空間熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展綜述

鐘武燁，趙守智，鄭劍平，呂 征，解家春

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

引 言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間資源開發(fā)及探索成為大國競爭的重要關(guān)注點(diǎn)。深空探測、高軌高分辨勘察、空間科學(xué)平臺等對空間電源系統(tǒng)的功率、壽命及可靠性提出了越來越高的要求。空間核反應(yīng)堆電源將持續(xù)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱量通過熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電，具有能量密度高、不依賴太陽等優(yōu)點(diǎn)，可有效突破太陽能電池50 kWe功率上限的瓶頸，特別適用于大功率、長壽命能量需求或者難以獲取太陽能的空間任務(wù)[1-2]。

空間熱離子反應(yīng)堆電源是空間堆電源的重要技術(shù)路線之一，其通過熱離子能量轉(zhuǎn)換的方式將反應(yīng)堆裂變能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、比質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)[3]，且在20世紀(jì)80年代經(jīng)歷了兩次空間飛行驗(yàn)證[4]，技術(shù)較為成熟可靠。本文對空間熱離子反應(yīng)堆電源的發(fā)展歷程、總體結(jié)構(gòu)與工作原理，及其熱電轉(zhuǎn)換的核心器件——熱離子發(fā)電元件的發(fā)展現(xiàn)狀作簡要綜述。

1 空間熱離子堆電源發(fā)展情況

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

空間核電源通常由反應(yīng)堆本體、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、屏蔽體、熱輻射器組成，如圖1所示。為減小整體的質(zhì)量，空間核電源通常設(shè)計(jì)為錐形構(gòu)造，反應(yīng)堆布置于錐角一端，航天器的儀器儀表及控制系統(tǒng)布置于屏蔽體的陰影，反應(yīng)堆余熱采用熱輻射器排放到外空間。

圖1 空間核電源的整體構(gòu)造Fig.1 The whole construction of space nuclear power plant

根據(jù)熱離子發(fā)電元件相對于反應(yīng)堆堆芯的位置，可將其分為堆外轉(zhuǎn)換和堆內(nèi)轉(zhuǎn)換。前者需采用高溫?zé)峁埽ɑ蚶鋮s劑）將堆芯的熱量導(dǎo)出到發(fā)射極，運(yùn)行溫度較低；而后者則在堆芯內(nèi)完成了熱電轉(zhuǎn)換，燃料元件兼具了釋熱元件和發(fā)電元件的功能，稱作熱離子燃料元件（Thermionic Fuel Element，TFE），燃料包殼同時(shí)作為發(fā)電元件的發(fā)射極，利于緊湊布置。這兩類發(fā)電元件各具優(yōu)點(diǎn)，從目前研究發(fā)展歷程看，堆內(nèi)轉(zhuǎn)換占多數(shù)，本文側(cè)重于堆內(nèi)轉(zhuǎn)換的介紹，其基本構(gòu)造如圖2所示。與一般的空間核電源相比，熱離子反應(yīng)堆電源增加了銫蒸氣發(fā)生器和氣體修補(bǔ)系統(tǒng)，前者用于維持熱離子發(fā)電元件動力工況的工作氣氛，后者用于修復(fù)氫化鋯慢化劑裂紋[5]，以防止氫的滲漏。

圖2 空間熱離子反應(yīng)堆電源的基本構(gòu)造Fig.2 The base construction of space thermionic reactor power plant

1.2 國外發(fā)展情況

俄羅斯（前蘇聯(lián)）和美國最先認(rèn)識到空間核電源在軍事和深空探測領(lǐng)域具有不可比擬的巨大優(yōu)勢。自20世紀(jì)50年代，以美蘇為首的大國積極開展空間核動力的研究，以下主要闡述以熱離子反應(yīng)堆為代表的空間核電源的發(fā)展歷程[6-7]。

1.2.1 俄羅斯發(fā)展情況

俄羅斯（前蘇聯(lián)）在1960年代中期就開始空間熱離子反應(yīng)堆電源的研究。TOPAZ計(jì)劃的熱離子核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)總體由紅星公司負(fù)責(zé)，反應(yīng)堆及熱電轉(zhuǎn)換部分由物理動力工程研究院研發(fā)，采用的是多節(jié)型熱離子燃料元件，TOPAZ堆如圖3所示。1970年建成世界上第一座熱離子反應(yīng)堆電源地面試驗(yàn)裝置，此后至1984年，依托TOPAZ計(jì)劃在物理動力工程研究院先后共建成了7座采用多節(jié)元件的熱離子反應(yīng)堆地面裝置，經(jīng)大量試驗(yàn)后，于1987年和1988年成功發(fā)射，分別應(yīng)用在偵察衛(wèi)星上（宇宙-1818和宇宙-1867），兩次測試都獲得了成功，軌道上的運(yùn)行數(shù)據(jù)與地面測試結(jié)果吻合良好，TOPAZ系統(tǒng)的電功率輸出可達(dá)約5 kW，總體熱電轉(zhuǎn)換效率不足5%。

