основание в виде
цилиндрической медной пробки. Для поддержания номинального
температурного режима работы термобатареи предусмотрены
органы теплового регулирования, состоящие из специальных
экранов и привода регулятора с редуктором. Постоянство теп-
лового потока через термобатареи (при снижении тепловой
мощности изотопа) обеспечивается уменьшением излучающей
поверхности теплового блока путем изменения положения
экрана. Тепловой блок, термобатарея и устройства для обеспе-
чения перегрузки термобатареи заключены в цилиндрический
корпус. Сверху корпус закрыт крышкой со свинцовым наполни-
телем. Генератор имеет радиационную защиту, выполненную
в виде рабочего и транспортного контейнеров.
Тепло от контейнера к окружающему воздуху отводится раз-
- витой оребренной поверхностью из алюминиевого сплава,
состоящей из 64 прямоугольных ребер и закрепленной на рабо-
чем контейнере при помощи стяжных болтов. В термобатарее
использовано 97 термоэлементов сечением 5X5 и высотой 20 мм
из низкотемпературных сплавов Bi2Te3—Sb3Te3 (p-тип) и
BigTes—Bi2Se3 («-тип). Коммутация осуществлена припоем, по-
зволяющим работать в области температур до 300° С. Для пре-
дохранения термоэлементов от окисления при высоких темпера-
турах горячие спаи покрыты тонким слоем специальной эмали.
ТЭГ «Бета-1» при активности изотопа 30 000 кюри имел мощ-
ность 257 вт (т.), срок службы 1 год, вес без транспортного кон-
тейнера 400 кГ, поверхность охлаждения 6,5 м2, диаметр 690 мм
И высоту 508 мм. При этих данных выработанная им мощность
составляла 5 вт (эл.) при напряжении 3,4 в и э. д. с. 6,08 в.
Температура горячего спая была 240° С, а холодного 60° С. Для
получения постоянного напряжения 26 в в установке использо-
ван преобразователь на транзисторах, а энергия накапливалась
серебряно-цинковыми аккумуляторами. К. п. д. преобразователя
составил 75%, а аккумулятора 75—80%.
Установка была применена для питания автоматической
метеорологической станции типа АРМС-Н и в течение 1963—
1964 гг. прошла успешную опытную эксплуатацию, за время
которой выработала электроэнергию 25 квт-ч (этот образец
имел в изотопном блоке 144Се активностью 17 500 кюри и тепло-
-вой мощностью 135 вт). Для снижения мощности дозы вокруг
генератора его заглубляли в землю. Работа всей системы конт-
ролировалась приборами и автоматической записью выходных
параметров. Станция включалась на рабочий режим каж-
дые 2 ч.
На рис. 6.31 приведены зависимости тепловой мощности ис-
-точника нагрева, которая плавно уменьшается за время работы,
)	277
станций. Он позволил определить технические возможности
генераторов в регулируемом (по выходной мощности) и нерегу-
лируемом режимах. Конструктивно ТЭГ выполнен из теплового
и изотопного блоков, термобатареи, теплового регулятора,
устройства для обеспечения перегрузки термобатареи, корпуса
и радиационной защиты.
Рис. 6.30. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-1»:
1 — механизм регулирования; 2 — свинцовая пробка; 3 — биологиче-
ская защита; 4 — система сброса тепла; 5 — тепловая изоляция; 6 —
изотопный блок; 7 — тепловой блок; 8 — термобатарея.
ТЭГ «Бэта-1» в разрезе представлен на рис. 6.30. Тепловой
блок предназначен для размещения в нем изотопного источника
и представляет собой вольфрамовый цилиндр диаметром 100
с боковой стенкой толщиной 20 мм и днищем толщиной 40 мм,
закрыт полусферической крышкой, которая крепится к цилиндру
накидным кольцом. Изотопный блок представляет собой двой-
ную ампулу, выполненную из нержавеющей стали в виде двух
коаксиальных цилиндров, внутри которых помещается стакан,
заполненный расплавом молибдата церия.
276
Каждый цилиндр закрывается крышкой и заваривается
аргоно-дуговой сваркой. Тепловой блок установлен на термо-
батарее, составленной из 97 термоэлементов. Термобатарея ьре-
пится в специальном корпусе и опирается на основание в виде
цилиндрической медной пробки. Для поддержания номинального
температурного режима работы термобатареи предусмотрены
органы теплового регулирования, состоящие из специальных
экранов и привода регулятора с редуктором. Постоянство теп-
лового потока через термобатареи (при снижении тепловой
мощности изотопа) обеспечивается уменьшением излучающей
поверхности теплового блока путем изменения положения
экрана. Тепловой блок, термобатарея и устройства для обеспе-
чения перегрузки термобатареи заключены в цилиндрический
корпус. Сверху корпус закрыт крышкой со свинцовым наполни-
телем. Генератор имеет радиационную защиту, выполненную
в виде рабочего и транспортного контейнеров.
Тепло от контейнера к окружающему воздуху отводится раз-
витой оребренной поверхностью из алюминиевого сплава,
состоящей из 64 прямоугольных ребер и закрепленной на рабо-
чем контейнере при помощи стяжных болтов. В термобатарее
использовано 97 термоэлементов сечением 5X5 и высотой 20 мм
из низкотемпературных сплавов Bi2Te3—Sb2Te3 (p-тип) и
Bi2Te3—Bi2Se3 (п-тип). Коммутация осуществлена припоем, по-
зволяющим работать в области температур до 300° С. Для пре-
дохранения термоэлементов от окисления при высоких темпера-
турах горячие спаи покрыты тонким слоем специальной эмали.
ТЭГ «Бета-1» при активности изотопа 30 000 кюри имел мощ-
ность 257 вт (т.), срок службы 1 год, вес без транспортного кон-
тейнера 400 кГ, поверхность охлаждения 6,5 м2, диаметр 690 мм
и высоту 508 мм. При этих данных выработанная им мощность
составляла 5 вт (эл.) при напряжении 3,4 в и э. д. с. 6,08 в.
Температура горячего спая была 240° С, а холодного 60° С. Для
получения постоянного напряжения 26 в в установке использо-
ван преобразователь на транзисторах, а энергия накапливалась
серебряно-цинковыми аккумуляторами. К. п. д. преобразователя
составил 75%, а аккумулятора 75—80%.
Установка была применена для питания автоматической
метеорологической станции типа АРМС-Н и в течение 1963—
1964 гг. прошла успешную опытную эксплуатацию, за время
которой выработала электроэнергию 25 квт-ч (этот образец
имел в изотопном блоке 144Се активностью 17 500 кюри и тепло-
вой мощностью 135 вт). Для снижения мощности дозы вокруг
генератора его заглубляли в землю. Работа всей системы конт-
ролировалась приборами и автоматической записью выходных
параметров. Станция включалась на рабочий режим каж-
дые 2 ч.
На рис. 6.31 приведены зависимости тепловой мощности ис-
точника нагрева, которая плавно уменьшается за время работы,
277
режим	режим
Время работы, ч
Рис. 6.31. Тепловая (Q) и элек-
трическая (Р) мощности ТЭГ
«Бета-1»
и выходной электрической мощности в регулируемом и нерегу-
лируемом режимах. В конце регулируемого режима мощность
составляла 5»4 вт при напряжении 3,6 в, а за 80 ч работы в не-
регулируемом режиме снизилась почти вдвое. Ввиду этого
работа установки была переведена на трехчасовой режим с бо-
лее длительным временем
между сеансами.
Более удачным следует
считать ТЭГ «Бета-2» [57—
61], . удостоенный большой
золотой медали в Лейпциге.
Источником тепла служит
90Sr. Изотопный блок рас-
положен в средней части
контейнера и находится в
тепловом контакте с пло-
ской термобатареей из низ-
котемпературных материа-
лов р- и n-типов. Хорошая
теплоизоляция обеспечивает
поступление почти всего вы-
деляемого изотопом тепла в
термобатарею. Тепло отво-
дится внешним оребрением.
Толщина биологической защиты снижает мощность у-излучения
до безопасного уровня.
Активность "Sr в этой установке составляет 19 600 кюри,
а его тепловая мощность 127 вт. ТЭГ имеет диаметр 430 мм
и высоту 500 мм при весе без транспортного контейнера 120 кГ.
Поверхность ребер излучения составляет 5 мг. ТЭГ «Бета-2»
при температуре горячего спая 260° С и холодного 50° С выраба-
тывает полезную мощность 5,3 вт при напряжении 5 в и э. д. с.
8,96 в. Срок службы оценивается в 10 лет. Установка была
поставлена в эксплуатацию на метеорологической станции
в 1964 г. и за время работы выработала 160 квт-ч, одновременно^
пройдя испытания на транспортировку автомобильным (350 км)
и железнодорожным (14 000 км) транспортом.
ТЭГ «Бета-С» [52, 58, 62] — более усовершенствованная уста-
новка этого типа. Повышение удельного энерговыделения, более
разумный выбор конструктивной схемы и точный расчет биоло-
гической защиты позволили повысить его полезную мощность
при почти одинаковых с «Бета-2» весогабаритных показателях.
Установка «Бета-С» (рис. 6.32) имеет активность "Sr 31 000 кюри
и вырабатывает мощность 10 вт (эл.) при напряжении 6 в и
сроке службы 10 лет. Расчетная энергоемкость ее составляет
850 квт-ч. Вес без транспортного контейнера достигает 140 кГ. ;
Установка комплектуется системой преобразования напряже-
ния до 26 в и блоком накопления энергии, который позволяет
278
снимать полезную мощность в импульсном режиме до 1 квт.
ТЭГ «Бета-С» предназначен для питания автоматических радио-
метеорологических станций в температурном диапазоне от +60
до —60° С и изготовляется серийно.
Рис. 6.32. Радиоизотопный ТЭГ «Бета-С»:
7 — система сброса тепла; 2— крышка; 3 — термобатарея; 4 — тепловой
блок; 5 — радиоизотопный блок; 6~ тепловая изоляция
ТЭГ «Бета-3» разработан применительно к условиям Край-
него Севера или Антарктиды [52, 62], что вызвало ряд изменений
в его конструкции по сравнению, с «Бета-С». Для обеспечения
максимального перепада температур на термобатарее и предо-
хранения ее от перегрева в транспортном режиме при повышен-
ных температурах воздуха предусмотрен сброс части тепла
помимо термобатареи. При этом осуществляется разгрузка тер-
мобатареи от механических усилий. Такая схема обеспечивает
надежную работу в рабочем режиме, отличающемся по темпе-
ратуре от условий транспортировки. Активность 90Sr достигает
40 000 кюри, ее полезная мощность равна 11 —12 вт при напря-
жении 12 в. Срок службы 10 лет и расчетная энергоемкость
279
850 квт-ч. Проведенные испытания в термобарокамере пока-
зали стабильность его работы при температурах от 0° до —70° С.
ТЭГ снабжен системой преобразования напряжения и накопле-
ния электроэнергии и циркуляционным кожухом, предназначен-
ным для размещения в нем всего устройства и обеспечения
подогрева аккумуляторных батарей сбросным теплом генера-
тора. Сейчас установка находится в опытной эксплуатации на
острове Диксон.
Изотопный ТЭГ «Ангара» [52, 62] по своей внутренней конст-
рукции мало отличается от установки «Бета-С», но теплоотвод
от его корпуса организован иначе в соответствии с условиями
его эксплуатации. Назначение этой установки — снабжение теп-
ловой и электрической энергией автоматической станции реги-
страции космических лучей. Активность изотопа 90Sr равна
40 000 кюри при мощности 250 вт (т.). «Ангара» вырабатывает
мощность 12 вт (эл.) при напряжении 13 в и сроке службы
10 лет. Расчетная энергоемкость достигает 1050 квт-ч. ТЭГ уста-
навливается в специальном боксе, заглубленном в грунт и за-
крытом сверху теплоизолирующим кожухом. Внутри кожуха
размещаются обогреваемые приборы станции космических лучей.
Подогрев осуществляется за счет отработанного тепла уста-
новки. Вес «Ангары» не превышает 120 кГ, что важно при транс-
портировке ее в труднодоступные районы. В настоящее время
эта установка проходит опытную эксплуатацию в предгорьях
Саян.
В 1963—1968 гг. в СССР создана серия изотопных ТЭГ под-
водного назначения с изотопом 137Cs [58, 59]. Выбор этого изо-
топа обусловлен наличием его промышленного производства,
большим периодом полураспада (29, 68 лет) и возможностью
использовать морскую воду в качестве биологической защиты.
Недостатками 137Cs являются наличие у-излучения и невысокое
удельное тепловыделение (0,123 вт/см3). Поскольку 70% энер-
гии радиоактивного распада заключено в кинетической энергии
у-квантов, в ТЭГ на 137Cs введен массивный тепловой блок.
Размещение этого блока внутри эффективной тепловой изоля-
ции позволило создать направленный тепловой поток в термо-
батарее и увеличить его плотность в 5—6 раз. Внешний вид
такого ТЭГ представлен на рис. 6.33. За время эксплуатации
с 1964 г. он уже выработал электроэнергию 350 квт-ч.
В связи с необходимостью создания портативных источников
энергии различного назначения основными требованиями к ним
стали минимальные габариты, вес и фон сопутствующих ней-
тронного и у-излучений. Поэтому в них был использован изо-
топ 238Ри, являющийся единственным а-радиоактивным изото-
пом с большим периодом полураспада — 86,4 года. На его ос-
нове и были созданы портативные ТЭГ типа МИГ-67 (рис. 6.34).
При их разработке необходимо было решить проблему изготов-
ления изотопного блока и микромодульной термобатареи.
280
Поскольку ограниченные размеры установки существенно
влияют. на тепловые потери через конструктивные элементы,
то при их малых размерах теплопотери через них оказы-
ваются соизмеримыми с по-
терями через тепловую изоля-
цию. В этом случае единствен-
но возможным является рас-
положение теплового блока не-
большой мощности или непо-
средственно на термобатарее,
или между двумя термобата-
реями.
Применение в качестве ис-
точника тепла изотопа 242Ст,
обладающего высоким удель-
ным тепловыделением, низкой
интенсивностью у-излучения,
возможностью получения его
в больших количествах и вы-
сокой рабочей температурой,
позволило создать на его ос-
нове ТЭГ с высокой удельной
мощностью {58, 59]. Применяя
в них каскадные термоэлемен-
ты, работающие при темпера-
турах горячего спая 575°С и
холодного 25°С, удалось полу-
чить к. п. д. термобатареи, до-
стигающий 8—10%. Разрез та-
кого ТЭГ дан на рис. 6.35.
