DE1240967B

DE1240967B - Elektronen emittierende Elektrode fuer thermionische Wandler

Info

Publication number: DE1240967B
Application number: DEG37728A
Authority: DE
Inventors: Robert Franklin Hill; Stan J Paprocki; Donald Lee Keller
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1962-05-14
Filing date: 1963-05-11
Publication date: 1967-05-24
Also published as: US3243292A; GB971531A

Description

DEUTSCHES WTWWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 21 b - 29/00

Nummer: 1240 967

Aktenzeichen: G 37728 VIII c/21 b

1 240 967 Anmeldetag: 11.Mai 1963

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft eine Elektronen emittierende Elektrode für thermionische Wandler in Form eines metall-keramischen Körpers, der Urancarbid enthält.

Eine Ausbildungsart der thermionischen Wandler weist eine Edelgasplasmadiode auf, deren Elektronenemissionselement ein spaltbares Material umfaßt, so daß das Edelgasplasma durch Spaltproduktionisation erzeugt wird. Die Masse des spaltbaren Mate-

Is in der Diode oder einer Kombination solcher •ioden kann hinreichend groß gemacht werden, um die Spaltungskettenreaktion aufrechtzuerhalten und idurch die Wärme für eine Umwandlung in elek-. Ische Energie zu erzeugen.

Das Emissionsmaterial für eine derartige Einrichtung muß fähig sein, eine angemessene Elektronenzufuhr bei der Arbeitstemperatur zu bewirken, muß chemisch und mechanisch stabil sein und schließlich eine hohe Oberflächendichte an exponiertem spaltbarem Material haben.

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Elektronen emittierendes Element für thermionische Wandler zu schaffen, das diese Kombination wesentlicher Merkmale in hohem Grad aufweist und sich so besonders für Edelgasplasmadioden der vorgenannten Art eignet.

Urancarbid hat zwei der für das Elektronenemissionselement wesentlichen Eigenschaften, nämlich die Fähigkeit, Elektronen zu liefern, und eine hohe Dichte von spaltbarem Material, weist jedoch selbst eine ungenügende mechanische Festigkeit auf, und da es sich um einen keramischen Stoff handelt, verträgt es starke Temperaturschwankungen schlecht.

Ein Elektronenemissionselement, das die vorgenannten notwendigen Eigenschaften besitzt, kann durch eine Mischung von entsprechend ausgewählten Metallen mit Urancarbid zu einem »Cermet«, also einem metall-keramischen Erzeugnis, gebildet werden. Die Auswahl an Metallen ist dabei äußerst begrenzt, da Urancarbid bei hohen Temperaturen ziemlich chemisch aktiv ist. Das Metall darf jedoch weder bei der Herstellung noch während des Betriebs mit dem Urancarbid eine Wechselwirkung eingehen.

Bereits bekannt ist eine Mischung von Urancarbid und Zirkonium. Durch diese Zusammensetzung wird jedoch die Bedingung, bei Arbeitstemperatur eine angemessene Elektronenzufuhr zu bewirken, chemisch und mechanisch stabil zu sein und eine hohe Oberflächendichte an spaltbarem Material zu haben, nicht hinreichend erfüllt.

Erfindungsgemäß ist eine Elektronen emittierende Elektrode für themionische Wandler gekennzeichnet Elektronen emittierende Elektrode
für thermionische Wandler

Anmelder:

General Motors Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,
Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:

Robert Franklin Hill, Warren, Mich.;

Stan J. Paprocki,

Donald Lee Keller, Columbus, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. Mai 1962 (194 448) - -

durch einen Urancarbidgehalt von 10 bis 80 Volum ^a5 prozent und einen Gehalt von 90 bis 20 Volumprozent Rhenium, Wolfram oder einer Rhenium-Wolfram-Legierung.

Vorzugsweise enthält der metall-keramische Körper annähernd 80 Volumprozent Urancarbid und 20 Volumprozent Rhenium, Wolfram oder Rhenium-Wolfram-Legierung.