圖3 TOPAZ反應(yīng)堆電源的外觀圖Fig.3 Configuration of TOPAZ reactor power plant

在1960年代開展TOPAZ計(jì)劃的同時(shí)，于1965年開始了ENISEY計(jì)劃的熱離子核反應(yīng)堆電源，采用的是單節(jié)型熱離子燃料元件。ENISEY反應(yīng)堆電源系統(tǒng)由中央機(jī)械設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)，反應(yīng)堆的研制單位為庫爾恰托夫研究院（NRC-Kurchatov Institute），ENISEY反應(yīng)堆電源如圖4所示。直到1970年代早期，相應(yīng)的單位一直在協(xié)作開展這兩個(gè)計(jì)劃，以至于這兩個(gè)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)有很多相似之處。之后隨著協(xié)作關(guān)系終結(jié)，兩個(gè)計(jì)劃開始獨(dú)立發(fā)展。第一座ENISEY地面實(shí)驗(yàn)堆于1975年建成，到1989年共建成了30座ENISEY反應(yīng)堆電源地面裝置，并已完成地面的所有試驗(yàn)[8]，地面電源的電功率可達(dá)6 kW，總熱電轉(zhuǎn)換效率約為5%，由于前蘇聯(lián)國內(nèi)政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境的改變，并沒有進(jìn)行ENISEY反應(yīng)堆電源的飛行試驗(yàn)。

圖4 ENISEY反應(yīng)堆電源的外觀圖Fig.4 Configuration of ENISEY reactor power plant

俄羅斯經(jīng)過TOPAZ和ENISEY項(xiàng)目的積累，建立了比較完備的研制體系。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯把空間核電源從研制調(diào)整到研究狀態(tài)。目前，俄羅斯正研制大功率的熱離子燃料元件，設(shè)計(jì)大功率的電源/推進(jìn)兩用的空間核電源系統(tǒng)[9]。

1.2.2 美國發(fā)展情況

美國從1960年代開始對熱離子轉(zhuǎn)換進(jìn)行了大量的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）聯(lián)合能源部牽頭組織了相關(guān)的研究計(jì)劃，參與的單位包括噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、MIT、熱電子公司、通用原子公司等機(jī)構(gòu)，但是美國沒有建造過完整的熱離子反應(yīng)堆電源系統(tǒng)。

直至1992年，美國政府通過代理公司租借了兩套完整的ENISEY反應(yīng)堆電源系統(tǒng)（后改稱TOPAZII），開啟了TOPAZ國際合作計(jì)劃（TIP計(jì)劃）。TIP研究室位于美國新墨西哥大學(xué)（The University of New Mexico），主動戰(zhàn)略防御機(jī)構(gòu)（SDIO，后更名為彈道導(dǎo)彈防御機(jī)構(gòu)BMDO）開始提供資助研究將TOPAZ-II反應(yīng)堆系統(tǒng)用于核電推進(jìn)太空實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的可能性。單節(jié)熱離子燃料元件在俄引進(jìn)的“里克”熱物理臺架上進(jìn)行了發(fā)電演練，兩個(gè)TOPAZ-II試驗(yàn)樣機(jī)在俄引進(jìn)的“貝加爾”臺架上進(jìn)行了電加熱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)任務(wù)書的要求。由于美國國內(nèi)形勢的變化，TIP計(jì)劃中的飛行計(jì)劃被取消了。盡管如此，在TOPAZ-II的技術(shù)基礎(chǔ)上，美國在90年代完成了40 kWe的SPACE-R空間熱離子核反應(yīng)堆電源設(shè)計(jì)及關(guān)鍵材料驗(yàn)證[10]。此后，美國逐漸將熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究調(diào)整為應(yīng)用基礎(chǔ)研究，積極地嘗試某些新的改進(jìn)措施[11-12]。

2 熱離子發(fā)電元件技術(shù)研究現(xiàn)狀

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是熱離子反應(yīng)堆電源的核心技術(shù)之一。熱離子發(fā)電元件是熱電轉(zhuǎn)換的器件，其效率的高低、壽命的長短、質(zhì)量和可靠性的好壞，對空間熱離子反應(yīng)堆電源的總體性能起著決定性的影響。

2.1 熱離子能量轉(zhuǎn)換原理及早期歷史

熱離子反應(yīng)堆電源工作的基本原理是熱離子能量轉(zhuǎn)換。在愛迪生發(fā)現(xiàn)熱電子發(fā)射現(xiàn)象（1885年）、湯姆森發(fā)現(xiàn)電子（1887年）、理查森定量描述了熱電子發(fā)射電流（1902年）后，采用熱電子發(fā)射的方式來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換成為可能。1915年，施利希特發(fā)表了第一篇通過熱電子發(fā)射發(fā)電的科研論文；1940年，蘇聯(lián)的A.Ф.約飛和H.Д.莫爾古利斯等最先開始進(jìn)行真空熱離子能量轉(zhuǎn)換器的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。但受空間電荷、材料的高溫壽命約束等因素的影響，其熱電轉(zhuǎn)換的效率很低，并不具備應(yīng)用價(jià)值。1947年，H.Д.莫爾古利斯和П.M.馬爾丘克發(fā)現(xiàn)，向熱離子能量轉(zhuǎn)換器電極間隙內(nèi)充入銫蒸氣可以大大增加電流密度。1950年代中期，隨著高溫材料及反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展，以及空間任務(wù)對于緊湊高效電源的需求，俄羅斯（前蘇聯(lián)）和美國最早開始了熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)在空間的應(yīng)用研究，其運(yùn)行原理[13-14]如圖5所示，熱離子轉(zhuǎn)換器采用相互靠近的金屬電極對絕緣密封，發(fā)射極被加熱到高溫產(chǎn)生熱電子發(fā)射，銫蒸氣被充入電極的間隙（1 mm以內(nèi)）并在其中受電子碰撞電離形成等離子體，消除了電子輸運(yùn)的勢壘，電子輸運(yùn)通過等離子體區(qū)后達(dá)到接收極；發(fā)射極與接收極形成電源的兩極，對外輸出電功。采用反應(yīng)堆熱源輸入可獲得可觀的電功輸出，俄羅斯、美國逐漸加大了對熱離子反應(yīng)堆電源的研發(fā)投入，而西德、法國等也相繼開展過堆內(nèi)轉(zhuǎn)換型熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究[15]。