Из созданных в СССР изо-
топных ТЭГ следует упомя-
нуть также агрегаты, установ-
ленные на двух спутниках се-
рии «Космос», запущенных на
орбиту [19]. Они аналогичны
описанным выше изотопным
ТЭГ с 210Ро.
Много изотопных ТЭГ раз-
личного назначения разрабо-
тано и создано в США. Первые
установки такого рода были
Рис. 6.33. Радиоизотопный ТЭГ
подводного назначения с 137Cs:
1 — система сброса тепла; 2 — термобата-
рея; 3 — теплопровод; 4 — тепловая изоля-
ция; 5 — изотопный блок; 6 — корпус
изготовлены С применением Рис. 6.34. Радиоизотопный ТЭГ
металлических термопар и не	МИГ-67
представляют большого прак-
тического интереса. К первым установкам на полупроводнико-
вых термобатареях следует отнести изотопный ТЭГ NAP-100,
изготовление которого было начато в 1959 г. Изотоп 242 Ст за-
281
кладывался в параллелепипедную капсулу размером ЮХЮХ
Х20 см. Расчетная температура капсулы 600°С при плотности
теплового потока 2,2 вт!см2. Для обеспечения полезной элект-
рической мощности 100 ат тепловая мощность изотопа должна
была составлять 2500 вт, что соответствует полному к. п. д.
Рис. 6.35. Радиоизотопный ТЭГ на каскадных эле-
ментах:
1 — сильфон; 2 — токовывод; 3 — тепловая изоляция; 4 — изотоп
242Сш; 5 — ампула; 6— двухкаскадиая термобатарея; 7 — теп-
лопровод; 8 — корпус
устройства 4%. Термопреобразователь состоял из 140 термоэле-
ментов с температурой горячих спаев 530° С.
Термоэлемент состоял из полупроводниковых материалов
л-типа РЬТе и p-типа GeBiTe, имеющих диаметр и длину 1,27 см.
Полупроводники через коммутационные прослойки припаяны
к железной пластине на горячем спае и медным дискам на
282
холодном спае. К медным дискам, в свою очередь, припаяна
медная оплетка для теплоотвода. Хороший термический контакт
обеспечивался пружинами. В качестве электроизоляции исполь-
зовались стекловолокно и слюдяная бумага. При ресурсных ис-
пытаниях после 335 ч установка прекратила работу из-за нару-
шения коммутации. За время работы была достигнута мощ-
ность 120 вт (эл.) при к. п. д. 5,2%, что превышает расчетные
данные.
Более усовершенствованные изотопные ТЭГ — установки для
метеорологической станции [63]. Изотопный ТЭГ и телеметри-
ческое оборудование устанавливались в группе и соединялись
электрическим кабелем с метеорологическим оборудованием и
передающей антенной. Приборы станции автоматически регист-
рировали температуру воздуха, барометрическое давление,
направление и скорость ветра и передавали эти данные на бли-
жайшую станцию с людьми каждые 3 ч. Необходимая мощность
составляла ~5вт.
Тепло, выделяющееся при распаде 17 500 кюри 90Sr
(БгТЮз) в цилиндре из хастеллоя-С, передается к термобатарее,
изготовленной из 60 термоэлементов РЬТе. Все термоэлементы
соединены на горячем спае коммутационными шинами из же-
леза, а на холодном — медными зажимами со сферическими
гнездами для фиксации цилиндрических ветвей термоэлементов.
Топливная капсула и термобатарея образуют сборку, кото-
рая монтируется в отдельном стальном стакане высотой 35 и
диаметром 17 см. В стакан включены также верхний блок био-
логической защиты из свинца и вывод электрических кабелей.
Стакан вставляется в цилиндрический блок внешней защиты,
наполненный также свинцом. Небольшой зазор между стака-
ном и внешней защитой заполнен ртутью через пробку для на-
дежного теплового контакта. Стакан во внешнем корпусе кре-
пится с помощью прокладки и болтов. Вес сборки вместе
с внешней защитой составляет примерно 90% веса всего гене-
ратора и равен 765 кГ.
17 августа 1961 г. генератор был установлен на острове
Акселя-Хейберга и успешно проработал в течение двух лет.
При мощности источника НО вт (т.) и температуре на горячем
спае 726° К и холодном спае 326° К он вырабатывал мощность
4,2 вт (эл.), что составило к. п. д. всего устройства 3,8%. Энер-
гия, выоабатываемая установкой; шла на зарядку никель-
кадмиевых аккумуляторов, необходимых для создания мощ-
ности во время передачи информации.
Оригинален разработанный в 1961 г. изотопный генератор
с 137Cs мощностью 5 вт для питания морского сейсмографа на
глубине 7000 м [63]. Вес генератора и оборудования блока пита-
ния не должен был превышать 227 кГ при внешнем диаметре
33 см-, ресурс от 3 до 5 лет. Устройство представляло собой
массивный корпус с крышкой из алюминия, снабженной проб-
283
кой. Герметизация осуществлялась двойной прокладкой. В верх-
ней части корпуса располагался блок питания, отделенный от
нагревательного отсека тепловой изоляцией. Нагревательный
отсек отделялся от верхней части фланцем, укрепленным на
фиксирующем кольце через двойную прокладку и снабженным
теплопроводящей пробкой для отвода тепла от термобатареи.
Топливо мощностью 121 вт (т.)—боросиликатное стекло
с 137Cs, загруженное в капсулу из хастеллоя-С. Капсула окру-
жена радиационной защитой.
На внутреннюю цилиндрическую поверхность и дно радиа-
ционной защиты нанесены отражающее покрытие и теплоизоля-
тор из стекловаты. Поэтому основной поток тепла проходил
через верхнюю поверхность защиты и термобатарею из теллу-
рида свинца. ТЭГ должен был работать при температурах 770° К
на горячем спае и 366° К на холодном и вырабатывать мощ-
ность 5 вт (эл.) при напряжении 3,8 в на нагрузке. Внешняя
оболочка всей установки должна противостоять давлению воды
на глубине 7000 м и более значительных глубинах в случае
аварийного затопления. Установка не была доведена до экс-
плуатации вследствие отмены всей программы работ.
Широкая серия изотопных ТЭГ была создана по программе
SNAP, в реализации которой участвовали крупнейшие фир-
мы США. Первые генераторы этой серии были разработаны
для использования в космосе. ТЭГ SNAP-1А [63—65], предназна-
ченный для обеспечения электроэнергией предполагаемых воен- '
ных космических объектов, содержит в центре тепловой источ-
ник, окруженный вакуумированным пространством. Тепло от
источника передается термоэлементам излучением. В вакууми-
рованное пространство введены охлаждающая спираль и ртут-
ная защита, необходимые для наземной эксплуатации. На кос-
мическом аппарате предполагалось использовать два SNAP-1A.
В качестве топлива этой установки выбран 144Се, который должен
обеспечивать мощность 8,5 квт (т.). К концу ресурса мощность
должна падать не ниже 2,66 квт (т.), чтобы обеспечить мощ-
ность 125 вт (эл.) при к. п. д. 4,7%.
Внешняя конфигурация всего генератора — цилиндр с полу-
сферическими днищами высотой 86,5 и диаметром 61 см. Внеш-
няя оболочка выполнена двухслойной, причем внутренний слой
из нержавеющей стали — горячий спай термобатареи, а внеш-
ний из алюминия — холодный спай и излучатель. Зазор запол-
няется теплоизоляцией. Мощность регулируется тепловой за-
слонкой, которая обеспечивает излучение избыточного тепла в
космос. Топливный блок — цилиндр длиной 27,9 и диаметром
9,52 см, в котором просверлено семь отверстий диаметром
2,54 см для размещения топливных ампул. Термобатарея состоит
из 227 термоэлементов р- и n-типов РЬТе. При последовательно-
параллельном соединении в генераторе была достигнута мощ-
ность 85 вт (эл.) при напряжении 28 в (нагрев от электрического
284
имитатора), причем к. п. д. установки достигал 4,7%, а одного
термоэлемента — 6,75%. Несмотря на то что программа была
отменена до ее завершения, разработанные термоэлектрические
модули использовались в последующих разработках.
Более успешно и широко разработаны ТЭГ SNAP-3 [63, 66],.
из которых два успешно эксплуатировались на спутниках
«Транзит». Первый генератор этой серии SNAP-3A1 был изго-
товлен в 1960 г. Источник тепла размещен в длинной трубке.
Два ряда термоэлементов, размещенных диаметрально противо-
положно друг другу, прикреплены к пластинам, которые при-
жаты к горячей центральной трубке. Ветви н-типа изготовлены
из РЬТе, а р-типа — каскадные из GeTe на горячей стороне
и ZnSb на холодной. Выходная мощность регулировалась утеч-
кой аргона из генератора во время его работы. Генератор испы-
тывался с электрическими нагревателями и при температурах
горячего спая 850° К и холодного 500° К вырабатывал мощ-
ность 1,78 вт. Тепловая мощность источника составляла при
этом 178 вт, а к. п. д. всей установки 1%. Низкие характери-
стики в основном обусловлены неэффективным использованием
площади нагрева.
Во втором генераторе SNAP-3A2 использованы в основном
те же материалы, но для улучшения его характеристик камера
теплового источника была выполнена в виде сплюснутого
цилиндра. Семнадцать горячих спаев термоэлементов прижаты
к одной из плоских поверхностей цилиндра, а другая плоская
поверхность служит для излучения тепла при регулировании
мощности. Во время испытаний электронагревателем тепловой
мощностью 182 вт были получены температуры горячего спая
753° К и холодного 463° К. Полезная мощность при этом соста-
вила 1,6 вт с к. п. д. 0,88%. Как видно, модификация конструк-
ции не дала искомого результата, так как не была повышена
эффективность использования поверхности нагрева.
Серия ТЭГ SNAP-ЗВ состояла из восьми установок. Пять
из них были загружены топливом, а три применялись только
для испытаний. Все эти генераторы идентичны и не имеют регу-
лирования мощности. В ТЭГ SNAP-ЗВ использована цилиндри-
ческая геометрия, в которой длинная тонкая топливная капсула
окружена радиально размещенными термоэлементами по типу
колеса, осью которого является топливо, а спицам’и — термоэле-
менты. Такая геометрия позволяет эффективно использовать
теплоисточники и обеспечивает простую загрузку топлива.
Вокруг топливной капсулы установлено коническое кольцо горя-
чих спаев, которое обеспечивает хороший тепловой контакт.
Термобатарея состоит из 27 термоэлементов из РЬТе диа-
метром 0,533 и длиной 2,54 см, скоммутированных на горячей
стороне железными пластинами. Нанесенная плазменным на-
пылением пленка окиси алюминия электрически изолирует ком-
мутирующие пластины друг от друга и от кольца горячих спаев.
285
Холодные спаи закреплены покрытым изоляцией алюминиезым
кольцом. Отдельные ветви термоэлементов пружинами с по-
мощью специального устройства прижаты к контактным поверх-
ностям. Слюдяные втулки вокруг ветвей элементов изолируют
и защищают их от химического взаимодействия. Все полости
-заполнены порошковой и твердой теплоизоляцией. Внешняя,
почти сферическая оболочка генератора диаметром 12,1 и высо-
той 14 см смонтирована из спаянных медных полусфер. В слу-
чае входа из космоса в атмосферу пайка расплавляется и топ-
ливная капсула сжимается, поэтому никакой радиационной
защиты не было установлено.
Топливо помещалось в капсулах из нержавеющей стали.
Каждая капсула вставлялась во вторичную стальную капсулу,
и обе они заваривались. Для помещения капсул в оболочку
использовалась завинчивающая пробка. ТЭГ SNAP-3B1,
SNAP-3B2 и SNAP-3B4 были загружены 210Ро. Тепловые мощ-
ности источника соответственно составляли 48; 55,6 и 69,6 вт,
шри этом выработка полезной мощности достигала 2,4; 2,5
и 4 вт, что составляло к. п. д. установок 5,0; 4,8 и 5,7%. Вес
установок достигал 2,3; 1,8 и 1,8 кГ соответственно. Вибрацион-
ные испытания SNAP-ЗВ с электронагревателями обнаружили
падение их к. п. д. до 3,6% при вибрациях, перпендикулярных
•к оси генератора. Однако через 10 мин после испытаний харак-
теристики восстанавливались. Статические ускорения до 15 g
в течение 15 мин показали стабильность характеристик. Испыта-
ния на удар до 50 g со временем нарастания 1 мсек вызвали
колебания напряжения с быстрым затуханием их после удара.
Наиболее совершенные генераторы из этой серии SNAP-3B7
и SNAP-3B8 были загружены 238Ри с тепловой мощностью 52 вт.
.Достигнутая ими электрическая мощность составляла 2,7 вт,
что давало к. п. д. всего устройства 5,2%. Вес генераторов
•был равен 2,1 кГ. Оба они были установлены на борту двух
навигационных спутников «Транзит-4». Источник энергии таких
спутников должен иметь ресурс до 5 лет. Спутники запущены
29 июня 1961 г. («Транзит-4А») и 15 ноября 1961 г. («Тран-
зитов») ; станции слежения подтвердили, что генераторы непре-
рывно работали во время вывода на орбиту. В соответствии
с расчетами мощность их в космосе упала на 10% из-за увели-
чения температуры холодных спаев на 56°. Оба генератора
успешно работали в течение длительного времени в космосе,
и данные по их характеристикам перестали поступать из-за вы-
хода из строя других систем спутников.
По заказу ВМФ США была изготовлена другая большая
серия изотопных ТЭГ SNAP-7 [63, 66—69], в которую входило
пять установок. Общими в этих установках были топливо и
цилиндрическая симметрия расположения преобразователя.
ТЭГ SNAP-7A и SNAP-7C абсолютно одинаковы по своему
устройству и различаются назначением. Генератор SNAP-7A
286
предназначен для питания через буферные батареи мигающего
светового буя и располагается в воде для отвода отработанного-
тепла. Генератор SNAP-7C предназначен для питания метеоро-
логической станции. Оба генератора имеют цилиндрическую-
конфигурацию. Центральный топливный блок имеет четыре
гнезда из хастеллоя-С, и топливо из 90Sr в виде зачехленных
спеченных дисков вставляется в эти гнезда.
Тепловой поток ~256 вт через четыре плоские боковые
поверхности и теплоизоляцию направляется к термобатарее.
Плоские поверхности топливного блода покрыты окисью алюми-
ния, предохраняющей термоэлементы от замыкания. Все эти-
детали включены в оболочку из хастеллоя-С и вставляются
в цилиндрическую область биологической защиты, тепловой кон-
такт с которой осуществляется при помощи тонкого слоя ртути.
