特開 2022-169890 原子力電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022169890

(43)【公開日】2022-11-10

(54)【発明の名称】原子力電池

(51)【国際特許分類】

   G21H 1/10 20060101AFI20221102BHJP

   H01L 35/30 20060101ALI20221102BHJP

【ＦＩ】

G21H1/10

H01L35/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021075592

(22)【出願日】2021-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木村 礼

(72)【発明者】

【氏名】宮寺 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】中込 宇宙

(72)【発明者】

【氏名】浅野 和仁

(57)【要約】

【課題】発熱密度の低い放射性同位体を熱源に用いても、熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくして、変換効率及び電気出力が向上する原子力電池を提供する。
【解決手段】原子力電池１０は、Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体１７を収容する収容容器１１と、この収容容器１１に接触する第１面２１とその反対側で冷却される第２面２２とを持ち放射性同位体１７の発熱を電力に変換する熱電素子１２と、この熱電素子１２の第２面２２に接触する基端部２５を持ちその反対側の末端部２６で放熱する伝熱部１５と、を備え、収容容器１１の全表面積に対し、熱電素子１２の第１面２１の接触面積Ａの占める割合を０．０１から０．５の範囲に設定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体を収容する収容容器と、
前記収容容器に接触する第１面とその反対側で冷却される第２面とを持ち前記放射性同位体の発熱を電力に変換する熱電素子と、
前記熱電素子の前記第２面に接触する基端部を持ちその反対側の末端部で放熱する伝熱部と、を備え、
前記収容容器の全表面積に対し、前記熱電素子の前記第１面の接触面積の占める割合を０．０１から０．５の範囲に設定する原子力電池。

【請求項2】

Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体を収容する収容容器と、
前記収容容器に接触する第１面とその反対側で冷却される第２面とを持ち前記放射性同位体の発熱を電力に変換する熱電素子と、
前記熱電素子の前記第２面に接触する基端部を持ちその反対側の末端部で放熱する伝熱部と、を備え、
前記熱電素子が非接触である前記収容容器の外表面は、輻射放熱を抑制する輻射放熱抑制部となる原子力電池。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の原子力電池において、
前記放射性同位体としてＡｍ－２４１が前記収容容器に収容されている原子力電池。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の原子力電池において、
前記熱電素子が非接触である前記収容容器の外表面には、輻射放熱を抑制するコーティングが施されている原子力電池。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子力電池において、
前記収容容器を内部空間で浮かせた状態で支持する筐体を備え、
前記伝熱部は、前記末端部が前記筐体の外部に配置され、前記熱電素子を押圧するように前記筐体に固定されている原子力電池。

【請求項6】

請求項５に記載の原子力電池において、
前記伝熱部には雄螺子が設けられており、前記筐体には前記雄螺子に螺合する雌螺子が設けられており、前記筐体に対する前記伝熱部の挿入量を調整することで、前記熱電素子に対する押圧量が設定される原子力電池。

【請求項7】

請求項５又は請求項６に記載の原子力電池において、
前記収容容器に、さらに別の熱電素子が、前記筐体に固定された別の伝熱部に押圧され接触している原子力電池。

【請求項8】

請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子力電池において、
前記伝熱部は、密閉管に収容した作動液を前記基端部で蒸発させ前記末端部で凝縮させることで前記熱電素子の前記第２面の冷却を促進するヒートパイプで構成されている原子力電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、熱電変換方式に基づく原子力電池に関する。

【背景技術】

【0002】

原子力電池は、半減期の長い放射性同位体が出す放射線のエネルギーを電気エネルギーに変える仕組みの電池である。この放射線のエネルギーを熱エネルギーとして利用する熱電変換方式を採る放射性同位体熱電気転換器（ＲＴＧ；Radioisotope thermoelectric generator）が宇宙開発の黎明期から長く宇宙探査等で実用化されている。このＲＴＧは、両端に温度差を生じさせると起電力が生じる熱電素子のゼーベック効果を利用し、放射性同位体の原子核崩壊の際に発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。

【0003】

このようなＲＴＧでは、熱源となる放射性同位体として、主にプルトニウム２３８（Ｐｕ－２３８）が用いられてきた。しかしながらこのＰｕ－２３８は、発熱密度が高くガンマ線を放出しないという熱源として望ましい性質を持つ一方で、生産・調達コストが極端に高いといった課題があった。このため、生産・調達コストがより安価である放射性同位体が、ＲＴＧの熱源として提案されている。