圖5 熱離子能量轉(zhuǎn)換的工作原理Fig.5 Operating principle of thermionic energy conversion

2.2 發(fā)電元件分類及特點(diǎn)

2.2.1 單節(jié)熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)

單節(jié)熱離子燃料元件的結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖6～圖7所示，電極長度等于核反應(yīng)堆的堆芯高度。整體由核燃料、發(fā)射極、接收極、陶瓷隔離定位塊、金屬陶瓷封接件、電流輸出線和其它輔助部件組成。發(fā)射極與接收極同軸套裝，間隙約為0.5 mm，兩者絕緣密封；銫蒸氣由右端引入；發(fā)射極內(nèi)孔為核燃料腔室，它與電極間隙隔離，腔室內(nèi)裝有環(huán)形的燃料芯塊和反射層，核燃料腔室左端是敞開的。每根TFE有4個(gè)電流導(dǎo)線，電流由元件發(fā)射極和接收極的左右端并接后輸出，減小電極上的歐姆損失。

圖6 單節(jié)熱離子燃料元件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structure chart of single cell thermionic fuel element

圖7 單節(jié)熱離子燃料元件樣件（外層為Al2O3涂層）Fig.7 Prototype of single cell thermionic fuel element

單節(jié)TFE整體上只含1根發(fā)電元件，可靠性好；沿TFE發(fā)射極的溫度場非常均勻，利于維持工況的一致；發(fā)射極具有敞開的內(nèi)腔（貫通至外太空），裂變氣體產(chǎn)物可通過該通道排放，排氣通道與銫通道隔離，有利于保持電極間隙的銫蒸氣不被污染，利于維持元件發(fā)電性能的穩(wěn)定性；在地面的實(shí)驗(yàn)可以用電加熱器代替核燃料進(jìn)行全尺寸的元件發(fā)電演練，核燃料可以在發(fā)射前或在核動力裝置進(jìn)入輻射安全軌道時(shí)裝入，有利于降低研制和試驗(yàn)成本，保障了熱離子空間核反應(yīng)堆在制造和運(yùn)輸階段的安全性。

單節(jié)TFE電極長，輸出電流大，高溫電極上的歐姆損耗大。由于元件電極長，受制造工藝限制發(fā)射極徑向尺寸較大，有限的堆芯尺寸下可裝載的元件少，總電極表面積必然小，因此單節(jié)TFE不適合用于大功率的核動力電源裝置。從制造裝配的角度看，需要制備難熔金屬單晶薄壁管發(fā)射極，需要將約600 mm的電極對按0.5 mm的間距同軸套裝，并且涉及大量的異種材料連接與密封（金屬之間、陶瓷與金屬之間），因此單節(jié)TFE的研制難度較大。

2.2.2 多節(jié)熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)

多節(jié)T F E的結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，由多個(gè)（5～13個(gè)）相對較短的熱離子發(fā)電單元串聯(lián)而成，前一節(jié)的接收極通過換向連接件與后一節(jié)的發(fā)射極連接，實(shí)現(xiàn)電子的連續(xù)發(fā)射，獲得串聯(lián)相加的較大輸出電壓。串聯(lián)后的總長與核反應(yīng)堆堆芯高度相等。由于電路串聯(lián)，流過各節(jié)的電流是相等的，在單個(gè)發(fā)電單元內(nèi)是通過發(fā)射—接收的過程維持通路，因此最終的串聯(lián)電流取決于最小的發(fā)射—接收電流。而全長TFE的軸向溫度分布不均勻，中心溫度較高，發(fā)射電流密度大，為防止扼流，需保證每節(jié)發(fā)電單元有相同的發(fā)射電流，因此串聯(lián)的發(fā)電單元的長度要取從中心到兩端逐漸遞增的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖8 多節(jié)熱離子燃料元件的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Structure chart of multi-cell thermionic fuel element

多節(jié)TFE由于每節(jié)的長度較短，加工徑向尺寸較小的元件成為可能，可在堆芯密集布置，適合用于大功率的核動力電源裝置。原則上，單晶TFE的材料及工藝技術(shù)對多節(jié)TFE有支撐作用，而多節(jié)TFE的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多節(jié)TFE接收極是一個(gè)多層管（至少是3層）的結(jié)構(gòu)，以3層為例，制備緊密結(jié)合的接收層-絕緣層-支撐管的工藝難度較大。若裂變氣體的排放通道與電極間隙相通，對元件性能穩(wěn)定性有影響。經(jīng)過改進(jìn)、有裂變氣體排放裝置的元件結(jié)構(gòu)則增加了裝置的復(fù)雜性[16]，如圖9所示。此外，多節(jié)TFE通常不能用電加熱代替核加熱進(jìn)行試驗(yàn)，制備和試驗(yàn)過程中必須帶著核燃料操作，研制和試驗(yàn)成本高。