Пройдя защиту из обедненного урана, тепло через радиально
размещенные ребра рассеивается в окружающую среду. Общее
количество термоэлементов в этих генераторах 60.
ТЭГ SNAP-7A был установлен на буй 15 декабря 1961 г.,,
a SNAP-7C — 8 февраля 1962 г. в Минна-Блуор в 1100 км от
Южного полюса. Оба ТЭГ имели перепад температур от 783° К
на горячей стороне до 339° К на холодной стороне и вырабаты-
вали мощность 11,6 вт, что составляло к. п. д. 4,5%. Вес ТЭГ
достигал 850 кГ, и ресурс рассчитывался на 10 лет. Спустя шесть
месяцев после начала работы выходная мощность генератора
SNAP-7A стала уменьшаться из-за увеличения паразитной-
утечки тепла через газ. Было высказано предположение, что-
этот газ выделялся из связующего вещества тепловой изоляции
в результате радиационного воздействия. После перезаправки-
генератора инертным газом его мощность восстановилась,
а в полость были введены металлические геттеры. В генераторе
SNAP-7C около половины полезной мощности терялось в блоке
управления и стабилизации, что снижало общий к. п. д. на 50%.
Также идентичны ТЭГ SNAP-7B и SNAP-7D. Генератор
SNAP-7B предназначен для энергоснабжения маяка в Кост-
Гарде, a SNAP-7D — для снабжения энергией плавучей метео-
рологической станции ВМФ. Конструкции этих генераторов так-
же имеют цилиндрическую форму, но топливный блок шести-
гранной формы, что необходимо для установки большего числа
термоэлементов. Топливо из SrTiO3 мощностью 1440 вт (т.)
в виде спеченных блоков зачехлено в цилиндрические оболочки-
из хастеллоя-С, и четырнадцать таких твэлов вставляются в семь,
каналов, расположенных по треугольной решетке.
Тепловой поток через теплоизоляцию направляется на боко-
вые грани топливного блока, где размещены термобатареи с
электроизоляцией из слюды. Всего в ТЭГ установлено 120 термо-
элементов из РЬТе, по пять модулей на одну пластину. В каж-
дом модуле, следовательно, включено четыре термоэлемента.
Все эти устройства, включая крепление топливной капсулы,
28?
монтируются во внешней оболочке, к которой крепятся ребра
охлаждения. Внутренняя часть вакуумируется и заполняется
инертным газом. Через оболочку отработанное тепло поступает
в блок биологической защиты из обедненного урана толщи-
ной 8,25 см и рассеивается в окружающую среду оребренной
поверхностью.
Предварительные испытания были выполнены с электриче-
скими имитаторами. Во время этих испытаний пришлось укоро-
тить наконечники термоэлементов и добавить прокладки слюды
для снижения трения и устранения разрушения термоэлементов
из-за разности их тепловых расширений с топливным блоком.
После успешных испытаний они подвергались воздействию виб-
рации во всех трех направлениях с частотой 5—300—5 гц в тече-
ние 5 мин при перегрузках 3 g и ударом до 3 g с полушириной
импульса 6 мсек. Эти испытания также были успешными.
После этого ТЭГ SNAP-7B был заряжен топливом 15 янва-
ря 1962 г., a SNAP-7D —12 июня 1962 г. Их эксплуатация
показала, что во время работы обеспечивается перепад темпера-
тур от 763° К на горячем до 333° К на холодном спаях. При этом
полезная мощность достигает 68 вт при напряжении 12 в, что
составляет к. п. д. 4,7%. Вес каждой установки 2090 кГ. Ввиду
большой мощности для охлаждения применяется специальный
контейнер с большими ребрами и внутренней системой тепло-
отвода при помощи теплоносителя, а отсек с ' генератором
SNAP-7D заполняется трансформаторным маслом,, которое пере-
дает тепло конструкции плавучей станции и от нее воде.
ТЭГ SNAP-7E аналогичен по своей конструкции SNAP-7A,
только его биологическая защита выполнена из литого железа
и загрузка топливом несколько меньше; тепловая мощность
198 вт. Генератор SNAP-7E предполагалось использовать в блоке
с подводным акустическим маяком для навигации надводных
кораблей и подводных лодок. Установка была загружена топ-
ливом 25 июня 1962 г. и испытана в условиях, эквивалентных
глубине погружения 6850 м. При перепаде температур от 683
до 290° К на термобатарее генератор SNAP-7E вырабатывал
мощность 6,5 вт (эл.) при напряжении 4,5 в. К. п. д. установки
был равен 3,3%, вес генератора 1020 кГ. В этом же году уста-
новка была опущена в Атлантический океан, но на глубине
3820 м прекратила работу из-за течи во внешней оболочке.
После исправления генератор продолжал функционировать нор-
мально.
ТЭГ SNAP-9A есть результат дальнейшего развития аппа-
ратов типа SNAP-3. Этот генератор имеет шестигранную кон-
фигурацию. К внешнему корпусу, имеющему вид шестигранной
призмы, по ребрам приварено шесть излучающих пластин в ра-
диальном направлении. На плоских поверхностях граней смонти-
рованы холодные спаи 36 термомодулей, которые могут легко
заменяться. Топливная капсула с 238Ри размещена по централь-
288
ной оси цилиндра. Образцы генераторов SNAP-9A успешно
работали с электронагревателями, в течение шести месяцев,
а затем один из них был загружен топливом. При этом вес гене-
ратора достигал 12,3 кГ, а его полезная мощность 25 вт.
В 1963 г. на военных спутниках были испытаны две мо-
дели.
Для лунной радиоизотопной энергетической установки был
разработан ТЭГ SNAP-11 [63, 66, 68]. Установка предназнача-
лась для системы «Сервейер» и была выполнена в двух вариан-
тах: для мягкой и жесткой посадок на Луну.
Тепло от центральной топливной капсулы, в которую поме-
щено топливо ^Ст в танталовой обойме с запорной пробкой,
передается через полость излучением на горячую поверхность
термобатареи. Термоэлементы на холодном спае изолированы
слоем силиконовой резины и поджимаются запорным станком.
Далее тепло передается излучателю. С торцов установка окру-
жена теплоизоляцией, помещенной в фольгу и снабженной теп-
ловыми экранами. Для регулирования мощности установлена
тепловая заслонка, через которую избыточная тепловая энергия
излучается в космос. Установка успешно работала на лунной
поверхности в блоке с аккумуляторной батареей и при тепло-
вой мощности изотопа 396 вт вырабатывала мощность
19 вт (эл.), что составило к. п. д. 4,8%. Термоэлементы изготов-
лены из РЬТе в количестве 30 шт. и работали при температурах
горячего и холодного спаев 811 и 461° К соответственно. Вес
установки без радиационной защиты составлял 7,55 кГ.
Установка SNAP-П для жесткой посадки содержала прямо-
угольный топливный блок из хастеллоя-С с 64 термоэлементами
из Со—Si. Их оси параллельны направлению ожидаемого удара.
Выбор материала термоэлемента обусловлен его более высо-
кими, чем у халькогенидов, прочностными свойствами, несмотря
на меньшую добротность. С торцов установка покрыта слоем
изолятора. Бериллиевая оболочка генератора, близкая по форме
к эллипсоиду вращения, проводит отработанное тепло от термо-
элементов к излучающей поверхности в верхней части через
медную прокладку и к поверхности смягчающего удар сильфона
в нижней части. Сильфон заполнен гелием до давления 6,8 атм.
Корпус генератора стягивался самозатягивающимися болтами
через пружину Бельвила и листовую прокладку. Кабель выво-
дился через штуцер.
Предполагаемые параметры генератора при тепловой мощ-
ности 250 вт составляли: полезная мощность 13 вт, к. п. д. 5,2%,
напряжение 3 в, температура горячего спая 1030° С, холодного
511° С, вес 2,8 кГ. Высокий к. п. д. получен за счет большого
перепада температур, а малый вес — за счет использова-
ния Со—Si.
В 1965 г. в США создан малогабаритный изотопный ТЭГ
SNAP-15A с изотопом 238Ри мощностью 1 мет (эл.) при напря-
10 Зак. 910
289
жении 4,5 в, вес его 0,453 кГ, диаметр 6,35 см, высота 12,7 см
и срок службы 4—5 лет. При столь малой полезной мощности
большой [70, 71] прочностью и надежностью обладают термо-
батареи из металлических термопар, которые и были установ-
лены. ТЭГ имеет вид цилиндра, внутри которого на монтажной
стойке укреплены тепловой конденсатор и блок термопар. Горя-
чие концы термопар присоединены к топливной капсуле с ^Фи.
Все устройство окружено тепловой изоляцией. К настоящему
времени изготовлено больше десятка таких ТЭГ, испытание кото-
рых показало их высокую надежность даже в суровых клима-
тических условиях. Увеличения срока их службы предполагается
достичь усовершенствованием уплотнения корпуса и электри-
ческой изоляции. Назначение этого ТЭГ — электроснабжение
устройства по выработке эталонного напряжения в течение про-
должительного времени в микроэлектронных устройствах и в
аппаратах «искусственное сердце».
С июля 1963 г. по 1965 г. на спутнике связи успешно работал
ТЭГ SNAP-17 [70] с изотопом 90Sr. Он вырабатывал 25—30 вт
полезной мощности, имел расчетный срок службы 3—5 лет и
весил 13,6 кг. В режиме максимальной мощности его напряже-
ние составляло 6,6 в, а ток 3,8 а. Установка имела высоту 31,75,
диаметр 16,76 см и поверхность излучателя 0,121
Для метеорологического спутника «Нимбус-В» был создан
изотопный ТЭГ SNAP-19 [70—79]. Внешне он представляет
собой цилиндр диаметром 13,56 и высотой 24,76 см, окружен-
ный шестью ребрами-излучателями общей площадью 0,094 м2.
Внутри цилиндра размещена топливная капсула с ^Ри, состав-
ляющая с графитовым стержнем единый тепловой блок.
К этому блоку прижаты горячие спаи термобатареи из РЬТе
р- и п-типов. Мощность установки 22 вт (эл.) при токе 4,65 а
и напряжении 4,75 в. Срок службы этой установки оценивался
в 3—5 лет. Вес установки составлял 13,6 кг. На спутнике были
установлены два идентичных ТЭГ. Предварительно они прошли
тепловые испытания на борту моделей спутника и наземные
испытания с 238Ри на пригодность, к полету. Предполагалось,
что в космосе они будут работать в блоке с солнечными ба-
тареями. Запуск метеоспутника «Нимбус-3» был осуществлен
18 мая 1968 г., однако он был неудачен и ракета-носитель
взорвана.
Однако программа на этом не была завершена и изотопные
ТЭГ SNAP-19 продолжали разрабатываться [80—84]. Эти ге-
нераторы предназначены для использования на космических
станциях при полете к Юпитеру [4 ТЭГ SNAP-19, общей
мощностью 120вт(эл.)] и модификация SNAP-19—TAGS-85/2N
для энергообеспечения аппаратуры посадочного аппарата на
Марс. Последняя проектируется на мощность от 150 до
500 вт (эл.) и срок службы не менее 2 лет и будут монтиро-
ваться из нескольких раздельных блоков с тепловой мощностью
290
каждого по 2680 вт и температурой 805° С. В них предпола-
гается применить двухкаскадные батареи из Si—Ge и РЬТе с
общим перепадом температур от 677 до 282° С и к. п. д. 4,2%.
Удельная мощность 1,3 вт/к,Г. Возможно увеличение темпера-
туры топлива сначала до 910° С, а затем до 1065° С. Результаты
наземных испытаний SNAP-19 в течение 36 634 ч даны на
рис. 6.36. Резкое падение мощности после 90 000 ч объясняется
утечкой инертного газа из внутренней полости преобразователя,
что привело к падению давле-
ния, вызвавшему рост темпе-
ратур на спаях термоэлемен-
тов, внутреннего сопротивле-
ния термобатареи и разруше-
ние коммутации на горячем
спае.
В качестве источника пита-
ния акустических приборов на-
вигационных буев для транс-
атлантических пароходов, под-
водных кабелей и глубоковод-
ных измерительных приборов
создан изотопный ТЭГ SNAP-
21 [32, 85—87], являющийся
более совершенной модифика-
цией установок SNAP-7A и
SNAP-7E. По этой программе
изготавливается серия ТЭГ
мощностью 10, 20 и 60 вт (эл).
Их принципиальное устройство
показано на рис. 6.37. ТЭГ
SNAP-21 имеет форму ци-
Рис. 6.36. Характеристики работы
ТЭГ SNAP-19:
/ — температура горячих спаев; 2 — элект-
рическая мощность; 3— электрическое со-
противление; 4 — э. д. с.
линдра, внутри которого
размещены четыре топливные капсулы со MSr. К ним с
четырех сторон прижимаются термобатареи. Остальное прост-
ранство заполнено тепловой изоляцией. Поскольку SNAP-21
предназначен для работы под водой на глубинах до 7000 м,
его корпус изготовлен из коррозионностойкого медно-бериллие-
вого сплава, способного выдержать большое давление, и стоек
к разрушению морской водой на срок не менее 300 лет.
В 19Q5 г. был изготовлен и успешно испытан термогенератор
этой серии мощностью 10 вт (эл.). В результате использования
каскадных термоэлементов, работающих при более высоких
температурах горячего спая, и усовершенствования тепловой
изоляции и деталей конструкции по сравнению со SNAP-7E
удалось достичь более высокого к. п. д. преобразования
(8—10%), уменьшить размеры, и, несмотря на увеличение мощ-
ности, несколько снизить вес установки до 227 кГ. Срок служ-
бы SNAP-21 составляет 5 лет.
Ю
291
Результаты длительных испытаний этих ТЭГ [88, 89] по-
казывают, что за 8500 ч мощность их практически не изменя-
лась’ и составляла 10,45 вт (эл.). При этом температура горя-
чих спаев уменьшилась от 524 до 514° С при сохранении тем-
пературы холодных спаев 34,4° С.
Рис. 6.37. Радиоизотопный ТЭГ SNAP-21:
1 — токовыводы; 2—корпус; .3 — термоэлектрический преоб-
разователь; 4 — тепловая изоляция; 5 — топливная капсула;
6' — биологическая защита
В результате дальнейшего усовершенствования установок
SNAP-7B и SNAP-7D разработан изотопный ТЭГ SNAP-23
[85, 87, 90, 91]. Установка имеет цилиндрическую форму, в
центре которой находится тепловой блок, состоящий из набора
цилиндров с изотопом 90Sr. В плане тепловой блок имеет вид
шестигранника, к сторонам которого прижимаются термоба-
тареи. Поскольку SNAP-23 предполагается использовать в бе-
292
реговых морских устройствах или на автоматических плавучих
метеостанциях, в конструкции нет прочного корпуса, рассчитан-
ного на высокое давление, а это ведет к снижению стоимости
на 20%.
