熱離子轉換器

熱離子轉換器（英語：Thermionic converter）由熱電極組成，熱電極通過勢能壘的熱輻射向較冷的電極發射電子，從而產生有用的電力輸出。銫蒸汽用於優化電極的功函數，並通過等離子體中的表面電離或電子碰撞電離提供離子以中和電子空間電荷。

定義

從物理電子學的觀點看，熱離子能量轉換是從熱離子發射電子的熱量中直接產生電力，而從熱力學的觀點看^[1]，又是在發電循環中利用電子蒸氣作為的工作載體。熱離子轉換器由熱發射極和較冷的收集極組成，電子通過熱離子發射從熱發射極中蒸發出來，在電極間經等離子體傳導後，冷凝在收集極中，通常會在發射極表面產生每平方厘米幾安培的電流。根據發射極溫度(1500–2000 K)和工作模式的不同，一般以0.5–1伏的電位差和5–20%的熱效率向負載提供電力^[2]^[3]。

歷史

在1957年威爾遜（V.Wilson）首次演示實用電弧式銫蒸氣熱離子轉換器後，接下來的十年中，對它的應用得到進一步體現，包括它與太陽能發電、燃燒、放射性同位素和核反應堆熱源的使用。然而，最受重視的應用是將熱離子核燃料元件直接集成到核反應堆的堆芯中，以便在太空中生產電力^[4]^[5]。熱離子轉換器的極高工作溫度使它難以在其他應用中得到實際使用，但在需要輻射散熱的太空電力應用中，熱離子轉換器比其他能量轉換技術具有決定性的優勢。1963年至1973年期間，美國、法國和德國開展了大量的熱離子太空反應堆開發項目，1983年至1993年期間，美國恢復了重要的熱離子核燃料元件開發計劃。

1967年至1988年間，前蘇聯將熱離子動力系統與各種核反應堆(貝斯5型、托帕茲)結合使用，作為部分軍事監視衛星的電源^[6]^[7]，更多詳情參見宇宙954號。

儘管隨着美國和俄羅斯太空計劃的削減，熱離子反應堆使用的優先等級已降低，但熱離子能量轉換的研究和技術開發仍在繼續。近年來推出了太陽能熱離子太空電源系統的技術開發項目，而應用於民用熱電聯產和整流的燃燒-加熱熱離子系統原型也業已開發^[8]。

說明

熱離子能量轉換的科學方面的研究主要涉及表面物理和等離子體物理領域。電極表面性質決定了電極表面的電子輻射電流和電勢的大小，而等離子體性質決定了電子流從發射極到收集極的傳輸。迄今為止，所有實用的熱離子轉換器都在電極之間使用銫蒸汽，這是受表面和等離子體性質所決定，因為銫是所有穩定元素中最容易電離的。

熱離子發生器就像一台循環熱引擎，其最大效率受到卡諾定律限制。它是一種低壓大電流裝置，在1-2伏電壓下，電流密度達到25-50(安培/厘米²)。如果鍋爐的豎管是熱離子發生器的陰極和陽極，且裡面充滿電離銫蒸汽的話，則高溫氣體的能量就可部分轉化為電能。

主要關注的表面性質是功函數，它是限制表面電子發射電流的屏障，本質上是表面電子的汽化熱，功函數主要由吸附在電極表面的一層銫原子所決定^[9]；電極間等離子體的性質則由熱離子轉換器的工作模式所決定^[10]：點燃(或「電弧」)模式下，等離子體通過熱等離子體電子(~3300 K)的內部電離來維持；未點火模式下，等離子體通過向冷等離子體中注入外部產生的正離子來維持；在混合模式下，等離子體是通過從熱等離子體電極區轉移到冷等離子體電極區來維持。

近期的研究

以上所引用的所有應用都採用了這樣的技術，即熱電子轉換器的基本物理理解和性能與1970年以前基本相同。但在1973年至1983年期間，美國在化石燃料工業和商業電力生產中對先進低溫熱離子轉換技術進行了重大研究，而且對太空反應堆和海軍反應堆的應用研究一直持續到1995年。這些研究表明，在較低的工作溫度下，通過向銫蒸汽中增氧 ^[11]、抑制電極表面電子反射^[12]以及通過混合模式操作，可有效改善轉換器的性能。同樣，俄羅斯也已證明通過使用含氧電極以及採用先進熱離子轉換器性能的系統設計研究所獲得的改善^[13]。最近的研究^[14]已表明，熱離子轉換器中激發出的銫原子形成銫-里德堡物質團簇，使收集極的輻射功函數從1.5電子伏特降低到1.0–0.7電子伏特。由於里德堡物質的長壽型性質，這種低功函數會在很長一段時間內保持較低的水平，這從根本上提高了低溫轉換器的效率。

參看

參考文獻

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