2.2.3 單通道多節(jié)熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)

單通道多節(jié)熱離子燃料元件最早于1969年被提出來并經(jīng)過幾次試驗(yàn)，但高溫電絕緣的發(fā)射極組件和低熱阻多層接收極組件的制造工藝當(dāng)時(shí)難以解決。隨著制備工藝的不斷改進(jìn)，到90年代中期，為了開發(fā)高功率的空間核動力裝置，俄羅斯又重新提出單通道多節(jié)TFE的設(shè)計(jì)并與美國展開聯(lián)合研制。單通道多節(jié)TFE的主要結(jié)構(gòu)和功能單元包括發(fā)射極組件、接收極組件、金屬陶瓷封接組件、絕緣定位件和電極間連接件。通過與單節(jié)型TFE的對比可以看出[17]（圖10），單通道多節(jié)TFE綜合了單節(jié)TFE和多節(jié)TFE的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，可以獲得串聯(lián)相加的輸出電壓，歐姆損耗較小，又可以利用中心燃料腔排放裂變氣體，并能在研制階段采用電加熱代替核加熱，在準(zhǔn)備發(fā)射的最后階段才裝入燃料。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組件的工作環(huán)境比較相似，單節(jié)TFE和多節(jié)TFE的很多相關(guān)材料及組件都可以直接應(yīng)用到單通道多節(jié)TFE上（如接收極的多層管工藝），而對于單通道多節(jié)TFE的開發(fā)工作來說，電極組件和電極間連接件的制備工藝和性能是關(guān)鍵。其中，單通道多節(jié)TFE的發(fā)射極起初采用的是3層管結(jié)構(gòu)，見圖11（a）[18]，最內(nèi)層的包殼管為W單晶合金，發(fā)射極涂層為多晶W發(fā)射極，中間陶瓷層保證發(fā)射極之間以及發(fā)射極與包殼之間的絕緣?？紤]到絕緣層材料需要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性和絕緣強(qiáng)度，中間絕緣層最終選擇了Sc2O3。通用原子公司（General Atomics）采用熱噴涂工藝在單晶W管外圓上制備出Sc2O3絕緣層，繼而與最外層的多晶W管熱等靜壓連接，制備出了單通道多節(jié)TFE 3層管發(fā)射極試驗(yàn)件。由于Sc2O3與W的熱膨脹系數(shù)相差太多，在二者連接的界面處設(shè)計(jì)了多層不同比例的W-Sc2O3金屬陶瓷功能梯度過渡層以緩解熱膨脹不匹配所造成的應(yīng)力。但是，在熱等靜壓冷卻過程中，因Sc2O3與W之間收縮程度的差異而導(dǎo)致Sc2O3層中出現(xiàn)很多徑向裂紋（圖11（b））。雖然后續(xù)的熱循環(huán)以及電絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)都證實(shí)了徑向的裂紋不會對發(fā)射極3層管的性能造成明顯的負(fù)面影響，但是之后的發(fā)射極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是放棄了這種方案，而采用了新的5層管設(shè)計(jì)，如圖12所示[19]。

圖9 改進(jìn)型的多節(jié)熱離子燃料元件Fig.9 Modified multi-cell thermionic fuel element

圖10 熱離子發(fā)電元件結(jié)構(gòu)比較：A-單節(jié)型；B-單通道多節(jié)型Fig.10 The structure comparison of thermionic cell：A-single cell TFE；B-conductively coupled multi-cell TFE

在成功探索關(guān)鍵部組件制備工藝并驗(yàn)證相應(yīng)使用性能的基礎(chǔ)之上，通用原子公司在2000年后研制了單通道3節(jié)TFE的原理樣件并進(jìn)行了電加熱發(fā)電性能試驗(yàn)[20-21]，單通道3節(jié)元件結(jié)構(gòu)及實(shí)物見圖13?？偟膩碚f，單通道多節(jié)TFE由于綜合了單節(jié)與多節(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的發(fā)電元件設(shè)計(jì)方案，尤其是如將低溫高效的新型電極對材料[22]應(yīng)用于單通道多節(jié)TFE，將進(jìn)一步提升單通道多節(jié)TFE的電輸出性能與壽命，有助于提升熱離子反應(yīng)堆電源在大功率空間核電源領(lǐng)域的競爭力。

圖11 發(fā)射極3層管組件結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of three layers tube for emitter module

圖12 發(fā)射極五層管組件結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of five layers tube for collector module

2.3 電極材料的研究現(xiàn)狀

2.3.1 發(fā)射極材料

1）發(fā)射極材料的要求

在堆內(nèi)型熱離子反應(yīng)堆中，熱離子燃料元件既作為釋熱元件，也作為發(fā)電元件。發(fā)射極材料既作為燃料的包殼，也作為熱電子的發(fā)射材料。在運(yùn)行過程中，發(fā)射極材料處于高溫、輻照、受燃料腫脹的應(yīng)力、銫腐蝕等環(huán)境。發(fā)射極的選材應(yīng)滿足以下的基本要求：高溫（1 600 ℃）蠕變速率較低；高的真空功函數(shù)，以優(yōu)化電輸出參數(shù)；與銫蒸氣和核燃料具有相容性，并且對燃料和裂變產(chǎn)物的擴(kuò)散滲透率低；韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，加工制造容易；小的熱中子俘獲截面，使熱堆的尺寸和質(zhì)量參數(shù)最小化；低密度，低電阻。