Программа SNAP-23 предусматривает создание ТЭГ мощ-
ностью 25, 60, 100 и 200 вт (эл.) и сроком службы от 5 до
10 лет. Изготовленная к настоящему времени установка мощ-
ностью 60 вт весит 453 кГ. В этом ТЭГ, так же как и в
SNAP-21, заметно существенное улучшение показателей по
Рис. 6.38. Внешний вид ТЭГ
Ток, а
Рис. 6.39. Расчетные вольт-амперные
характеристики ТЭГ SNAP-27 при
тепловыделении 1505 вт (1) и экс-
периментальные 1490 вт (2)
Мо1цнас[ць^т
SNAP-27:
1 — термоэлементы; 2 — охлаждающие реб-
ра; 3 — радиоизотопная капсула
сравнению с его прототипами SNAP-7B и SNAP-7D, что достиг-
нуто улучшением деталей конструкции и расширением рабочего
интервала температур.
Для исследования Луны создан изотопный ТЭГ SNAP-27
[76, 92—103] (рис. 6.38). Это устройство имеет вид цилиндра
с ребрами-излучателями. ТЭГ сконструирован так, что топлив-
ная капсула с ^Ри вставляется только после его размещения
на Луне. Использование бериллиевого корпуса обеспечивает
большее по сравнению с ранними космическими изотопными
ТЭГ значение удельной мощности. Расчетная мощность
SNAP-27 составляет 50 вт (эл.) при весе 14 кГ. Во время его
испытаний в вакуумной камере, имитирующей наиболее суро-
вые условия на поверхности Луны, при окончательном весе
19,2 кГ он вырабатывал мощность 63 вт (эл.) при напряжении
16 в и успешно выдержал вибрационные испытания. В комп-
лект этой установки входят собственно генератор, топливный
контейнер и приспособление, с помощью которого топливная
293
капсула вынимается из контейнера и устанавливается в гене-
ратор при размещении на месте.
Вольт-амперные характеристики этого ТЭГ, подготовленного
для доставки на Луну, приведены на рис. 6.39. Температура
Рис. 6.40. Временные зависимо-
сти выходной мощности Р и го-
рячих частей конструкций Тг ТЭГ
SNAP-27:
/ — модель 15 без учета распада ра-
диоизотопного горючего; 2—модель 15
горячих спаев термобатареи при
этом составляла 572—593°С.
Первый генератор SNAP-27 был
доставлен на Луну с «Аполло-
ном-11» 21 июля 1969 г., второй —
«Аполлоном-12» и они смонтиро-
ваны там для питания комплек-
са научной аппаратуры (сейсмо-
метр, магнитометр, приборы ис-
следования солнечного ветра, ио-
носферы и лунной пыли). В про-
цессе эксплуатации SNAP-27 тем-
пература лунной поверхности из-
менялась от —179 до +139°С.
Генератор надежно работал тре-
буемое время (порядка года и
более) и обеспечивал энергоснаб-
жение аппаратуры. Временные
характеристики SNAP-27 для.
моделей 15 (наземные испыта-
ния), 19 («Аполлон-12») и 23
(«Аполлон-14») показаны на рис.
6.40 для лунного дня. Как видно,
изменение полезной мощности
в течение лунной ночи замедля-
ГГЗмз ется вследствие понижения тем-
пературы.
Имеются проекты применения ТЭГ SNAP-19 и SNAP-27 для
аппаратов, исследующих внешние планеты Солнечной системы
[104, 105]. На основе этих ТЭГ предполагается создать более
мощное устройство, названное MHW [81, 106, 107]. Его мощ-
ность должна составлять 155 вт (эл.) и за 12 лет работы умень-
шится до 122 вт(эл.). При этом температура горячего спая
будет 593° С, а холодного 324° С. Термобатарею предполагается
сделать только из сплава Si—Ge, из 288 элементов. Имеются
проекты объединения ТЭГ в один, более мощный блок, выра-
батывающий мощность около 1 кет (эл.).
Для энергоснабжения обитаемых и автоматических косми-
ческих лабораторий в США разработан изотопный ТЭГ
SNАР-29 с топливом 210Ро, который должен вырабатывать мощ-
ность 800 вт(эл.), весить 183 кГ и иметь срок службы 104 дня
[108—111]. Принципиальная конструкция SNAP-29 значитель-
но отличается от всех предыдущих устройств серии SNAP и
состоит из 30 топливных капсул с 210Ро, вставленных в топлив-
294
ный блок из плоских пластин, которые обеспечивают большую
поверхность передачи тепла к горячим спаям термобатарей.
Тепло с холодных спаев отводится жидкометаллическим тепло-
носителем Na—К, который передает его на ребра-излучатели.
В ТЭГ предусмотрена вспомогательная система теплового кон-
троля, необходимая для поддержания постоянной температуры
на термобатареях в течение всего полета, которая работает по
принципу сброса избыточного тепла помимо термобатарей.
В космической лаборатории предполагается установить четыре
ТЭГ SNAP-29, чтобы обеспечить необходимую мощность
2000 вт(эл.). Рабочая температура топливного блока должна
составлять 650—790° С. Термобатарея из теллурида свинца
имеет плоскую форму, температуру горячих спаев 566° С, а хо-
лодных 177° С.
Помимо серии SNAP в США разработаны и другие серии
изотопных ТЭГ различной мощности. Для получения полезной
мощности до 1 вт (эл.) создана серия установок RTG и URIPS
[112]. Во всех этих ТЭГ использованы полупроводниковые ма-
териалы на основе теллурида висмута.
Первый изотопный ТЭГ RTG-1 мощностью 1 вт (эл.) пред-
назначен для океанографических исследований и отличается
надежной защитой. В центре цилиндрической топливной каме-
ры размещен изотоп ®°Sr мощностью 44 вт (т). Капсула окру-
жена тепловой изоляцией, за исключением верхнего конца, к
которому прижимается термобатарея прямоугольной конфигу-
рации. Вся эта система окружена обедненной урановой защи-
той и заключена в герметичный сосуд диаметром 23,3 см,
выдерживающий большое давление. ТЭГ RTG-1 вырабатывает
напряжение 18 в при разности температур на термоэлементах
155°. Вес установки 142,8 кГ, срок службы — 5 лет.
ТЭГ RTG-2 отличается съемной защитой и также предназ-
начен для океанографических исследований. Конструкция
топливного блока аналогична RTG-1, но защита используется
только для поверхностного применения установки, хранения на
корабле или эксплуатации на мелководье. В этом случае съем-
ная защита может быть использована многократно, что эко-
номически выгодно. В этом ТЭГ защита изготовлена из свинца
и сконструирована так, что она не освобождается до тех пор,
пока установка не будет находиться в безопасности под водой.
ТЭГ RTG-2 вырабатывает мощность 2 вт (эл.) и напряжение
18 в при перепаде температур 155°. Топливом в нем также яв-
ляется 90Sr мощностью 44 вт(т.)_ Диаметр корпуса установлен
без защиты 8,9 см и вес 27,67 кГ. Защита весит 312,9 кГ. Срок
службы — 5 лет.
ТЭГ RTG-3 (рис. 6.41) сконструирован устойчивым к уда-
рам, легким, со сроком службы 20 лет применительно к оке-
анографическим исследованиям. Топливная капсула с 238Ptt
мощностью 33 вт (т.) размещена в центре установки, а к ниж-
295
Рис. 6.41. Радиоизотопный ТЭГ
RTG-3:
1 — регулятор мощности; 2 — тепловая
изоляция; 3 — топливо плутоний-238;
4 — двойные стенки контейнера с топ-
ливом; 5 — термобатарея
ней части ее прижата термобатарея. Выбранный изотоп не
требует защиты, что позволило сократить вес ТЭГ до 4,38 кГ.
Установка вырабатывает мощность 1 вт (эл.) напряжением
10 в при разности температур на термоэлементах 155°. Диа-
метр корпуса-9, а длина—6,09 см.
ТЭГ RTG-4 разработан стой-
ким к ударной нагрузке, с боль-
шим ускорением и предназначен
для применения в ракетной тех-
нике в воздухе и в воде. Устрой-
ство его аналогично RTG-1, но
для обеспечения его сохранности
при работе применено внутреннее
крепление фланца и закругление
носовой части, что ослабляет на-
грузки при ударе. Важным фак-
тором в сохранности является
прочность урановой защиты. Ус-
тановка при разности температур
на термоэлементах 144° выраба-
тывает мощность 0,3 вт (эл.) и ве-
сит 108,7 кГ. Топливом в нем яв-
ляется eoSr мощностью 23 вт (т.). •
Диаметр установки 20,32, длина
22,5 см.
изотопный ТЭГ URIPS-P1 [113],
предназначенный для непрерывной подзарядки никель-кадмие-
вой аккумуляторной батареи, приведения в действие берего-
вого светящегося знака, туманного горна и автоматического
привода, который заменяет поврежденные лампы в светящемся
В 1967 г. был изготовлен
знаке, а также для питания двух акустических маяков и ра-
диотелеметрических курсоуказателей. Устройство этого ТЭГ
показано на рис. 6.42 и представляет собой цилиндрический
корпус диаметром 34,6 и высотой 49,96 см, в центре которого
размещена топливная капсула со 90Sr мощностью 46 вт(т.).
Капсула со всех сторон окружена тепловой изоляцией, а сверху
в ней прижата термобатарея. Все это устройство окружено
биологической защитой. В верхней части цилиндра размещено
устройство для стабилизации энергии. ТЭГ вырабатывал мощ-
ность 1 вт (эл.) при напряжении 24 в. Вес установки с урано-
вой защитой составлял 362,8 кГ.
Интересный радиоизотопный обогревательный аппарат для
водолазных костюмов разрабатывается в США [114]. Аппарат
весит около 16 кГ, имеет размеры 15X20X35 см и срок служ-
бы около двух лет. В нем использованы изотопы 170Ти или
171Ти, помещенные в защитный пакет и вырабатывающие мощ-
ность 400 вт (т.). Это тепло используется для подогрева воды
в замкнутом контуре до 43° С, а также для работы термоба-
296
гидрокостюме, а также для
Рис. 6.4Й. Радиоизотопный ТЭГ
морского применения URIPS-P11:
1—электрический разъем; 2—преоб-
разователь 1,2/24 s; 3 — электрический
кабель; 4—защитная пробка; 5 — на-
ружный корпус; 6 — термоэлементы на
основе теллурида висмута; 7 — радио-
изотоп; 8 — тепловая изоляция; 9 —
контейнер; 10—биологическая защита
составляет 6,16%. Согласно
тареи мощностью 5 вт (эл.). Выработанная ею электрическая
энергия используется для работы насоса, обеспечивающего
циркуляцию подогретой воды в
питания ксеноновой лампы, заго-
рающейся с интервалом около
1 сек.
Для спутника Земли в США
разработан проект изотопного
ТЭГ мощностью порядка 250 вт
(эл.) [115]. По проекту этот ТЭГ
располагается в хвостовой части
спутника и представляет собой
цилиндр длиной 82 и диаметром
93 см, в центре которого распо-
ложено 10 трубчатых капсул с
топливом в виде 90Sr или 238Ри.
Топливный блок имеет вид мно-
гогранника, к которому прижи-
маются 20 термобатарей с общим
числом термоэлементов 320. Ма-
териалом термоэлементов в них
является сплав Ge-Si р- и и-ти-
пов, что позволяет использовать
высокую температуру горячего
спая. Установка рассчитана на
5 лет работы. В начале работы
топливная капсула выделяет
мощность 7130 вт (т.), что поз-
воляет получить температуру го-
рячего спая термобатареи около
990°С, а холодного около 410°С.
Большой перепад температур
обеспечивает мощность установки
в начале работы 364 вт (эл.) при
напряжении 28 в и к. п. д. 5,1%.
К. п. д. термобатареи при этом
расчетам, в конце срока службы мощность топливной капсулы
должна снизиться до 6317 вт(т.), что обеспечит температуру
горячего спая 925° С, а холодного 390° С. При этом мощность
составит 277 вт(эл.), к. п. д. установки 4,33%, а к. п. д. тер-
мобатареи 5,32%. Очевидно, что применение в столь широком
интервале температур каскадных термобатарей, например из
GeSi—РЬТе [ИЗ], позволит увеличить к. п. д. термобатареи
до 8—10%. Это существенно повысит энергетические характе-
ристики данной установки, т. е. проект имеет существенный
запас по мощности.
Раздельное применение термобатарей из сплава Ge—Si и
РЬТе в изотопных ТЭГ большой мощности рассмотрено в рабо-
297*
те [116]. Эти ТЭГ имеют одну конструктивную схему
(рис. 6.43): топливо ®°Sr размещено в цилиндрических капсу-
лах, уложенных в трубе, к которой прижимаются четыре
диаметрально противоположные термобатареи. Остальное про-
странство вокруг трубы заполнено тепловой изоляцией. С хо-
лодной стороны на термоэлементы надето кольцо с ребрами-
Рис. 6.43. Радиоизотопный ТЭГ с термоэлементами из РЬТе или Ge—Si:
/ — система сброса тепла; 2 — термобатарея; Л— противоударный буфер; 4— радио-
изотоп; 5 — капсула для изотопа; 6 — дополнительная изоляция; 7 — тепловая изо-
ляция; 8 — корпус
излучателями. Рассмотрены ТЭГ мощностью 50, 150 и
250 вт(эл.), причем перепад температур на устройствах из
РЬТе составляет 525° С на горячем спае и 227° С на холодном,
а на устройствах из Ge—Si 927 и 177° С соответственно.
Это приводит к тому, что к. п. д. термобатареи из РЬТе равен
Таблица 6.
Сравнительные характеристики изотопных ТЭГ большой мощности
Характеристика	Ge—Si	|	РЬТе					
	Электрическая мощность, вт					
	50	150	250	50	150	250
Диаметр (без ребер), см	29,4	41,4	50,7	25,7	37	45
Длина, см	100	147	175	88	130	172
К.п.д., %	4,42	4,85	4,9	6,9	7,38	7,48
298
5,6%, а из сплава Ge—Si 8,6%. Основные параметры этих
установок даны в табл. 6.4.
В последние годы в некоторых странах Европы также на-
чались исследования, разработки и применение изотопных ТЭГ.