Vorzugsweise weist der metall-keramische Körper weiterhin eine Umhüllung aus Niob auf, und es ist eine dünne Trennschicht aus Rhenium, Wolfram oder Rhenium-Wolfram-Legierung zwischen dem Körper und der Umhüllung vorgesehen.

Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben und veranschaulicht.

In der Zeichnung ist eine gemäß der Erfindung konstruierte Elektronen emittierende Elektrode im Aufriß geschnitten dargestellt; sie liegt in einer schematisch angedeuten Edelgasplasmadiode.

Der in der Zeichnung dargestellte thermionische Umwandler umfaßt eine hermetisch abgedichtete Hülle 2, die mit einem Edelgas gefüllt ist und zwei elektrische Leiter 4 und 6 aufweist, die durch sie hindurchführen. Der obere Leiter 4 ist an einen Kollektor 8 angeschlossen, dem eine Kühleinrichtung zugeordnet ist. Diese Kühleinrichtung ist als eine Mehrzahl von Wärmeabstrahlrippen 10 dargestellt. Der untere elektrische Leiter 6 ist mit der Elektronen

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Claims

emittierenden Elektrode (Emitter) 12 verbunden, die die Form einer flachen Scheibe hat und mit ihrer oberen Fläche von dem flachen Boden des Kollektors einen Abstand einhält. Wenn also das Edelgas zwischen der emittierenden Elektrode und dem Kollektor ionisiert und die emittierende Elektrode erhitzt wird, fließen Elektronen von dieser Elektrode zu dem Kollektor und erzeugen dadurch einen elektrischen Strom. Gemäß der Erfindung weist der Emitter 12 einen dichten metall-keramischen Körper 14 aus 80 Volumprozent Urancarbid und 20 Volumprozent Rhenium auf, der an seinen Seiten- und Bodenflächen eine Niobschale 16 aufweist. Zwischen dem Körper 14 und der Schale 16 ist eine Schicht aus einer Wolframfolie 18 eingepreßt. Weitere Konstruktionseinzelheiten des Emitters ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung seiner bevorzugten Herstellungsmethode. Zur Bildung des Urancarbids kann reines Uranmetall in Form kleinerer Scheiben oder Stäbe als Ausgangsmaterial verwendet werden. Die Oberfläche des Metalls wird vor dem Schmelzen durch Elektropolieren oder durch sorgfältiges Waschen mit verdünnter Salpetersäure eingehend gereinigt. Spektralkohle in Stabform kann als Kohlenstoffausgangsmaterial benutzt werden, wobei der Stab zunächst durch Erhitzen im Hochvakuum auf etwa 2000° C entgast und dann in einer inerten Atmosphäre zu Pulver zermahlen wird. Sorgfältig überwachte Mengen des Uranmetalls und des Kohlepulvers werden dann in einer Atmosphäre aus gereinigtem Argon in einen Lichtbogenofen gebracht, wo sie im Bogen unter Ausbildung einer Urancarbidscheibe zusammengeschmolzen werden. Eine Elektrode mit Graphitspitze wird benutzt, um die Verunreinigung möglichst gering zu halten. Die Zusammensetzung des erzeugten Urancarbids wird natürlich von den Mengen des Uranmetalls und des Kohlenstoffpulvers in der Ofenbeschickung abhängen. Mit 4,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff wird das gebildete Urancarbid vorherrschend Uranmonocarbid sein. Wenn etwas mehr als 4,8 Gewichtsprozent Kohlenstoff verwendet werden, wird eine zweite Phase mit der Zusammensetzung UC2 an den Korngrenzen innerhalb der UC-Matrix erscheinen und manchmal auch eine dritte Phase, U2C3. Die genaue stöchiometrische Zusammensetzung des Urancarbides ist für die vorliegende Erfindung nicht wichtig, und deshalb soll der hier verwendete Ausdruck Urancarbid sowohl das Mono- und Dicarbid als auch dazwischenliegende Zusammensetzungen wie U2C3 einschließen. Das Urancarbid wird zu einer ungefähren Teilchengröße von weniger als 0,05 mm gemahlen, vorzugsweise in einem trockenen Behälter, da das pulverisierte Urancarbid