2）發(fā)射極材料的性能

因?yàn)槭褂脺囟雀撸s1 600 ℃），鉬、鎢等難熔金屬常被用作熱離子反應(yīng)堆的發(fā)射極材料。在美國，大部分的開發(fā)和研究是多晶材料和時(shí)效硬化合金，主要的強(qiáng)化機(jī)理是彌散強(qiáng)化[23]；而俄羅斯則開發(fā)了Mo、W難熔金屬的單晶及其合金材料，表1給出了俄羅斯魯奇研究院開發(fā)的發(fā)射極材料[24]。單晶材料被提出是基于以下的理由。

表1 魯奇研究院研發(fā)的發(fā)射極材料Table 1 Emitter material developed by Lutch Institute

（1）不存在晶界，因此，鈾滲透進(jìn)單晶鉬比滲透進(jìn)多晶鉬要低2個(gè)數(shù)量級以上；單晶鉬比多晶鉬的蒸發(fā)速率降低一半。

（2）不會再結(jié)晶，這在熱離子燃料元件工作溫度的整個(gè)范圍內(nèi)能夠提供結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。

（3）韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，因此具有較好的加工性能。

（4）電子功函數(shù)和機(jī)械性能各向異性，使得利用該材料最好的參數(shù)成為可能。

W合金單晶的高溫力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度）優(yōu)于Mo合金單晶[25]，為了更全面地比較分析W、Mo合金單晶作發(fā)射極材料的應(yīng)用特點(diǎn)，其性能參數(shù)如表2所示，其中有3點(diǎn)差異值得注意：

表2 W、Mo合金單晶的其它性能參數(shù)Table 2 Other parameters of W、Mo alloy monocrystal

（1）W（110）晶面的真空功函數(shù)比Mo（110）晶面高0.2 eV，這使得W單晶不僅作為結(jié)構(gòu)材料，在高溫蠕變強(qiáng)度上有優(yōu)勢；作為電子發(fā)射的功能涂層，W單晶發(fā)射層同樣具有優(yōu)勢。有研究者在Mo單晶合金表面制備W單晶涂層[26-27]。

（2）W材料的密度幾乎是Mo的兩倍，而W合金單晶作發(fā)射極所需的厚度較小，可彌補(bǔ)W的高密度缺點(diǎn)。

（3）在討論Mo、W的合金性能時(shí)，通常需要包括加工性和可塑性的問題，而韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tbd在一定程度上可以作為加工準(zhǔn)則。俄羅斯魯奇研究院Nikovaev等[28]采用3點(diǎn)彎曲法對Mo、W的單晶及多晶合金的Tbd進(jìn)行了測量：單晶材料的Tbd較低，單晶W的Tbd值略高于室溫；而多晶材料的Tbd普遍較高，并且再結(jié)晶后Tbd還有所增大，不利于加工。

2.3.2 接收極材料

熱離子發(fā)電元件接收極材料的使用要求歸納如下：工作溫度下（500～700 ℃）長期服役的穩(wěn)定性；較低的吸銫功函數(shù)，以優(yōu)化電輸出參數(shù)；低蒸發(fā)速率，與銫蒸氣和核燃料具有相容性；小的熱中子俘獲截面，使熱堆的尺寸和質(zhì)量參數(shù)最小化；低密度，低電阻。從作為結(jié)構(gòu)材料的選材看，能用作發(fā)射極的材料理論上也能應(yīng)用于接收極，但發(fā)射極單晶材料的制備成本過高，Nb、Mo、Ni、Re以及不銹鋼等金屬的多晶都曾研究用作接收極[29]。

圖13 單通道三節(jié)發(fā)電元件結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig.13 Structure and prototype of conductively coupled multi-cell

1）傳統(tǒng)接收極材料

1970年代中期，俄羅斯TOPAZ計(jì)劃的接收極材料采用BH-2合金（俄牌號，鈮基合金），而ENISEY則采用CM-4合金（俄牌號，鉬基合金），表3給出了這兩種接收極材料的化學(xué)成分[30]。從作為電子功能的材料看，接收極極吸銫功函數(shù)決定于接收極內(nèi)表面的淺層，當(dāng)時(shí)并沒有考慮到它們的表面成分和近表層的特征，以及它們與熱離子轉(zhuǎn)換器電極間環(huán)境的相互作用。后來俄羅斯的研究者在接收極內(nèi)表面成分組成及對功函數(shù)影響方面做了深入的研究發(fā)現(xiàn)[31]：接收極材料的表層和近表層所含的雜質(zhì)與電極間介質(zhì)（包括氣體銫、氧、及裂變性氣體等）發(fā)生反應(yīng)可以影響其功函數(shù)。值得注意的是，熱離子轉(zhuǎn)換器電極間從發(fā)射極到接收極的質(zhì)量遷移也將極大地改變接收極本身發(fā)射特性，產(chǎn)生質(zhì)量遷移后，接收極的功函數(shù)將由其內(nèi)表面的沉積物所決定[32]。