Так, в Англии разработана серия RIPPLE, насчитывающая де-
сять типов мощностью от десятков милливатт до 40 вт(эл.),
причем ТЭГ от RIPPLE-I до RIPPLE-VII уже успешно рабо-
тают [117, 118]. Эти установки предназначены для питания
океанографического навигационного оборудования, микровол-
Рис. 6.44. Радиоизотопный ТЭГ RIPPLE:
1 — корпус; 2 — термоэлементы; 3 — головка контейнера; 4 — радиоизотоп; 5 — тепловая
изоляция; 6 — топливная капсула; 7 — биологическая защита
новых ретрансляционных станций, усилителей для подводных
кабелей, отдаленных радиолокационных станций, гидроакусти-
ческих локаторов и самолетных навигационных радиомаяков.
Принципиальная конструктивная схема и внешний вид у всех
установок серии RIPPLE приблизительно одинаковы (рис. 6.44).
Они представляют собой цилиндр, в центре которого располо-
жена топливная капсула со 8°Sr. Она с трех сторон окружена
тепловой изоляцией, а к одной ее грани прижата термобатарея
из полупроводников на основе В1гТез. Все это устройство окру-
жено биологической защитой и помещено в герметичный кор-
пус. От холодных спаев термобатареи через корпус выведен
теплопровод, к которому вне корпуса крепятся ребра-излуча-
тели. ТЭГ снабжен преобразователем напряжения.
Изотопный ТЭГ RIPPLE-I имел длину 64 и диаметр 41 см,
вырабатывал мощность 75 мет (эл.) при мощности изотопного
источника 4,4 вт(т.), температуре на горячем спае 180° С и на
холодном 40° С. К. п. д. установки составлял 1,71%, вес с
защитой 600 кГ. Установка была запущена в эксплуатацию в
299
марте 1965 г. одновременно с RIPPLE-П, которая имела длину
23 и диаметр 22 см, вырабатывала мощность 90 мет (эл.) и
весила 230 кГ, тепловая мощность изотопа, к. п. д. установки
и перепад температур на термобатарее были такими же, как в
предыдущем генераторе. Оба эти ТЭГ использовались для пи-
тания светового пятна, работающего в импульсном режиме.
ТЭГ RIPPLE-III вырабатывал мощность 0,75 вт (эл.), ве-
сил 275 кГ. Начальная мощность изотопа равнялась 29 вт (т.).
Этот ТЭГ был испытан в Тихом океане. ТЭГ RIPPLE-IV мощ-
ностью 2 вт (эл.) предназначен для питания подводного кабе-
ля. ТЭГ RIPPLE-V, -VI, -VII каждый мощностью 1 вт (эл.) и
в настоящее время проходят испытания. RIPPLE-V начал ра-
ботать в конце 1966 г. в лаборатории, а с мая 1967 г. исполь-
зуется для питания оградительных огней места забора охлаж-
дающей воды для АЭС. RIPPLE-VI начал использоваться управ-
лением пароходства и навигации Швеции в октябре 1967 г., а
RIPPLE-VII — управлением службы маяков Дании с июля
1968 г. RIPPLE-IX имеет мощность 4 вт (эл.) и предполагается
для использования в самолетных радиомаяках. RIPPLE-X раз-
работан в виде серии ТЭГ мощностью от 4 до 40 вт (эл.).
Во Франции в последние годы разрабатывается серия изо-
топных ТЭГ «Маргарита». Первый ТЭГ этой серии «Марга-
рита-2» (рис. 6.45) [119—121] предназначен для питания маяка
и устройств подачи ультразвуковых сигналов, которые можно*
улавливать на расстоянии около 2 км. Установка имеет ци-
линдрическую форму. В центре конструкции размещена топлив-
ная капсула с изотопом MSr, обеспечивающим срок службы
5 лет. К ней прижимается термобатарея из сплава Ge—Si. Топ-
ливный блок окружен тепловой и биологической защитой. Теп-
ло непосредственно сбрасывается с герметичного корпуса
установки. Мощность ТЭГ равна 125 мет (эл.) при напряжении
0,5 в. При дальнейшем усовершенствовании этой установки
разработан ТЭГ «Маргарита-20» [121], который является про-
тотипом ТЭГ для использования в космических аппаратах.
Принципиальная конструкция его мало отличается от пред-
ставленной на рис. 6.45. Топливом является “Sr мощностью
265 вт(т.), что обеспечивает температуру горячего спая 900° С,
а холодного 250° С при к. п. д. установки 4,7%. Термобатарея
состоит из полупроводников Ge—Si, вырабатывает мощность
12,5 вт(эл.) и весит 8 кГ.
Изотопные ТЭГ для космических аппаратов разрабатыва-
ются также в ФРГ [122]. Источником тепла является “Sr,
обеспечивающий мощность 10 вт(эл.) при температурах горя-
чего спая 830° С и холодного 270° С. Материалом термоэлемен-
тов служит Ge—Si р- и и-типов.
В Европейском институте трансурановых элементов 5 июля
1968 г. начал работать изотопный ТЭГ [123, 124], топливо ко-
торого было изготовлено в Бельгии, а термобатарея — в ФРГ.
300
Конструкция этой установки (рис. 6.46) представляет собой
цилиндр, в центре которого помещена топливная капсула с
242Ст мощностью около 45 вт(т.). К капсуле в диаметрально
противоположных местах прижаты 6 термомодулей из сплава
Ge—Si. Все остальное пространство вокруг капсулы заполнено
тепловой изоляцией из стекловаты, а с торцов капсулы рас-
Рис. 6.45. Радиоизотопный ТЭГ
«Маргарита-2»:
1 — запорное устройство; 2 — топлив- •
ная капсула; 3— радиоизотоп; 4 —
гибкий кабель; 5 — горячий теплопро-
вод; 6 — тепловая изоляция; 7 — хо-
лодный теплопровод; 8~ ветви термо-
элемента; 9— гибкое соединение; 10 —
экраны
1
Рис. 6.46. Радиоизотопный ТЭГ
Евратома:
1 — газокомпеисациоииый резервуар;
2 — вывод термопары; 3 — верхняя ра-
диационная защита; 4 — корпус; 5 —
тепловая изоляция; 6 — нижняя радиа-
ционная защита; 7 — токовыводы; 8 —
термоэлементы; 9 — топливная капсула
положена радиационная защита. Все устройство помещено в
герметичный корпус. Общий вес установки составляет 5 кГ.
В начале работы ТЭГ выработал 0,3 вт (эл.) при э. д. с.
0,417 в. Температура горячих спаев термобатареи при этом
равнялась 293° С, а холодных 89° С. Поскольку период полу-
распада ^Сш всего 163 дня, то за время работы энергетиче-
ские характеристики ТЭГ хотя и медленно, но ухудшались.
Из обзора изотопных ТЭГ видно, что они в настоящее время
наиболее разработаны и распространены, просты и удобны
в эксплуатации в труднодоступных местах. Можно сказать, что
по мере развития они найдут широкое применение в качестве
301
источников энергии малой мощности до 1 квт(эл.). Основные
недостатки всех созданных изотопных ТЭГ — неполное исполь-
зование тепла и наличие относительно больших потерь в кон-
тактах полупроводника с горячим и холодным источниками.
6.4.	ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ
ТЭГ, работающие на органическом топливе, были первыми
в мире промышленными устройствами такого рода. Родиной
их является Советский Союз. Достаточно назвать «партизан-
ский котелок», в дне которого размещалась термобатарея, на-
греваемая от костра и охлаждаемая кипящей водой. Кстати,
этот достаточно простой и очень эффективный способ отвода
тепла почему-то забыт в последующих конструкциях ТЭГ.
«Партизанский котелок» был разработан в 1942 г., состоял
из термобатарей ZnSb — константан и при разности температур
250—300° С обеспечивал к. п. д. 1,5—2%. При усовершенство-
вании его разработаны генераторы ТГК-.2, ТГК-3 и ТГУ-2
[125, 126], в которых использовалось тепло керосиновой лампы
для нагрева термобатарей из ZnSb — константана. Мощность
первых двух установок составляла 3 вг(эл.), а ТГУ-2—15 вг(эл.).
Назначение их — электропитание радиоприемника «Родина» и
радиостанции «Урожай». Эти ТЭГ долгие годы изготавливались
серийно и к настоящему времени являются единственными, по
которым можно проследить усовершенствование технологии
массового изготовления и экономический эффект. Нужно ука-
зать, что покупная цена ТГК-3, равная 20 руб., или 7 руб/вт,
до сих лор является наименьшей для всех известных ТЭГ.
В последние годы наибольшее распространение получили
ТЭГ на органическом топливе для станций катодной защиты,
так как в них используются газо- или нефтепродукты. Катод-
ная защита предохраняет магистральные газо- и нефтепроводы
и радиорелейные линии от коррозии путем подачи на метал-
лические трубы отрицательного потенциала, препятствующего
окислению железа. Они приносят большой экономический эф-
фект, так как увеличивают срок службы труб, а использование
ТЭГ для этой цели резко уменьшает расход рабочего времени
на обслуживание магистрали.
Один из вариантов — ТЭГ-50 мощностью 50 вг(эл.) при
напряжении 8 в. Инфракрасная горелка, работающая на при-
родном газе, расположена в центре устройства и поддерживает
температуру горячих спаев термобатарей 350—400° С. Тепло
отводится естественной конвекцией, что увеличивает общие
габариты устройства, но придает ему известную’ универсаль-
ность. Несколько моделей ТЭГ-50 эксплуатировалось в одном
из районов УССР, причем одна установка надежно защищала
40 км газопровода при средней влажности почвы.
302
Более мощная модель такого типа — ТЭГ-300 мощностью
300 вг(эл.) [12]. Установка состоит из четырех индивидуальных
колонок. Каждая колонка имеет мощность 75 вт(эл.) и состоит
из инфракрасной горелки, к которой через теплоприемник при-
мыкают термобатареи. Тепло от холодных спаев отводится
ребрами охлаждения. Термобатарея каждой колонки состоит
из 384 термоэлементов из ZnSb (p-тип) и константана (п-тип).
Такое устройство агрегата создает перепад температур от 400
на горячем спае до 130° С на холодном, что обеспечивает к. п. д.
термобатареи ~2%. Колонки ТЭГ-300 могут быть включены
как параллельно, так и последовательно, что увеличивает на-
пряжение от 4 до 24 в соответственно. Топливом для горелок
служит природный газ, подводимый от магистрали газопро-
вода или от баллонов. Расход топлива 0,8 мР/ч. Общий к. п. д.
установки 1%. ТЭГ-300 успешно прошел испытания в течение
многих тысяч часов.
Для этих же целей в США было изготовлено 19 ТЭГ, поз-
воляющих провести широкую проверку их пригодности в каче-
стве источников энергоснабжения для станций катодной за-
щиты [127—134]. ТЭГ мощностью 15 вт(эл.) установлен в
ноябре 1961 г. на линии трубопровода, где были изучены его
энергетические и экономические характеристики. После этого
были установлены: один ТЭГ мощностью 4, три — по 15 и
остальные — по 8 ет^эл.). Они обслуживали 90 миль трубопро-
вода в Канзасе при токе 2,2 а, 50 миль — в Небраске при токе
2,5 а и 50 миль — в Вайоминге при токе 1,5 а. Эти исследования
ч показали, что стоимость каждого ТЭГ 10 долларов в месяц и
они эффективны на труднодоступных линиях газопроводов.
Почти одновременно были созданы фирмой «Висконсин»
ТЭГ на пропане мощностью 8 вт(эл.) для катодной зашиты
газопровода длиной 5 миль [128], а фирмой «ЗМ» — ТЭГ на
пропане мощностью 4 вт(эл.) для питания радиотелефонной
станции.
Для питания автоматической радиорелейной станции был
создан ТЭГ, работающий на пропане [129, 134].'Он состоит из
газовой горелки, обогревающей горячие спаи плоской термо-
батареи, тепло которой отводится охлаждающими ребрами.
Пропан содержится в специальном баллоне, давление которого
для подачи в горелку дросселируется двумя клапанами. ТЭГ
вырабатывает ток 0,5 а при напряжении ^12 в. Стоимость
его эксплуатации — 0,05 доллар/сутки.
Для катодной защиты газового трубопровода Монтана—
Дакота длиной 3335 миль также был опробован ТЭГ на орга-
ническом топливе [130]. Его конструктивная схема аналогична
ТЭГ ТГК-3 и ТЭГ-300. Газовая горелка, находящаяся в центре,
обогревает горячие спаи термобатареи, тепло от которой сни-
мается охлаждающимися ребрами. Для опытной эксплуатации
был изготовлен ТЭГ мощностью 8 вт(эл.) при токе ~2 а.
303
Главный критерий пригодности установки — ее ресурс, равный
11 лет. Но при работе станции катодной защиты 50 миль газо-
провода мощность его за 3 года упала от 8,9 вт(эл.) при на-
пряжении 3,3 в и токе 2,7 а до 6,2 вт(эл.) при напряжении
3,1 в и токе 2 а. Фирмой «Дженерал инструмент» также был
разработан ТЭГ для катодной защиты, работающий на природ-
ном газе [131]. Модификации установки имели мощность 4 и
50 вт(эл.). Фирмой «ЗМ» созданы два ТЭГ мощностью 100
и 200 вт(эл.) [131]. Обе установки могут работать на пропане,
бутане или природном газе.
Рис. 6.47. Зависимость к. п. д. т] и
мощности W от 7"г
от пропановой горелки [128]. Его
Напряжение их может из-
меняться в зависимости от
схемы включения термомо-
дулей и составлять 6, 12 или
24 в.
Фирмой «Вестингауз» из-
готовлены два ТЭГ мощ-
ностью 20 и 35 вт (эл.),
работающие на пропане, бу-
тане или природном газе
[131]. Напряжение генера-
торов 6 в. Термобатарея со-
стоит из 12 модулей. ТЭГ
фирмы «Манпак» предназ-
начен для питания станций
службы погоды и работал
термобатарея состояла из 278
термоэлементов полезной мощностью 260 вт (эл.) при напря-
жении 27 в и к. п. д. 6,9%. Для энергоснабжения автоматиче-
ских метеостанций, находящихся в море, был создан ТЭГ, ра-
ботающий от сжигания пропана, мощностью Б вт (эл.) и весом
240 кГ [132].
Интересен ТЭГ, предназначенный для зарядки аккумуля-
торных батарей и энергопитания ламп [133], В его конструк-
ции была использована схема SNAP-3. Расположенная в центре
газовая горелка со всех сторон окружена термоэлементами
из РЬТе. Тепло от термоэлементов отводится охлаждающими
ребрами. С торцов установка закрыта изоляцией и герметич-
ными крышками. Термобатарея состоит из 102 термоэлементов.