【0004】

そこで、ＲＴＧの熱源として利用が検討されるその他の放射性同位体として、キュリウム２４４（Ｃｍ－２４４）、ストロンチウム９０（Ｓｒ－９０）、アメリシウム２４１（Ａｍ－２４１）などが挙げられている。中でもＡｍ－２４１が、放射線遮蔽と発熱密度の観点より、Ｐｕ－２３８から代替されるＲＴＧの熱源として有望視されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】June F. Zakrajsek, et al., Next-Generation Radioisotope Thermoelectric Generator Presentation, NASA https://rps.nasa.gov/resources/69/next-generation-radioisotope-thermoelectric-generator-presentation/

【非特許文献2】Richard Ambrosi, et al., “AMERICIUM-241 RADIOISOTOPE THERMOELECTRIC GENERATOR DEVELOPMENT FOR SPACE APPLICATIONS”, 2013 International Nuclear Atlantic Conference (INAC 2013), Recife PE Brazil, November 24-29, 2013

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながらＡｍ－２４１の発熱密度は、Ｐｕ－２３８に比べて約１／５程度と低いために、エネルギーの利用効率を向上させるシステムの構築が求められている。
発電に熱電素子を用いるＲＴＧでは、エネルギーの利用効率の向上のために、この熱電素子の高温側と低温側の温度差を可能な限り大きくする事が考えられる。しかし、Ａｍ－２４１の様な発熱密度が低い熱源に熱電素子を張り付けると、この熱電素子を介した外部への熱リークにより熱源（高温側）の温度が低下してしまう。さらに低温側で輻射放熱を行う放熱板の面積が限られることから、高温側と低温側の温度差を付けにくく、変換効率及び電気出力が低下する課題を克服できないでいる。

【0007】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、発熱密度の低い放射性同位体を熱源に用いても、熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくして、変換効率及び電気出力が向上する原子力電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る原子力電池において、Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体を収容する収容容器と、前記収容容器に接触する第１面とその反対側で冷却される第２面とを持ち前記放射性同位体の発熱を電力に変換する熱電素子と、前記熱電素子の前記第２面に接触する基端部を持ちその反対側の末端部で放熱する伝熱部と、を備え、前記収容容器の全表面積に対し、前記熱電素子の前記第１面の接触面積の占める割合が０．０１から０．５の範囲にあることを特徴とする。

【0009】

また、実施形態に係る原子力電池において、Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体を収容する収容容器と、前記収容容器に接触する第１面とその反対側で冷却される第２面とを持ち前記放射性同位体の発熱を電力に変換する熱電素子と、前記熱電素子の前記第２面に接触する基端部を持ちその反対側の末端部で放熱する伝熱部と、を備え、前記熱電素子が非接触である前記収容容器の外表面は、輻射放熱を抑制する輻射放熱抑制部となることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態により、発熱密度の低い放射性同位体を熱源に用いても、熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくして、変換効率及び電気出力が向上する原子力電池が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（Ａ）本発明の第１実施形態に係る原子力電池の概略図、（Ｂ）その分解図。

【図2】原子力電池における熱伝導の式。

【図3】原子力電池において熱電素子の接触面積に対する電気出力の特性を、「輻射放熱」の影響を無視し「熱伝導」の影響のみを反映させて示したグラフ。

【図4】（Ａ）放射性同位体の発熱の収容容器からの伝熱経路を示す図、（Ｂ）コーティングにより輻射放熱が抑制された収容容器からの伝熱経路を示す図。

【図5】原子力電池において熱電素子の接触面積に対する電気出力の特性を、「輻射放熱」の影響及び「熱伝導」の影響を共に反映させて示したグラフ。

【図6】第２実施形態に係る原子力電池の概略図。

【図7】第２実施形態の変形例に係る原子力電池の概略図。

【図8】第３実施形態に係る原子力電池の概略図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る原子力電池１０Ａの概略図である。図１（Ｂ）はその分解図である。

【0013】

このように原子力電池１０Ａ（１０）は、Ｃｓ－１３７、Ｃｍ－２４４、Ｓｒ－９０、Ａｍ－２４１の中から選択される少なくとも一つの放射性同位体１７を収容する収容容器１１と、この収容容器１１に接触する第１面２１とその反対側で冷却される第２面２２とを持ち放射性同位体１７の発熱を電力に変換する熱電素子１２と、この熱電素子１２の第２面２２に接触する基端部２５を持ちその反対側の末端部２６で放熱する伝熱部１５と、を備えている。そして、収容容器１１の全表面積に対し、熱電素子１２の第１面２１の接触面積Ａの占める割合が０．０１から０．５の範囲に設定されている。