表3 俄羅斯接收極材料的化學(xué)成分組成Table 3 Chemical composition of collector material used in Russian

2）接收極材料的研究趨勢

在接收極的運(yùn)行溫度下（約600 ℃），表面被銫蒸氣充分覆蓋，其電子發(fā)射在很大程度上受銫的影響，其功函數(shù)接近于銫本身的功函數(shù)（1.89 eV），量值在1.6～2.0 eV之間[33]，如圖14。降低接收極的吸銫功函數(shù)，有利于降低勢壘指數(shù)，提高熱電轉(zhuǎn)換效率，以拓寬熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)空間應(yīng)用的前景。近年來，研究者改變了金屬表面對銫的吸附形態(tài)，獲得了更低的吸銫功函數(shù)：

（1）控氧接收極材料

根據(jù)金屬功函數(shù)的CLLV模型[34-35]，在金屬表面與銫之間增加一個(gè)電負(fù)性的介電層（如氧層）將使得銫原子的吸附密度減少，達(dá)到降低金屬吸銫功函數(shù)的目的。俄羅斯Kurchatov的研究者S S Gerashchenko[36]于1994年開展過Mo單晶接收極的氧離子注入改性，但由于氧在高溫服役過程的析出，導(dǎo)致發(fā)射極材料蒸發(fā)加快，發(fā)電性能沒有達(dá)到預(yù)期的效果。隨后物理動力工程研究院（IPPE）的V I Yarygin等[37]采用低摻雜的釩鉻合金（俄牌號VKh2U）獲得了低功函數(shù)的接收極，其吸銫功函數(shù)的最小值為1.4 ev（如圖15所示）。為了獲得最佳的電輸出，IPPE的研究者嘗試了一系列發(fā)射極與VKh2U合金組成電極對進(jìn)行了發(fā)電性能測試實(shí)驗(yàn)，最終選定了Mo基體涂覆Pt作為發(fā)射極，其發(fā)電性能曲線如圖16所示，轉(zhuǎn)換器的勢壘指數(shù)為1.88 eV（TE=1 504 K），發(fā)電效率高達(dá)13%～17%（TE= 1 600～1 800 K），這兩項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于TOPAZ項(xiàng)目的熱離子發(fā)電元件（如圖17所示，TOPAZ的電極對：WF＜111＞-VN-2）。應(yīng)該注意的是，從熱離子發(fā)電元件集成到電源系統(tǒng)的過程中，存在熱損失、導(dǎo)線連接電損耗等因素，因此，電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率普遍低于發(fā)電元件的效率。

圖14 若干金屬電極的吸銫功函數(shù)Fig.14 Cesium work function of some metal electrode

VKh2U合金的化學(xué)成分如表4所示，研究分析表明，該合金的吸銫功函數(shù)較低的原因在于其表面形成的金屬-氧-銫體系，相對于金屬-銫的體系具有更低的功函數(shù)。利用Auger電子光譜學(xué)和接觸電位差/高分辨率全電流光譜的方法，對VKh2U合金在真空退火過程中材料表面成分及真空功函數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：高溫服役過程中，材料表面的成分構(gòu)成、真空功函數(shù)值還不穩(wěn)定，工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化，應(yīng)用性能的穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

表4 VKh2U合金的主要成分組成Table 4 The major chemical composition of VKh2U alloy

應(yīng)該指出，如前所述，從發(fā)射極到接收極將產(chǎn)生蒸發(fā)遷移，若接收內(nèi)表面的覆蓋層足夠厚則將改變接收極的發(fā)射性能。為避免這個(gè)趨勢，與VKh2U合金接收極配對的Mo-Pt發(fā)射極具有較強(qiáng)的抗氧化能力，其較低的工作溫度也有利于遏制蒸發(fā)。IPPE還設(shè)計(jì)了熱管導(dǎo)熱的堆外轉(zhuǎn)換熱離子反應(yīng)堆，該電極對材料的低溫適用性正好契合了熱管的使用溫度，并且堆外熱離子能量轉(zhuǎn)換意味著電極間隙可以設(shè)計(jì)得更小，從而獲得更優(yōu)的電輸出性能[38]。

（2）基于銫里德伯物質(zhì)的接收極

為了進(jìn)一步降低接收極的功函數(shù)，獲得更低的勢壘指數(shù)，研究者開展了銫的里德伯態(tài)物質(zhì)的應(yīng)用研究。里德伯態(tài)是原子的一種激發(fā)態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）。當(dāng)涂覆碳的接收極吸附銫蒸氣時(shí)，碳與銫會反應(yīng)生成銫的碳化物，這種形態(tài)的銫具有較高的能量狀態(tài)，即形成了銫的里德伯態(tài)。

