【摘要】：放射性同位素電池系統(tǒng)因其服役壽命長、工作穩(wěn)定、無需維護等特點在深空深海、極地探測、生物醫(yī)療、電子工業(yè)和軍事國防等特殊領域得到了重要應用。半個世紀以來,放射性同位素電池系統(tǒng)中換能效率較高的動態(tài)型熱轉換同位素電池得到了學術界與工業(yè)界的廣泛關注,但其長期局限于高速運動部件潤滑困難以及高速運轉部件工作過程中所產(chǎn)生扭曲力與慣性力帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性差等技術瓶頸未能實現(xiàn)實際應用。2015年,蘭州大學李公平等人基于管道流體驅動的壓電能量轉換機制在布雷頓閉式循環(huán)系統(tǒng)中采用壓電器件替換渦輪機實現(xiàn)了新型動態(tài)型熱轉換同位素電池原理性樣機的設計與測試。在前期的研究基礎上,我們從同位素衰變能的力-熱-電耦合本源出發(fā),沿著電池系統(tǒng)能量流的徑跡,采用新型換能結構與換能方式并向轉化流體介質的機械能與內能;從電池的力-熱-電耦合物理模型、原理性樣機制造與測試、多物理場有限元分析等方面較為系統(tǒng)地研究了壓電熱電動態(tài)型同位素電池的換能單元與工作性能,為動態(tài)型熱轉換同位素電池換能機理的重構與管道流體機械能內能的回收利用提供了全新的解決方案與可行參考。本文主要介紹了本人攻讀碩士學位期間所取得的一系列研究成果,具體工作包括以下幾個部分:1、前兩章回顧了100年來同位素電池系統(tǒng)的發(fā)展歷程與當前研究重點。從同位素衰變能的力-熱-電耦合本源出發(fā)對不同換能方式同位素電池進行了分類并重點概述了幾種典型同位素電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。第二章從壓電熱電動態(tài)型同位素電池能量流方面定義了電池系統(tǒng)幾個相關的物理概念,初步建立了電池力-熱-電耦合的物理模型。2、第三章從理論方面對電池系統(tǒng)的換能效率進行了優(yōu)化計算。通過建立壓電熱電動態(tài)型同位素電池系統(tǒng)的等效電路模型,結合原子核衰變、低速理想流體、電池熱阻網(wǎng)絡和壓電等效電路模型,在具體邊界條件假設的基礎上給出了電池的理論效率與優(yōu)化策略。3、第四章是實驗部分,從材料、單元、器件、系統(tǒng)方面制備了換能組件并測試了其輸出性能。主要搭建了實驗平臺,表征了輻射狀PVDF基壓電換能組件和環(huán)形碲化鉍基熱電換能組件的電學性能,并結合管式爐、氣體質量流量計與小型壓縮機完成了電池實驗室原理性樣機的制造與性能測試。進一步通過引入電源管理網(wǎng)絡,實現(xiàn)壓電組件AC/DC與熱電組件DC/DC轉換,在相同測試條件下優(yōu)化提升了電池的輸出功率密度與換能效率。4、第五章采用COMSOL有限元分析軟件對電池系統(tǒng)換能結構的元器件進行了多物理場數(shù)值模擬。主要對輻射狀壓電換能組件與環(huán)形熱電換能組件的元器件進行了流固耦合、固體傳熱、結構力學(壓電效應)、熱電效應等多物理場的數(shù)值計算分析,模擬結果同實驗測試結果相比較為一致。5、第六章對電池的性能衰退與長期服役性行為進行了評估。從電池熱力學循環(huán)與壓電器件、熱電器件服役性能方面,結合溫度場與力學場和遺傳算法模型,分層次評估了電池系統(tǒng)的工作壽命與可靠性,完成了電池主要性能參數(shù)的全方位優(yōu)化與驗證,討論了電池系統(tǒng)潛在的實際應用范圍。6、最后一章進行了總結與展望,系統(tǒng)歸納了本文研究的主要結論,概述了人類利用同位素電池等核電源系統(tǒng)的歷史進程并初步給出了100年來主要換能方式同位素電池系統(tǒng)的最佳轉換效率對比結果�？偠灾�,我們通過采用壓電熱電動態(tài)型熱轉換這一新型復合換能方式從換能組件與換能結構方面系統(tǒng)地研究了壓電熱電動態(tài)型同位素電池的主要性能指標,在動態(tài)型熱轉換同位素電池方面邁出了堅實的一步。盡管動態(tài)型同位素電池的研究尚處于實驗階段,離實際應用仍有很大距離,但我們期望實驗中所涉及到的研究方式方法可以拓展應用到其他同位素電池系統(tǒng)和空間核反應堆系統(tǒng)甚至流體熱力學能量轉換方面,為人類在空間核電源系統(tǒng)與高效復合能量轉換領域提供可行借鑒與信心支撐。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM918
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文- 2 -圖1-1 不同能源類型比較：（a）能源使用時間；（b）功率密度1896 年，法國物理學家 Antoine Henri Becquerel 從鈾鹽使底片感光中發(fā)現(xiàn)了元素的天然放射性（natural radioactivity）[8]，由此開啟了核物理學的大門。隨后，英國物理學家 Ernest Rutherford 用 α 粒子轟擊金箔并提出了原子核式結構模型（Rutherford model）[9]。然而，這一時期對于鐳衰變產(chǎn)生貝塔粒子阻止電壓的測量問題仍未解決，盡管這一數(shù)值在理論上預言能夠達到百萬伏但沒有任何實驗方法可以對其進行直接驗證。直到 1913 年，Henry Gwyn JeffreysMoseley 在 Rutherford 的指導下巧妙地設計了一套力學位移測量裝置，通過測量磁盤的位移并計算球泡所積累的電勢從而測得鐳衰變產(chǎn)生貝塔電子在電極間形成的累積電壓達到十萬多伏

哈爾濱工業(yè)大學理學碩士學位論文- 3 -圖1-2 同位素電池的發(fā)展歷程簡述[12]圖1-2簡述了同位素電池的發(fā)展歷程[12]，自Moseley提出β電池概念至今，學術界從換能方式、換能結構和換能材料方面對同位素電池進行了系統(tǒng)研究，使得同位素電池的輸出功率和能量轉換效率得到了較大提升，并在工業(yè)界已初具規(guī)模。目前而言，同位素電池（radioisotope batteries, RIB）的實用化效率仍然較低，其主要研究重點聚焦于依托微/納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、深空探測等具體應用環(huán)境并開展相應的先進熱電材料與器件（thermoelectric materials& generators）、寬禁帶多維半導體材料器件（wide-bandgap multi-dimensionalsemiconductors）等換能組件與復合換能結構（hybrid energy conversion）和放射性同位素電池燃料（radioisotope fuels）方面的探索[12,13]。1.3 同位素電池的工作原理放射性同位素電池的基本原理是利用換能器件將同位素放射源衰變時釋放出射線的能量轉換為電能并通過電源管理網(wǎng)絡接入負載達到供電目的[1]。目前，同位素電池基本工作原理的研究主要包括電池設計要求、同位素燃料、能量轉換機制和性能測試評估幾個方面

幾種常用同位素放射源的特性比較：（a）α放射源；（b）β放射源

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相關碩士學位論文 前1條

1 周毅;壓電熱電動態(tài)型同位素電池換能組件與結構的優(yōu)化設計研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2019年

本文編號：2772637