【0014】

Ｃｓ－１３７（半減期３０．１年）、Ｃｍ－２４４（半減期１８．１年）、Ｓｒ－９０（半減期２８．８年）、Ａｍ－２４１（半減期４３２．２年）は、いずれも放射性崩壊によってより安定な核種に変化し、その過程で崩壊熱を放出する。これら放射性同位体１７は、ＲＴＧ燃料として広く採用されるＰｕ－２３８（半減期８７．７年）と対比して、発熱密度が小さいが、生産・調達コストが比較的安価であるという利点を持つ。例示した放射性同位体１７のうち、発熱密度が比較的大きくガンマ線の放出が少ないＡｍ－２４１が好適に採用される。

【0015】

熱電素子１２は、２種類の異なる金属または半導体を接合して、両端に温度差を与えて起電力を生じさせるゼーベック効果を利用するものである。この熱電素子１２の一方の第１面２１を収容容器１１の表面に接触させて加熱する。そして、反対側の第２面２２を伝熱部１５の基端部２５に接触させて冷却する。これにより、第１面２１と第２面２２との間の温度差が拡大し、熱電素子１２は放射性同位体１７の発熱を電力に変換する。

【0016】

伝熱部１５は、熱伝導率が高い材料で構成され、一方の基端部２５が熱電素子１２の第２面２２に接触し、反対側の末端部２６が放熱部１６を形成している。そして、放熱部１６を冷却空間に置くか若しくは他の冷却媒体に接触されることで、基端部２５と末端部２６との温度差を大きくする。これにより、伝熱部１５を介した熱伝導による熱輸送により第２面２２における熱電素子１２の冷却が促進される。

【0017】

ここで、原子力電池１０は、宇宙空間の真空状態で使用することを想定している。このために、原子力電池１０の設計仕様は、熱輸送の三つの形態である「熱伝導」、「対流」、「輻射放熱」のうち、「熱伝導」及び「輻射放熱」の影響を検討すればよい。仮に「輻射放熱」を無視し「熱伝導」の影響のみを検討すると、放射性同位体１７の発熱は、全て伝熱部１５を経由して放熱部１６で放熱されることになる。

【0018】

このような仮想状態では、収容容器１１の全表面積に対する接触面積Ａの占める割合を小さくする程、第１面２１における熱流束密度が高くなり、熱電素子１２の電気出力が向上するといえる。しかし現実には、接触面積Ａの占める割合を小さくする程、収容容器１１の外表面から「輻射放熱」により散逸して発電に寄与しない熱量が増える。このために、使用する放射性同位体１７の発熱密度が小さい場合、熱電素子１２の電気出力を最大化させる収容容器１１との接触面積Ａの最適範囲があるといえる。

【0019】

図２は、原子力電池１０に適用される熱伝導の式である。これら、（１）～（５）式に基づいて、上述した考察を検証する。ここで、熱電素子１２の第１面２１と第２面２２との温度差ｄＴとすると、熱電素子１２の発電効率ηは、この温度差ｄＴの２乗に比例することが知られている。すると、熱電素子１２の発電量Ｐは、収容容器１１と熱電素子１２との接触面積Ａ、係数ｋを用いて、図２の式（１）のように表される。

【0020】

さらに、この温度差ｄＴは、熱電素子１２の厚さＬ、熱電素子１２の熱通過量Ｑ、熱電素子１２の熱伝導率λを用いて、図２の式（２）のように表される。そして、この式（２）を式（１）に代入して式（３）を得る。この式（３）において、放射性同位体１７の発熱Ｑが一定で、熱伝導率λ、厚さＬ等も変化が小さいとすると、接触面積Ａ以外を定数Ｃに置き換えることができ、図２の式（４）のように表すことができる。この式（４）は「輻射放熱」の影響を無視し「熱伝導」の影響のみを反映した特性を表している。

【0021】

図３は、原子力電池１０において熱電素子１２の接触面積Ａに対する電気出力の特性を、図２の熱伝導式（４）に基づいて示したグラフである。このように、「輻射放熱」の影響を無視し「熱伝導」の影響のみを反映した原子力電池１０における電気出力の特性は、熱電素子１２の収容容器１１に対する接触面積Ａが小さい程、優れているという結果が得られる。