20世紀(jì)90年代，瑞典哥德堡大學(xué)（University of Gothenburg）的Holmlid等[39]在穿孔的Ni表面上采用機(jī)械涂覆石墨膠體制得碳涂層作為接收極，獲得了更低的吸銫功函數(shù)。2002年后，俄羅斯IPPE的V.I.Yarygin等[40]繼續(xù)開拓了該項(xiàng)研究，針對電極對為Pt（發(fā)射極）和涂覆碳的Ni（接收極）的熱離子轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究，含銫里德伯態(tài)接收極的吸銫功函數(shù)降至1.0～1.2 eV，其勢壘指數(shù)的最小值為1.59 eV（TE= 1 300 K，TC= 696 K，d=0.3 mm），此時(shí)熱電轉(zhuǎn)換效率提升到20%～26%（見圖17中Rydbeng TIC），發(fā)電性能得到很大的提升，系目前報(bào)道的該運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)室最高效率。應(yīng)該指出，含銫里德伯態(tài)的激發(fā)機(jī)制、銫里德伯態(tài)物質(zhì)長期應(yīng)用的穩(wěn)定性，以及轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)等問題仍需要繼續(xù)研究。

2.4 熱離子發(fā)電試驗(yàn)裝置

熱離子發(fā)電元件的研究和試驗(yàn)需要在專門的裝置上開展，根據(jù)研究和試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌竟?jié)對最主要的設(shè)施進(jìn)行分類闡述。

圖15 VKh2U合金的功函數(shù)：1-總電流法測定；2-有效功函數(shù)Fig.15 Work function of VKh2U alloy：1-total current method；2-effective work function

圖16 Mo-Pt、VKh2U合金電極對的伏安特性Fig.16 Voltage-Ampere characteristic of Mo-Pt and VKh2U alloy electrode pairs

圖17 采用先進(jìn)接收極材料的TEC發(fā)電性能Fig.17 TEC output characteristic based on advanced collector material

2.4.1 原理性實(shí)驗(yàn)裝置

原理性實(shí)驗(yàn)裝置的主要研究任務(wù)包括：①研究電極間隙等離子體內(nèi)和電極上的物理過程；②論證所選電極材料的正確性，為發(fā)電元件的電特性設(shè)計(jì)提供等溫伏安特性曲線；③尋求提高熱離子能量轉(zhuǎn)換效率和壽命的途徑。為開展以上的研究任務(wù)，俄羅斯和美國自1960年代起就建立起大量的原理性的實(shí)驗(yàn)裝置，原理性實(shí)驗(yàn)裝置的電極要求處于等溫等勢的狀態(tài)，其發(fā)電的表面積通常較小，根據(jù)電極的形狀，一般可分為平板型電極（1～2 cm2）和圓管型電極（約10 cm2），如圖18～圖19所示。

圖18 平板電極型熱離子能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置Fig.18 Thermionic energy conversion experimental apparatus with planar electrode

原理性實(shí)驗(yàn)裝置通常包括如下的部件或系統(tǒng)：

1）電極系統(tǒng)：發(fā)射極與接收極處于等溫等勢，通常與密封件集成為電極組件。為消除等離子體外溢的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的電流測量偏大，通常在電極上增加陶瓷保護(hù)環(huán)[41-42]。

2）發(fā)射極加熱系統(tǒng)：為保證發(fā)射極的局部高溫，采用熱流密度高且釋放區(qū)域小的加熱器。對于平板型電極系統(tǒng)，通常需要采用鎢絲高溫輻射和電子轟擊聯(lián)合加熱的方式實(shí)現(xiàn)。

3）接收的控溫系統(tǒng)：為了載帶多余的熱量并對接收極實(shí)現(xiàn)控溫，通常需要在接收極上配置冷卻管路和繞制加熱絲。

4）真空系統(tǒng)：電極間隙以及真空-銫管路的內(nèi)腔應(yīng)用無油的真空泵。此外，還配備質(zhì)譜儀來監(jiān)督熱真空內(nèi)的殘余氣體成分。

5）測量系統(tǒng)：除了真空、電極溫度、伏安特性測量外，為了研究熱離子能量轉(zhuǎn)換的效率，有的發(fā)電裝置還在接收極上配置了專門的量熱器。

2.4.2 里克臺架

里克臺架是采用電加熱代替核加熱的方式，進(jìn)行單節(jié)熱離子發(fā)電元件性能試驗(yàn)和壽命考驗(yàn)的專用設(shè)備。根據(jù)俄羅斯TOPAZ-Ⅱ熱離子反應(yīng)堆大綱，魯奇研究院、蘇霍米物理技術(shù)研究院和庫爾恰托夫研究院都在電加熱臺架上對單節(jié)熱離子發(fā)電元件的發(fā)電性能進(jìn)行大量的研究，解決了熱離子燃料元件的大量問題，并以較低的成本開展長時(shí)間考驗(yàn)，弄清了單節(jié)熱離子燃料元件結(jié)構(gòu)和制造工藝上的不足。在此基礎(chǔ)上，完成有限數(shù)量的堆內(nèi)考驗(yàn)后即可開展全尺寸的反應(yīng)堆電源的考驗(yàn)，降低了研發(fā)總成本。里克臺架的用途包括：①單節(jié)熱離子燃料元件的真空除氣和密封性檢查；②單節(jié)熱離子燃料元件電極熱物理和電物理特性（如電極的黑度系數(shù)和功函數(shù)）的測量和計(jì)算；③研究單節(jié)熱離子燃料元件電輸出性能與運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系；④進(jìn)行單節(jié)熱離子燃料元件的性能試驗(yàn)和壽命考驗(yàn)。