Отдельная ветвь элемента имеет длину 20 и диаметр 4 мм.
Заполнение термоэлементами площади горения составляет
32%. При температуре горячего спая 500° С ТЭГ вырабатывал
мощность 10 вт(эл.). К. п. д. горелки равен 67%. Испытания
этого генератора с электронагревателем позволили получить
зависимость к. п. д. и полезной мощности термобатарей от
температуры горячего спая при температуре холодного спая
35° С (рис. 6.47). К. п. д. термобатареи достаточно высок и
достигает 6—7% при 500°С, а к. п. д. всей установки ~5%.
304
ТЭГ фирмы «Вестингауз» работал от керосиновой горелки
и имел мощность около 5 квт(эл.) [135—137]. Термобатарея
состояла из двух панелей, расположенных вокруг топки.
Охлаждение осуществлялось проточной водой. ТЭГ предла-
гался для экспериментальных целей в качестве прообраза для
реакторных морских установок.
Во Франции был изготовлен ТЭГ для энергоснабжения
телеграфных станций [138]. Источником тепла в нем служила
газовая горелка, работающая на пропане или бутане. Термо-
батарея охлаждалась естественной конвекцией при помощи
специальных ребер. Мощность установки составляла 50 вт(эл.)
при напряжении 12,5 в и токе 4 а. Вес генератора равен 30 кГ
при общих габаритах 40X25X30 ел.
Два ТЭГ, созданные в Англии, предназначены для станций
катодной защиты [12]. Они работают на природном газе, про-
пане или бутане, имеют мощность 100 и 200 вт(эл.) и успешно
эксплуатируются на нефтепроводе в Ливии с 1966 г., защищая
участок длиной 64 км при токе 15,6 а.
Новым в области применения ТЭГ следует считать их при-
способление для питания электрооборудования автомобилей
и тракторов (и других машин с двигателями внутреннего сго-
рания) при использовании тепла отработанных газов двигате-
лей [139]. В этом случае ТЭГ работает совместно с аккумуля-
тором, и кроме повышения к. п. д. двигателя при использовании
части тепла отработанных газов он может заменить обычные
генераторы постоянного тока на автомобилях. При этом ТЭГ
должен обладать довольно высокой мощностью 350—
500 ет(эл.) В целях исследования таких ТЭГ в качестве пер-
вых проработок была исследована работа термомодуля при
разных температурных режимах работы двигателя. Для тер-
моэлементов использовались стандартные низкотемпературные
материалы. Термомодуль закреплялся на выхлопной трубе
одноцилиндровой дизельной установки мощностью 6 л. с. При
этом измерялись температура на термоэлементе и э. д. с.
Энергетические характеристики измерялись на имитирующем
двигатель стенде в определенных температурных режимах.
В результате был получен к. п. д. термоэлемента 5,5% при
разности температур 246° С. Э. д. с. термомодуля составляла
73 мв, а его мощность 0,08 вт(эл.). В ходе работы было пока-
зано, что успешное решение этой проблемы требует интенсифи-
кации теплопередачи на горячем спае путем, искусственной
турбулизации потока и уменьшения переходных контактных со-
противлений теплоконтактного пакета. Указано также, что
внедрение таких ТЭГ в промышленность требует получения ма-
териалов с высокой добротностью в интервале температур от
комнатной до 800° С.
К этой же группе следует отнести ТЭГ, работающие за счет
тепла отработанных газов реактивных двигателей, возможность
305
создания которых принципиально была показана в работе
[140]. Особенностью и преимуществом таких аппаратов сле-
дует считать их малое время работы — порядка нескольких
минут (в цитируемой работе указано 30 сек). При этом показа-
но, что при перепаде температур ~500° С можно получить
удельную мощность до 140 вт/кГ.
Основной недостаток всех созданных ТЭГ на органическом
топливе — очень низкий к. п. д. вследствие большого уноса
тепла продуктами сгорания. От его повышения в первую оче-
редь зависит более широкое применение ТЭГ в энергетике,
причем в основу решения должен лечь, очевидно, принцип соз-
дания крупных парогенераторов, где вопросы теплоуноса раз-
работаны наиболее экономично.
В заключение следует отметить очень широкие области при-
менения ТЭГ на органическом топливе и возможность успеш-
ной замены ими энергоустановок других типов при мощностях
до 1—10 кет (эл.).
6.5.	СОЛНЕЧНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Первые термоэлектрические генераторы использовали
энергию солнечных лучей. Первые упоминания о таких опыт-
ных установках относятся к концу прошлого — началу нашего
века. Это вполне объяснимо, если учесть постоянное стремле-
ние использовать энергию Солнца. В настоящее время область
применения энергетических солнечных установок определена
более четко. Следует отметить, что еще нет серийного производ-
ства солнечных ТЭГ и даже нет отдельных эксплуатируемых
установок. Все известные типы солнечных ТЭГ, несмотря на их
самую долгую историю, представляют собой опытные установ-
ки, на которых проверяются и отрабатываются отдельные за-
дачи этой проблемы.
ТЭГ без концентраторов появился еще в начале XX в., и
с тех пор его принципиальная конструкция существенно не из-
менилась. Солнечные ТЭГ этого типа представляют собой уст-
ройства типа «горячего ящика» [141—144]. Тепло от холодных
спаев отводится проточной водой или охлаждающими ребрами.
ТЭГ, созданный в СССР, состоял из термоэлементов ZnSb—
константан. Термомодуль имел вид блока с 12 последовательно
соединенными термоэлементами. Вся термобатарея компанова-
лась из 70 модулей. Общая площадь горячих спаев равнялась
0,068 л2. Со стороны горячих спаев в горячем ящике было
установлено двухслойное остекление, холодные спаи охлажда-
лись проточной водой. Температура горячих спаев составляла
45° С, а холодных — 25° С и мощность достигала 0,0195 вт(эл.).
К. п. д. всей установки при этом составлял 0,035%, к. п. д.
термобатарей 0,1%. Просветлением защитных стекол увеличить
разность температур можно незначительно.
306
На этом же принципе во Франции создан более мощный
ТЭГ (рис. 6.48) общей площадью нагрева 17 м2. На горячем
спае термобатареи было установлено остекление, а холодные
спаи охлаждались ребрами. Термобатарея была собрана из
низкотемпературных материалов на основе В12Те3. При солнеч-
ной радиации 850 вт/м2 общая мощность ТЭГ составляла 60-
Рис. 6.48. Солнечный ТЭГ типа «горячего ящика»
90 вт. Вырабатываемая им энергия шла на зарядку аккумуля-
торных батарей.
Основной недостаток таких ТЭГ—малый перепад темпе-
ратур на их термоэлементах и, как следствие этого, малый
к. п. д. всей установки. Несколько эффективнее ТЭГ могут ра-
ботать в космосе, где уровень солнечной радиации выше. Тогда
предлагается создание тонкослойных панелей термобатарей из
Bi2Te3 с непосредственным нагревом их горячих спаев (надоб-
ность в остеклении в космосе отпадает) [145, 146]. Охлажде-
ние возможно с помощью излучающих пластин. Такие солнеч-
ные космические панели могут вырабатывать 40 вт/м2 и иметь
весовые характеристики до 50 вт/кГ. На этом принципе пред-
лагается проект солнечного ТЭГ мощностью 10 кет и весом
менее 200 кГ.
Солнечные ТЭГ с концентраторами солнечной энергии по
своим конструктивным схемам делятся на два типа-, с одним
концентратором и расположенной в его фокусе термобатареей
и с большим числом маленьких концентраторов, в фокусах ко-
торых размещено по одному термоэлементу. Основная труд-
ность конструирования солнечных ТЭГ — создание равномер-
ной температуры горячих спаев термобатареи, размещенной в
фокусе, поскольку тепловой поток в фокальном пятне распре-
деляется по кривой Гаусса. Этот вопрос может быть решен
различными путями, хотя следует указать, что лучшее решение
пока не найдено.
307
Первый солнечный ТЭГ с концентратором был создан в
СССР и представлял собой точный зеркальный концентратор
диаметром 2 м, в фокусе которого размещалась плоская термо-
батарея из ZnSb — константана [143]. На горячей стороне ба-
тареи помещена медная плита толщиной 5 мм, к шлифованной
поверхности которой через слюдяную изоляцию прижимались
горячие спаи термоэлементов. Тепло отводилось проточной во-
дой. При разности температур 400° (420° С на -горячем спае)
мощность установки достигала 20 вт при напряжении 20 в, что
соответствует к. п. д. термобатареи 1,42%, а к. и. д. всей
установки 0,8%. Значительные потери в к. п. д. относятся на
счет потерь отражением и поглощением зеркала и излучением
и конвекцией от горячей медной плиты термобатареи.
В последующем были созданы и испытаны солнечные ТЭГ,
в которых горячие спаи термобатареи нагревались непосредст-
венно от концентратора, а выравнивание температур по их
поверхности достигалось созданием требуемой конфигурации
поверхности. Однако, ввиду большой сложности создания таких
термобатарей, эти установки пока не дали положительных ре-
зультатов. Нужно тем не менее подчеркнуть, что это направле-
ние — одно из самых правильных и эффективных.
Выравнивание температуры горячих спаев термобатареи
было осуществлено по-другому в солнечном ТЭГ мощностью
10 вт [147, 148]: применением фацетного концентратора диа-
метром 1 м. Фацетный концентратор состоял из большого ко-
личества концентрически расположенных плоских зеркал.
Каждое зеркало шарнирно закреплено на каркасе, так что оно
может быть сфокусировано в любую точку термобатареи.
Специальной фокусировкой каждого фацета в отдельности
на горячем спае термобатареи было достигнуто довольно рав-
номерное распределение температур. Термобатарея состояла
из десяти термомодулей, причем каждый состоял из 18 после-
довательно соединенных термоэлементов BiaTes—ЗЬгТез (р-тип)
и РЬТе (й-тип), скоммутированных друг с другом при помощи
никелевых слоев одновременным прессованием. Общая пло-
щадь термобатареи составляла 0,01 м2. Горячие спаи термо-
батареи непосредственно освещались солнечными лучами, а,
холодные охлаждались проточной водой.
На рис. 6.49 приведены значения мощности и перепада
температур этого ТЭГ в зависимости от солнечной радиации.
При радиации 750 ккал/(мР-ч) разность температур на термо-
батарее составляет -~185° и мощность ~10 вт. Одновременно
проверялась зависимость мощности от сопротивления нагрузки
при различной солнечной радиации (рис. 6.50). Внутреннее со-
противление термобатареи равняется 3—3,5 ом и увеличивается
с ростом радиации, а следовательно, и средней температуры
полупроводника. Установка малоинерционна, что в принципе
относится ко всем типам ТЭГ (разница в теплоемкостях си-
308
стемы). Мощность поднимается до стационарного значения
через 3—4 мин после начала работы и уменьшается после де-
фокусировки за 8 мин практически до нуля (рис. 6.51). ТЭГ
работал достаточно длительное время и показал хорошую ста-
бильность энергетических
характеристик.
Температуру горячего
спая термобатареи в случае
фацетного концентратора
также можно выравнивать
созданием разновысоких
концентрически располо-
женных	термоэлементов
[149]. Поскольку тепловой
поток в фокальном пятне
уменьшается по мере удале-
ния от центра, то и длины
термоэлементов должны
пропорционально увеличи-
ваться (с учетом темпера-
турной зависимости тепло-
проводности) для получения
на всех элементах одинако-
вого перепада температур.
Учитывая, что внутреннее со-
противление разновысоких
термоэлементов различно,
включать их в общую цепь
желательно параллельно.
Сложность изготовления та-
ких установок заключается
в конструкционных и техно-
Рис. 6.49. Зависимость мощности W
и разности температур ТЭГ с фа-
цетным концентратором от солнеч-
ной радиации Qp
логических трудностях ИЗГО- Рис. 6.50 Зависимость мощности от
товления термобатареи. сопротивления нагрузки ТЭГ с фа-
Солнечный ТЭГ, пред-	цетным	концентратором
ставляющий собой набор
небольших концентраторов с термоэлементами в фокусе, был
разработан в СССР. Данные о его энергетических характеристи-
ках не приводились. Подробное исследование этой схемы вы-
полнено в США [150]. Здесь основой конструкции является еди-
ничный блок, представляющий собой параболоидный концент-
ратор, отражающая поверхность которого собирает солнечные
лучи в фокус, где расположен приемник тепла с термоэлементом
на раздвоенном опорном стержне. Последний установлен на
сферической опоре.
Приемник тепла представляет собой сферическую поверх-
ность, имеющую покрытие с высоким коэффициентом погло-
щения. Сфера крепится на теплопроводящем конусе с покры-
309
тием, снижающим потери тепла излучением. Основание кону-
са — поверхность горячих термоэлементов, а холодные спаи —
верх опорного устройства, разделенного электроизолятором,
поскольку термоэлемент представляет собой два полуцилиндра
п- и p-типов. Отводимое тепло проходит через стержень и элек-
трическую изоляцию толщиной 0,0025 мм к фланцу и концен-
тратору. Тепло, проходя по концентратору, отводится с его
Время, мин
Рис. 6.51. Характеристики ТЭГ с фа-
цетцым концентратором в периоды
иатрева (1) и охлаждения (2)
Рис. 6.52. Зависимость мощности
солнечного ТЭГ от солнечной ра-
диации:
--------- расчетная; значки — экспери-
ментальные данные
поверхности излучением. Используя блок, можно изготовить,
панели различных форм и размеров. Эта схема имеет ряд пре-
имуществ: отдельные элементы легко снять для ремонта, кон-
фигурация установки обладает большой гибкостью, что особен-
но важно у космических генераторов, упрощены учет и ком-
пенсация температурных-деформаций.
Для проверки работы этой схемы была изготовлена и испы-
тана действующая конструкция такого типа, состоящая из
56 блоков. На рис. 6.52 приведена зависимость ее мощности от.
солнечной радиации. При 860 ккал/(м2-ч) мощность генерато-
ра достигает 5 вт. На основе полученных данных выполнен
расчет возможной конструкции солнечного ТЭГ для космиче-
ских целей. Показано, что генератор из 676 блоков может вы-
работать мощность 243 вт при весе ~8 кГ (размеры блока
могут колебаться в пределах изменения диаметра концентра-
тора от 7 до 10 см).
В последние годы создано несколько солнечных ТЭГ с кон-
центраторами, имеющих промышленное значение. Прежде всего
это генератор для подъема глубинных вод [151, 152]. Его раз-
рез дан на рис, 6.53. Ветви 3 р- и n-типов из низкотемператур-
310
ных материалов жестко крепятся по стороне охлаждения на
торце цилиндра 9 из алюминия, разделенного изоляционной
прокладкой 10. Коммутация горячих спаев 1 имеет тепловой
компенсатор 2. Вся сборка ведется на пластмассовом плоском
корпусе 5, внутри которого протекает охлаждающая вода.