pyrophor ist. Das pulverisierte Urancarbid wird dann gleichförmig mit Rheniumpulver, das ebenfalls eine Teilchengröße unter 0,05 mm besitzt, in dem gewünschten Verhältnis vermischt, vorzugsweise 80% Urancarbid und 20% Rhenium. Diese Vermischung der Pulver sollte ebenfalls in einem trockenen Behälter durchgeführt werden, und zum weiteren Schutz gegen die pyrophore Natur des Urancarbids ist es wünschenswert, etwa 1 Gewichtsprozent eines geeigneten organischen Materials, z. B. Polyäthylenglykol, der Mischung zuzugeben. Das Polyäthylenglykol überzieht nicht nur die Urancarbidkörner und schützt sie dadurch vor Ver- brennung, sondern dient auch als Bindemittel für die Mischung. Die Pulvermischung wird dann in einer Stahlform bei etwa 4220 kg/cm2 Druck zu einem Formkörper kaltgepreßt, der eine Dichte von annähernd 70 •/o seines theoretischen Wertes hat. Der so gebildete Formkörper wird in eine Niobschale eingepaßt, die mit einer dünnen Schicht aus Wolframfolie ausgekleidet ist. Das ganze wird dann in einem Vakuumofen erwärmt, um das Polyäthylenglykol zu vertreiben. Dann wird ein Niobdeckel, der ebenfalls vorzugsweise mit Wolframfolie ausgekleidet ist, über die Niobschale gelegt und durch Elektronenstrahlschweißen mit der Schale verbunden, so daß eine hermetische Abdichtung erreicht wird. Da das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum erfolgt, befindet sich das Innere der Schale am Ende dieses Abdichtvorganges im evakuierten Zustand. Das ganze sollte nach dem Verschweißen vorzugsweise darauf ao geprüft werden, ob es hermetisch abgedichtet ist. Der erhaltene, in Niob eingekapselte Formkörper wird dann in einen Autoklav gebracht und in einer Heliumatmosphäre bei 1480° C unter einem Druck von 700 kg/cm2 gesintert. Durch dieses Erhitzen uijd isostatische Pressen fällt die Niobumhüllung zusammen und der Formkörper sintert und bildet einea dichten metall-keramischen Körper. Am Ende der Behandlung hat der metall-keramische Körper eine Dichte, die etwa 99% des theoretischen Wertes beträgt. Der Körper wird aus dem Autoklav herausgenommen und abgekühlt. Anschließend wird der Deckelteil der NiobschaIe abgeschnitten, so daß sich die in der Zeichnung dargestellte Form ergibt. Wie bereits gesagt, zeigen Rhenium und Wolfram ein extrem niedriges chemisches Reaktionsvermögen mit Urancarbid; von den beiden Elementen wird Rhenium bevorzugt, weil es das geringere chemische Reaktionsvermögen hat. Es ist jedoch wegen seines höheren Absorptionsquerschnittes für Neutronen weniger wünschenswert. Aus diesem Grund ist Rhenium mit seinem extrem niedrigen chemischen Reaktionsvermögen das bevorzugte Metall für den metallkeramischen Körper, während Wolfram mit seinem niedrigeren Absorptionsquerschnitt für die Trennschicht zwischen dem metall-keramischen Körper und der Umhüllung bevorzugt wird. Die etwas höhere chemische Aktivität des Wolframs ist kein ernster Nachteil, wenn es als Trennschicht benutzt wird, und der niedrigere Absorptionsquerschnitt gleicht diesen geringen Nachteil aus. Patentansprüche:

1. Elektronen emittierende Elektrode für thermionische Wandler in Form eines metall-keramischen Körpers, der Urancarbid enthält, gekennzeichnet durch einen Urancarbidgehalt von 10 bis 80 Volumprozent und einen Gehalt von 90 bis 20 Volumprozent Rhenium, Wolfram oder einer Rhenium-Wolfram-Legierung.

2. Elektrode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der metall-keramische Körper annähernd 80 Volumprozent Urancarbid und 20 Volumprozent Rhenium, Wolfram oder Rhenium-Wolfram-Legierung enthält.

3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallkeramische Körper eine Umhüllung aus Niob