里克臺架的系統(tǒng)組成如圖20所示，主要包括真空室、工作段、真空系統(tǒng)、銫系統(tǒng)、測控與電性能測試系統(tǒng)等。其中，工作段是為熱離子燃料元件的堆外考驗(yàn)提供熱工條件的部件，是里克臺架的核心部分，如圖21所示。鎢電加熱器放置于發(fā)射極的內(nèi)孔，加熱器電連接端頭在上氦氣室引出。上下氦氣室給工作段部分的不可調(diào)間隙提供氦氣，以此加大間隙間的熱交換。銫經(jīng)由下氦氣室提供。發(fā)射極和接收極引導(dǎo)的電連接位于2個(gè)氦氣室之間。工作段的最外層是冷卻水包套。工作段的加熱核心軸向截面如圖22所示，國外研究者對工作段的熱工設(shè)計(jì)都進(jìn)行過詳細(xì)的分析計(jì)算[43]。

圖19 圓管電極型熱離子能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置Fig.19 Thermionic energy conversion experimental apparatus with cylindrical electrode

圖20 里克臺架的系統(tǒng)組成示意圖Fig.20 System composition schematic of RIG stand

圖21 里克臺架工作段的示意圖Fig.21 Operating section schematic of RIG stand

2.4.3 堆內(nèi)試驗(yàn)裝置[44]

熱離子燃料元件堆內(nèi)試驗(yàn)是熱離子燃料元件研制的重要階段，堆內(nèi)試驗(yàn)的主要目的是了解引起熱離子燃料元件動力特性和壽命特性變化的過程和因素，以及引起部件或整個(gè)元件損壞的原因，從而提出改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)在壽期內(nèi)維持穩(wěn)定和可重復(fù)的特性。從試驗(yàn)研究的階段來看，熱離子燃料元件的堆內(nèi)試驗(yàn)包括2個(gè)階段：第1階段具有展示的特性，主要關(guān)注回路孔道各部件的演練以及回路裝置系統(tǒng)的演練，了解、研究各單個(gè)發(fā)電單元以及多個(gè)發(fā)電單元的動力特性；第2階段是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)所進(jìn)行的熱離子燃料元件的堆內(nèi)試驗(yàn)。

熱離子燃料元件的堆內(nèi)試驗(yàn)通常是在研究堆的回路孔道上進(jìn)行。從1960年代起，俄羅斯持續(xù)在研究堆上進(jìn)行了大量的熱離子燃料元件堆內(nèi)試驗(yàn)?；芈房椎赖脑O(shè)計(jì)要考慮研究堆的特點(diǎn)，保證接近熱離子燃料元件考驗(yàn)的真實(shí)條件，確保對熱離子燃料元件主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和測量的可能性。圖23～圖24展示了俄羅斯在BBP-M反應(yīng)堆上早期回路孔道以及在AM反應(yīng)堆上改進(jìn)后的回路孔道示意圖。圖23所示的回路孔道類似于輻照罐裝置，在某種程度上就是一般的熱離子能量轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)室裝置的復(fù)制，其中包括一般安置在回路孔道下部的銫恒溫器，在回路孔道中采用吸氣裝置或獨(dú)立的真空泵，有接收極的電加熱器。為了提高回路孔道的可靠性和考驗(yàn)高功率元件，新近的回路孔道已經(jīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完善，回路孔道內(nèi)增加了傳感器的數(shù)量以便增加所獲取的信息量，并且回路孔道內(nèi)可增加液態(tài)金屬回路。

圖22 工作段的加熱核心軸向截面圖Fig.22 Axial sectional view of operating section heating zone

圖23 在BBP-M反應(yīng)堆上最早考驗(yàn)的回路孔道方案Fig.23 The early test loop scheme at BBP-M reactor

為確保熱離子燃料元件回路孔道試驗(yàn)的開展，所有類型的回路裝置通常需要包括以下的系統(tǒng)：熱工水力系統(tǒng)，氣體-真空系統(tǒng)，電加熱器，熱離子燃料元件伏安特性的測量系統(tǒng)，確保輻射安全的系統(tǒng)，考驗(yàn)和研究的自動化采集與測控系統(tǒng)，回路裝置組成如圖25所示。

圖24 在AM反應(yīng)堆上考驗(yàn)的一種現(xiàn)代方案Fig.24 The modern test scheme at AM reactor

3 結(jié)束語

空間熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)是熱離子反應(yīng)堆電源的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了空間熱離子反應(yīng)堆電源的總體結(jié)構(gòu)及工作原理，從熱離子能量轉(zhuǎn)換的原理、熱離子發(fā)電元件的類型及其特點(diǎn)、關(guān)鍵材料、試驗(yàn)裝置等方面闡述了熱離子轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展趨勢。分析表明：單通道多節(jié)熱離子發(fā)電元件是新型高效的發(fā)電元件，多層管的制備工藝是難點(diǎn)；高強(qiáng)度W-Nb單晶合金發(fā)射極材料、低功函數(shù)接收極材料的研發(fā)是新一代材料研發(fā)的方向；熱離子能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究需要經(jīng)歷原理性實(shí)驗(yàn)—里克臺架實(shí)驗(yàn)—堆內(nèi)試驗(yàn)3個(gè)階段。

圖25 BBP-K反應(yīng)堆回路裝置設(shè)備布置示意圖Fig.25 Arrangement diagram of experimental apparatus at BBP-K reactor loop