Термоэлементы уплотняются кольцами 8 и гайкой 6. Холодная
коммутация 7 осуществлена
гибкими шинами. ТЭГ снаб-
жен отражающим экраном 4,
позволяющим улавливать скон-
центрированные лучи. В экс-
периментальном варианте по-
верхность ТЭГ составляла
140 см2. Концентратором яв-
лялся параболоид диаметром
1,4 м. Экспериментальные ха-
рактеристики этого ТЭГ даны
в табл. 6.5. В окончательном
варианте ТЭГ работал с пара- Рис. 6.53. Конструкция солнечного
болоидным концентратором	тэг
диаметром 4,86 м и вырабаты-
вал мощность около 0,3 кет при напряжении 20 в [153]. Он пи-
тал электроэнергией электромотор, приводящий в действие во-
дяной насос.
Рис.	6.54. Солнечный
ТЭГ	полостного типа
с тепловым аккумуля-
тором:
/ — термоэлектрическая ба-
тарея; 2 — изоляция; 3 —
концентрированный поток
солнечной радиации; 4 —
приемная полость; 5 — теп-
ловой аккумулятор; 6 — теп-
ловой. излучатель; 7 — откач-
ная трубка
Солнечный ТЭГ полостного типа [154] состоит (рис. 6.54)
из приемной полости, теплового аккумулятора из гидрида ли-
тия и собственно термобатареи из GeBiTe и РЬТе и предназ-
начен для космических целей. Имеется проект такого ТЭГ
мощностью 150 вт с концентратором диаметром 2,44 м. Темпе-
311
Таблица 6.5
Характеристики солнечного ТЭГ [151]
Параметр	Перепад температур, К				
	195	229	267	303	350
Мощность, вт	2,1	3,0	3,9	4,70	5,4
К. п. д., %	1,82	2,08	2,38	2,44	2,54
Э. д. с., в Внутреннее сопротивление, ом	1,91	2,46	2,98	3,3	3,9
	0,443	0,514	0,57	0,63	0,71
Коэффициент концентрации, %	46	55	65	83	103
ратура горячих спаев составляет 550—500° С, а холодных 80° С,
к. п. д. может достигать 5,83 %.
Представляет интерес использование кольцевой термобата-
реи с тепловой трубой, нагреваемой параболоцилиндрическим
Рис. 6.55. Конструктивная схема
солнечного ТЭГ:
/ — концентратор; 2 —тепловая труба; 3 —
штуцер для охлаждающей воды; 4— ру-
башка охлаждения; 5 — термоэлектриче-
ский модуль; 6 — теплозащитная изоля-
ция
концентратором [155] по схеме, изображенной на рис. 6.55.
К. п. д. такого устройства может достигать 3%.
66. КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
С ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРАМИ
С целью увеличения к. п. д. энергоустановок и полного ис-‘
пользования тепловой энергии, особенно при ядерных реактор-
ных источниках тепла, в последние годы начаты разработки
сложных комбинированных энергосистем, состоящих из ТЭГ и
других энергосистем. Известен проект паротурбинно-термоэлек-
трической системы [156], в которой холодные спаи термоба-
тареи охлаждаются органическим теплоносителем, поступаю-
щим затем в парогенератор, работающий по циклу Ренкина.
Расчеты показывают, что при мощности реактора 95 квт(т.)
эта установка может вырабатывать мощность 24,3 квт(эл.)^
т. е. иметь к. п. д. 25,6%.
312
Установка, составленная из термоэмиссионно-термоэлектри-
ческого преобразователя, может быть осуществлена по схеме,
при которой тепло, излучаемое анодом термоэмиссионного
элемента, генерируется горячими спаями термобатареи. К. п. д.
такой установки при общем перепаде температур от 2100 до
300°К (причем на долю ТЭГ
приходится перепад от 1100 до
300°К) может достигать по рас-
чету 35%. Выполненные про-
ектные и экспериментальные
работы в этом направлении
подтверждают эти значения
{157, 158]. Возможна также
(схема (рис. 6.56), в которой
тепло от термоэмиссионного
преобразователя на термоба-
тарею передается через тепло-
вую трубу. В этом случае
к. п. д. установки может дости-
гать 15,5—16,5% при мощно-
сти 50—150 квт (эл.) и весе
1—1,6 Т.
Путь улучшения энергетиче-
ских характеристик — создание
комбинированных установок —
может явиться одним из самых
перспективных и эффективных
способов создания энергоуста-
новок с высокими значениями
к. п. д. и лучшими энерговесо-
выми и габаритными характе-
ристиками. Следует, правда,
отметить, что его реализация
сопряжена с большими проб-
лемами, как теоретическими
(согласование режимов рабо-
ты и электрических характери-
стик отдельных типов преобра-
зователей), так и технологиче-
скими (обеспечение теплопере-
носа по всей комбинированной
схеме преобразователя без су-
щественных потерь и механи-
ческой прочности конструкции
в течение ресурса работы).
Рис. 6.56. Радиоизотопный ТЭГ с
комбинированным термоэмиссион-
ным и термоэлектрическим преобра-
зователями энергии ТЭП — ТЭГ:
/ — тепловые сопротивления; 2 — цезиевый
резервуар; 3 — трубка для паров цезия;
4 — термоэлектрические преобразователи;
5— натриевая тепловая труба; 6 — внут-
ренний корпус; 7 —медные жгуты; в —на-
ружный корпус; 9 — анод-коллектор; J0—
эмиттер; 11 — топливный блок с актини-
ем-227; 12 — теплоэкраннрующая изоляция
из фольги; 13 — межкорпусное пространст-
во; 14 — трубка для удаления гелня из
радиоизотопного блока
э, по-видимому, существенное
улучшение характеристик таких установок компенсирует уси-
лия, затраченные на преодоление указанных трудностей их соз-
дания. *
313
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Plevyak Т. J. «Adv. Energy Conf.», 1966, v. 6, p. 2.
2.	Черкасский A. X. «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1967,
№ 3, с. 45.
3.	Воронин А. Н. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы. Изд. 2-е.
Л., ЛДНТП, 1957.
4.	Охотнн А. С., Малевскнн Ю. Н. Исследование полупроводниковых тер-
моэлементов. — В сб.: -Теплоэнергетика. Вып. 2. М., Изд-во АН СССР,
1960, с. 78.
5.	Abowitz G. А. е. a. «Semicond. Prod. Sol. Stat. Technology», 1965,
v. 2, p. 18.
6.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. M.—Л., Изд-во АН
СССР, 1960.
7.	McDonald R. D. In: Advanced Energy Conversion Engineering. N. Y„
1967, p. 791.
8.	Nasby R. D., Burgess E. L. Proc. 7th Intersociety Energy Conversion En-
gineering Conf., San Diego, 1972, 'Washington, 1972, p. 130.
9.	Марнман M. А. и др. «Гелиотехника», 1973, т. 3, с. 32.
10.	Rocklin S. R. In: Advanced Energy Conversion Engineering. N Y.,
1967, p. 207.
11.	Rouklove P. Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering Conf.,
3—5 August 1971, Boston, USA.
12.	Иорданишвили E. И. Термоэлектрические источники питания. M., «Совет-
ское радио», 1968.
13.	«Phys. Rev.», 1962, v. 125, р. 44.
14.	Лндоренко Н. С. и др. «Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт», 1969,
№ 5, с. 90.
15.	Макаров В. С., Черкасский А. X. Напор-расходная характеристика и
к. п. д. термоэлектромагинтного насоса. — «Магнитная гидродинамика»,
1969, т. 3, с. 127.
16.	Perlow М. A., Davis К. A. «Trans. Amer. Nucl. Soc.», 1965, v. 8,
N 1, p. 160.
17.	Pushkarsky A. S., Okhotin A. S. Radioisotopic and reactor thermoelectric
converters of energy. — Atomic Energy Review, 1971, v. 9, N 2, p. 25L
18.	Манасян Ю. Г. Судовые термоэлектрические устройства и установки. Л.,
«Судостроение», 1968.
19.	Поздияков Б. С., Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика. М.,
Атомнздат, 1974.
20.	Fowler G. A. Paper N 826 (USA) at Third United Nations International
Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 1964.
21.	Высокотемпературный реактор прямого преобразования «Ромашка».
Доклад № 873 иа Третьей международной конференции по мирному ис-
пользованию атомной энергии. Женева, 1964. (Авт.: М. Д. Миллионщи-
ков, И. Т. Гвердцнтелн и др.).
22.	Основные результаты 15000 — часовых испытаний высокотемпературной»
реактора-преобразователя «Ромашка». — «Атомная энергия», 1964, т. 17,
№ 5, с. 329. (Авт.: М. Д. Миллионщиков, И. Т. Гвердцнтелн и до.).
23.	Weselsky J. С. «Atomwirtschaft», 1966, Bd 11, N 8/9, S. 454.
24.	Петросьянц A. M. «Атомная энергия», 1967, т. 23, № 5, с. 379.
25.	Займовскнй А. С., Калашников В. В., Головин И. С. Тепловыделяющие
элементы ядерных реакторов. Изд. 2-е. М., Атомиздат, 1966.
26.	Gverdsiteli J. G. е. a. Paper presented at 4th Annual Intersociety Energy
Conversion Engineering Conf., Washington, 1969.
27.	Dieckamp H. M., Balent R., Wetch J. R. Proc. Third United Nations Inte-
rnational Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy. A/Conf.
28/P/218.
28.	Johnson R. A., Morgan W. T., Rocklin S. R. «SAE Journ.», 1966, v. 74,
N 3, p. 92.
314
29.	Brunings J. E,, Johnson С. E. «Meeh. Engng», 1967, v. 21, N 2, p. 34.
30.	«Engineer», 1966, v. 221, N 5749, p. 535.
31.	Polak H. «Brit. Nucl. Energy Soc.», 1969, v. 7, N 3, p. 243.
32.	Berg G. E. «Nucl. Sei.», 1967, N S-14, p. 4.
33.	Budney G. S. «Amer. Soc. Trans.», 1966, v. 9, N 2, p. 338.
34.	«Spaceflight», 1966, v. 8, N 9, p. 320.
35.	Thermoelectromagnetic pump. — «Astronautics and Aeronautics», 1965, v. 3,
N 9, p? 97.
36.	Brunings J. E., Johnson С. E. «Meeh. Engng», 1967, v. 21, N 5, p. 34.
37.	Wetch J. R. «Nucleonics», 1966, v. 24, N 6, p. 33.
38.	Van Osdol J. H., Howard J. M. Proc. Intersociety Energy Conversion En-
gineering Conf., Las Vegas, 1970, v. 2. Hinsdale, 1972, p. 13.
39.	Gylfe J. D., Van Osdol J. H. Status report on small reactor-thermoelectric
power systems for unmanned space applications. — Proc. 4th Intersociety
Energy Conversion Engineering Conf., Washington, 1969, N. Y., 1969, p. 300.
40.	25kWe reactor thermoelectric power system for manned orbiting space
stations. — Ibid., p. 308. (Auth.: J. D. Gylfe e. a.)
41.	Ross F. A. e. a. In-. Advanced Energy Conversion Engineering. N. Y.,
1967, p. 711.
42.	Gervacs R. E., Kirklamd V. D. Paper N 1081, AIAA, 1969, p. 13.
43.	Hodgson J. N. e.a. In: Advanced Energy Conversion Engineering, N.Y., -
1967, p. 135.
44.	Gylfe J. D. Ibid, p. 699.
45.	Wetck J. R. «Nucleonics», 1966, v. 24, N 6, p. 33.
46.	Dufrane K- J. «Aircraft», 1966, v. 3, N 4, p. 376.
47.	«Interavia Air Letter», 1966, N 6099, p. 11.	.
48.	«Engineering Clearing House», 1966, v. 12, N 36, p. 2.
49.	«Trans. Amer. Nucl. Soc.», 1966, v. 6, N 2, p. 317.
50.	«Appl. Atomics», 1965, N 521, p. 9.
51.	«Appl. Atomics», 1962, N 373, p. 6.
52.	Кодюков В. M., Рагозннский А. И., Фрадкин Г. М. «Изотопы в СССР»,
1968, т. 12, с. 60.
53.	Makefkey Е. Т., Berganini С. D. F., Elias D., Gray I. L. «SAE Journ.»,
1966, v. 74, N 5, p. 48.
54.	Joint UKAE—ENEA international symposium on industrial applications for
isotopic power generators A.E.R.E. Harwell, 1966.
55.	Влияние некоторых радиационно-физических характеристик изотопных
топлив на конструкцию н эксплуатационные параметры радиоизотопных
генераторов энергии. — В сб.: Тезисы докладов на Всесоюзной научно-
технической конференции «XX лет производства и применения изотопов
и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР». Минск,
1968. М., Атомиздат, 1968. (Авт.: В. М. Кодюков и др.).
56.	Воронин А. М., Гвердцнтелн И. Т. Доклад № 318 на Третьей междуна-
родной конференции по использованию атомной энергии в мирных целях.
Женева, 1964.
57.	Фрадкнн Г. М., Кодюков В. М., Рагозннский А. И. Изотопные источники
электрической энергии. — В сб.: Радиационная техника. Вып. 1. М., Атом-
нздат, 1967, с. 5.
58.	Фрадкнн Г. М., Кодюков В. М. «Атомная энергия», 1969, т. 26,
№ 2, с. 169.
59.	Fradkin G. М. Radioisotopic heat and electric generators, USSR,
Nuclex-69.
60.	Казаков E. А. Изотопные источники электрической энергии для питания
автоматических метеорологических станций. — В сб.: Радиационная тех-
ника. Вып. 1. Труды ВНИИРТ. М., Атомиздат, 1967, с. 313.
61.	Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «XX лет
производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в
народном хозяйстве СССР». Минск, 1968. Секция: Производство изото-
пов.'М., Атомиздат, 1968.
315
62.	Радиоизотопные термоэлектрические генераторы типа «Бета». — В сб.:
Радиационная техника. Вып. 3. Труды ВНИИРТ. М„ Атомиздат, 1969.
(Авт.: Г. М. Фрадкин, В. М. Кодюков, А. И. Рагозинский, Е. А. Каза-
ков.).
63.	Корлис У., Харви Д. Источники энергии на радиоактивных изотопах. Пер.
с англ. М., «Мир», 1967.
64.	«Misseles and Rockets», 1960, v. 7, N 7, p. 15.
65.	Mayes R. E. «Flugwelt», 1963, Bd A, S. 310.
66.	«Isotopes and Radiation Technology», 1966, v. 3, N 3, p. 286.
67.	«Product Engineering», 1964, v. 35, N 1, p. 45.
68.	«Engineering», 1966, v. 201, N 5205, p. 122.
69.	Dobiner R. Undersea atom power: Wave of the future. — «Electronic De-
sign», 1966, v. 14', N 7, p. 20.
70.	Poole M. J. «Brit. Nucl. Energy Soc.», 1967, v. 6, N 3, p. 207.
71.	Campana R. Inter. Aerospace Abstracts, 1966,, v. 6, N 12, p. 1911.
72.	«Electronic Design», 1965, v. 13, p. 22.
73.	«Aviation Week and Space Technology», 1966, v. 84, N 1, p. 54.
74.	«Nucleonics Week», 1968, v. 9, N 24, p. 7.
75.	«Atomwirtschaft», 1968, Bd 13, N 3, S. 274.
76.	Сиборг Г. T. Доклад на симпозиуме Американского химического обще-
ства по микроскопическим исследованиям актинидов, 1—5 апреля 1968,
Сан-Франциско, США.
77.	Fihelly A. W., Baxter С. F. «IEEE Trans.», 1970, v. 8, N 4, p. 255.
78.	Fihelly A. W. e. a. SNAP-19/Nimbus В integration experience. — Proc. In-
tersociety Energy Conversion Engineering Conf., Boulder, 1968. V. 1.
IEEE,, N.Y., 1968, p. 155.
79.	Fihelly A. W. e. a. Paper N 480, AIAA, 1970, p. 8.
80.	«Raumtakrtforschung», 1970, Bd 24, N 5, S. 210.
81.	Wick H. M. Tops; solar-independent power. — «Astronautics and Aeronau-
tics», 1970, v. 8, N 9, p. 86.
82.	«Astronautics and Aeronautics», 1969, v. 7, N 11, p. 46.
83.	Rouklove P., Truscello V. Long term tests of a SNAP-19 thermoelectric
generator. — Proc. 7th Intersociety Energy Conversion Engineering Conf.,
San Diego, 1972. Washington, 1972, p. 186.
84.	Stapter G., Rouklove P. Ibid., p. 149.
85.	«Tecnology Week», 1966, v. 19, N 13, p. 54.
86.	«Elecrtonics News», 1966, v. 11, N 552, p. 22.
87.	«Nucleonics», 1964, v. 8, p. 44.
88.	Fox F. K., Niendorf L. R. SNAP-21 10 watt thermoelectric power system.—
Proc. 4th Intersociety Energy Conversion Engineering Conf., Washington,
1969. N.Y., 1969, p. 146.
89.	Rouklove P., Truscello V. Ibid., p. 436.
90.	«Electronics Weekly», 1965, v. 246, p. 1.
91.	«Civil Devence», 1964, v. 16, N 6, p. 16.
92.	«Aviation Week and Space Technology», 1967, v. 86, N 11, p. 26.
93.	«Electronic News», 1967, v. 12, N 581, p. 25.
94.	Pitrolo A. A. e. a. SNAP-27 programs review. — Proc. 4th. Intersociety
Energy Conversion Engineering Conf., Washngton, 1969. N.Y:, 1969, p. 153.
95.	Prosser D. L. «Isotopes and Radiation Technology», 1970, v. 7, N 4, p. 443.
96.	Kahn S. F., Dohner С. V. Re-entry safety of isotopic systems. — «J. Spa-
cecraft and Rockets», 1969, v. 6, N 8, p. 939.
97.	«Communs News», 1969, v. 6, N 12„ p. 2.
98.	Kelly D. P., Avona V. L. «Isotopes and Radiation Technology», 1970, v. 7,
N 4, p. 448.
99.	«Engineering Digital (Can.)», 1970, v. 16, N 2, p. 61.
100.	Weiss G. «Flieger», 1970., v. 50, N 4, p. 117.
101.	«Space World», 1970, N G-7, p. 38.
102.	Waits R. N. «Sky and Telescope», 1970, v. 39, N 1, p. 11.
103.	Markow E. G. «Milit. Engng», 1970, v. 62, N 409, p. 306.
316
104.	Dawe R. H. e. a. Structuring the outer-planet spacecraft. — «Astronautics
and Aeronautics», 1970, v. 8, N 9, p. 89.
105.	Miller G. G., Truscello V. C. «Nucl. Appl. and Technol.», 1970, v. 9,
N 5, p. 722.
106.	«Space World», 1970, N G-10, p. 14.
107.	«Space World», 1970, N G-7, p. 36.
108.	«Interavia Air Letter», 1966, N 6149, p. 6.
109.	«Techfioiogy Week», 1966,( v. 19, N 23, p. 25.
110.	Sduve M. R. Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering Conf.,
Boulder, 1968, V. 1, N.Y, IEEE, 1968, p. 469.
111.	Wachtl W. W. Ibid., p. 194.
112.	Lyon W. C, Bustard T. S, Hiebert A. C. «Nucl Appl.», 1968, v. 4.
N 2, p. 79.
113.	Rocklin S. R. Design and development of a high efficiency cascaded and
segmented thermoelectric module. — Proc. Intersociety Energy Conversion
Engineering Conference, 13—17 August 1967, Maiami Beach, Florida,
1967, p. 207.
114.	«Technology Week», 1966, v. 19, N 3, p. 39.
115.	Linde D. W. 250-watt radioisotope thermoelectric power supply system.—
Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 13—
17 August, 1967. Maiami Beach, Florida, 1967, p. 197.
116.	A random intact reentry and earth burial study for radioisotope thermoe-
lectric generations. Ibid, p. 981. (Auth.: W. P. Kortier, E. W. Ungar,.
G. P. Whitacra, J. J. Katcham.)
117.	«Electrical Rev.», 1968, v. 182, N 7, p. 255.
118.	«Engineer», 1968, v. 225, N 5846, p. 23.
119.	«La Properite Ind. Nucl.», 1968, v. 11, N 19, p. 40.	4
120.	«Industries Atomiques», 1968, v. 12, N 11—12, p. 58.
121.	Freund J. «Energie Nucl.», 1968, v. 10. N 7, p. 430.
122.	Mouse J. Isotopic Power in Europe. — «Nucl. News», 1966, v. 9, N 5, p. 24,
123.	«Euratom», 1968, v. 7, N 3, p. 97.
124.	«Atomwirtschaft», 1968, Bd 13, N 8/9, S. 415.
125.	Воронин A. H. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы. Л,_
ЛДНТП, 1956.
126.	Даниэль-Бек В. С, Рогинская Н. С. Термоэлектрогенераторы. Л, Связь-
из дат, 1961.
127.	Hill L. Н. «Oil and Gas J.», 1964, v. 62, N 30, p. 158.
128.	Fritts R. W. «Proc IEEE», 1963, v. 51, p. 5.
129.	Soderholm L. G. «Design News», 1964, v. 19, N 11, p. 38.
130.	Price D. P., Swede K. «Gas», 1964, v. 40, N 7, p. 83.
131.	«Petroleum times», 1966, v. 70, N 1794, p. 609.
132.	«Electronic Design», 1960, v. 8, N 26, p. 16.
133.	Bargen D. W. «Adv. Energy Conv.», 1963, v. 3, N 2, p. 507.
134.	«Corrosion Technology», 1969, v. 11, N 7, p. 25.
135.	«Electrical Engineering», 1961, v. 80, N 1, p. 52.
136.	«Misseles and Rockets», 1960, v. 6, N 21, p. 34.
137.	«Instrument practice», 1959, v. 13, N 7, p. 757.
138.	Guennoc H., Stoll1 R. «Rev. franc, energies, 1965, v. 175, N 17, p. 207.
139.	Файнзильберг Э. M., Драбкии Л. M. «Автомобильная пром-сть». 196£>
т. 32, № 7, c. 9.
140.	Hawkins. Proc. Conf. 11-th Nat. Convent, 1960, p. 218.
141.	Церасскин В. К. «Русский астрономический календарь», 1909.
142.	Telkes М. J. «Appl. Phys.», 1954, v. 25, р. 765.
143.	Баум В. А., Охотин А. С. «Теплоэнергетика», 1957, т. 8, с. 68.
144.	Кампайна Р., Роус Дж. Предварительная разработка конструкций и
оценка характеристик солнечного термоэлектрического плоского гене-
ратора. — В сб.: Энергетические установки для космических аппаратов.
Пер. с англ. М., «Мир», 1964, с. 131.
145.	«Electronic Design», 1964, v. 12, N 8, p. 28.
317
146.	Солнечный термогенератор мощностью 10 вт. — В сб.: Теплоэнергетика.
Вып. 3. М., Изд-во АН СССР. 1961, с. 73. (Авт.: Г. А. Алатырцев,
В. А. Баум, Ю. Н. Малевскнй, А. С. Охотнн.)
147.	Баум В. А. и др. Доклад № 118 на Конференции ООН по новым источ-
никам энергии. Рим, 1961.
148.	Абдулаев Г. Б. н др. Доклад на Всесоюзной конференции по использова-
нию солнечной энергии. Ашхабад, 1965.
149.	Лэнг Р., Любин В. Соответствие экспериментальных и теоретических ха-
рактеристик единичного блока солнечной энергетической установки с тер-
моэлектрическим преобразователем. — В сб.: Использование солнечной
энергии при космических исследованиях. Пер. с англ. М., «Мир»,
1964, с. 281.
150.	Алатырцев Г. А, В сб.: Преобразователи солнечной энергии на полупро-
водниках. М., «Наука», 1968, с. 7.
151.	Гаибназаров М. и др. Там же, с. 12.
152.	Баум В. А. и др. Доклад СССР № 1, представленный на VII конгресс
Мировой энергетической конференции. М., август 1968.
153.	Namber D. A., McCabria J. R. Space Power System Engeneering. N. Y.—
London, Acad. Press, 1966, p. 851.
154.	Марнмаи M. А. и др. «Гелиотехника», 1974, т. 1, с. 23.
155.	Howard J. М. Proc. Intersociety Energy Conversion Engineering Conf.,
Boulder, 1968, V. 1. N. Y„ IEEE, 1968, p. 533.
156.	Термоэмиссионное преобразование энергии. — В сб. докладов на II Меж-
дународной конференции по термоэмиссионному преобразованию в Стрезе,
Италия, 1968. М„ ВНИИТ, с. 313.
157.	Fischer W., Langpape R. «ВВС-Nachrichten», 1969, Bd 51, NILS. 616.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.......................................................3
Предисловие ко второму изданию..................................  5
Глава 1. Фнзико-энергетические основы	термоэлектричества	...	6
1.1. Современное состояние теории	термоэлектричества	....	&
1.2. Энергетические возможности термоэлектрических преобразова-
телей..............................................................23
Список литературы ,.................................................40
Г л а в а 2. Материалы дли термоэле1о:рогенераторов .	....	42
2.1.	Классификация материалов и требования к ним...................42
2.2.	Низкотемпературные	термоэлектрические	материалы	...	43
2.3.	Среднетемпературные	термоэлектрические	материалы	...	53
2.4.	Высокотемпературные	термоэлектрические	материалы	.	.	.	63
2.5.	Коммутационные и изоляционные материалы.......................69
2.6.	Технология приготовления термоэлектрических материалов и
элементов....................................................  ...	71
Список литературы....................................................86
Глава 3. Расчет термоэлементов и одноэлементных термоэлектро-
геиераторов ........................................................ 90
3.1. Элементарный энергетический расчет термоэлементов ...	90
3.2.	Учет температурной зависимости термоэлектрических свойств
полупроводникового материала ......................................
3.3.	Каскадные термоэлементы........................................**®.
3.4.	Термоэлектрогенератор с постоянными температурами, источника
тепла и холодильника..............................................
3.5.	Термоэлектрогенератор с постоянными тепловой мощностью ис-.
точника и температурой холодильника............................
Список литературы.................................................•
Глава 4. Расчет миогоэлемеитиых термоэлектрогенераторов . -.	•
4.1.	Особенности работы многоэлементных термоэлектрогенераторов 159 (
4.2.	Общая постановка задачи и основные уравнения	.	.	.	•	•
4.3.	Метод средних параметров.................................•	•
4.4.	Основные параметры термоэлектрогенераторов	.	.	-		•
4.5.	Термоэлектрогенераторы для наземных и морских энергоустановок 181
319
146	4.6. Термоэлектрогенераторы для космических энергоустановок	193
4.7.	Термоэлектрогенераторы с изотопными источниками тепла .	'196
4.8.	Солнечные термоэлектрогенераторы...............................203
147	4.9. Профилированные термоэлектрогенераторы .	.	.	.	.211
4.10.	Численные методы расчета термоэлектрогенераторов..............220
j4g	Список литературы...................................................223
149	Глава 5. Расчет элементов термоэлектрогенераторов .... 225
5.1.	Потери электрической мощности на электроизоляции термоэлементов 225
5.2.	Омические потери на коммутации термоэлементов.................228
5.3.	Коллекторные термоэлементы..................................  230
150.	5.4. Цилиндрические термоэлементы..................................237
5.5. Термоэлементы с внутренним источником тепла...................238
151.	Список • литературы................................................240
152.
Глава 6. Конструкции термоэлектрогенераторов и их характеристики 241
153.
6.1. Термоэлектрические модули и батареи...........................241
154.	6.2.	Реакторные термоэлектрогенераторы............................259
155.	6.3.	Изотопные	термоэлектрогеиераторы............................273
6.4.	Термоэлектрогенераторы на органическом топливе .... 302
156.	6.5.	Солнечные	термоэлектрогенераторы.......................... 306'^
6.6. Комбинированные энергоустановки с термоэлектрогенераторами 312
Список литературы....................................................314	;
Александр Сергеевич Охотин, Альберт Александрович Ефремов,
Виталий Сергеевич Охотин, Анатолий Сергеевич Пушкарский
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Редактор Ю. С. Аборин
Художественный редактор А. Т. Кирьянов
Переплет художника В. М. Прокофьева
Технический редактор И. И. Подшебякин
Корректоры М. А. Жарикова, О. Р. Харламова
Сдано в набор 1/VII 1975 г. Подписано к печати 2/II 1976 г. Т-03232. Формат 60х90'/16.
Бумага типографская № 2. Усл. печ. л. 20,0. Уч.-изд. л. 22,03. Тираж 2400 экз.
Зак. изд. 72319. Зак. тип. 610. Цена 2 р. 43 к.
Атомиздат 103031 Москва, К-31, ул. Жданова, 5.
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул„ 24.