【0022】

図４（Ａ）は放射性同位体１７の発熱の収容容器１１からの伝熱経路３０（３０ａ，３０ｂ）を示す図である。この伝熱経路３０は、熱電素子１２と伝熱部１５を経由する熱伝導３０ａによるものと、収容容器１１の外表面から直接される輻射放熱３０ｂによるものとに分類される。ここで、放射性同位体１７の全発熱量をＱ、熱伝導３０ａによる伝熱量Ｑtec、輻射放熱３０ｂによる放熱量Ｑradとすると、図２の式（５）の関係がある。

【0023】

図５は、原子力電池１０において熱電素子１２の接触面積Ａに対する電気出力の特性を、「輻射放熱」の影響及び「熱伝導」の影響を共に反映させて示したグラフである。このグラフは、Ａｍ－２４１と同等の発熱密度を持つ発熱面の温度として、熱電素子１２の第２面２２の温度にｄＴを加算した値を近似的に設定し、シミュレーションした結果である。ここで、式（２）のＱは式５のＱtecを用いる。

【0024】

このような条件でシミュレーションした結果、熱電素子１２の接触面積Ａが小さくなるに連れて電気出力は増加するものの、さらに一定値よりも接触面積Ａを小さくすると、この電気出力は減少に転じる。これは、熱電素子１２の接触面積Ａがこの一定値を超えて小さくなったところで輻射放熱３０ｂが急激に増加し、放射性同位体１７の発熱の多くが熱電素子１２を経由して熱伝導３０ａができなくなることに関係している。

【0025】

図４（Ｂ）はコーティング３１により輻射放熱３０ｂが抑制された収容容器１１からの伝熱経路３０（３０ａ，３０ｂ）を示す図である。このコーティング３１としては、セラミック製の真空ビーズの含有塗料を塗布したものや、アルミニウムシートを貼付したものや、銀メッキを施したりしたものが挙げられる。

【0026】

このように、熱電素子１２が非接触である収容容器１１の外表面に、輻射放熱３０ｂを抑制するコーティング３１を施すことができる。これにより、図５のグラフに示される電気出力のピーク位置を、接触面積Ａが小さくなる方向でかつ電気出力が大きくなる方向に改善することができる。

【0027】

このようなコーティング３１の有無を含め、設定条件を様々に変化させて接触面積Ａと電気出力の関係をシミュレーションした。その結果、熱電素子１２の電気出力を最大化させる最適条件が、収容容器１１の全表面積に対し熱電素子１２の第１面２１の接触面積Ａの占める割合が０．００５から０．５の範囲、また多くのケースで０．０２から０．２の範囲にあることを見出した。接触面積Ａの占める割合が０．００５よりも小さいと輻射放熱３０ｂの増大が避けられず電気出力が低下してしまう。そして、接触面積Ａの占める割合が０．５よりも大きいと、放射性同位体１７の発熱が熱電素子１２を介して外部に大量に熱リークしてしまう。その結果、収容容器１１との接触面（第１面２１）における温度が低下して、熱電素子１２の高温側と低温側の温度差が小さくなり電気出力が低下する。

【0028】

（第２実施形態）
次に図６から図７を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る原子力電池１０Ｂの概略図である。なお、図６及び図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0029】

第２実施形態に係る原子力電池１０Ｂは、第１実施形態と同様に、放射性同位体１７を収容する収容容器１１と、この放射性同位体１７の発熱を電力に変換する熱電素子１２と、この熱電素子１２に接触しその反対側で放熱する伝熱部１５と、を備え、収容容器１１の全表面積に対し、熱電素子１２の接触面積Ａの占める割合が０．０１から０．５の範囲に規定された構成を持つ。

【0030】

そして第２実施形態に係る原子力電池１０Ｂの特徴は、収容容器１１を内部空間１８で浮かせた状態で支持する筐体３２を、さらに備えている。そして伝熱部１５は、末端部２６が筐体３２の外部に配置され、熱電素子１２を押圧するように筐体３２に固定されている。

【0031】

さらに伝熱部１５には雄螺子（図示略）が設けられており、筐体３２にはこの雄螺子に螺合する雌螺子３５が設けられている。そして、筐体３２に対する伝熱部１５の挿入量を調整することで、熱電素子１２に対する押圧量を設定することができる。なお、収容容器１１を筐体３２から支持する支持部材３６は、放射性同位体１７の発熱が収容容器１１から直接に筐体３２へ熱伝導することを抑制する役割を持つ。さらにこの支持部材３６は、伝熱部１５及び熱電素子１２から受ける押圧力や運動に伴う慣性力に対して、筐体３２と収容容器１１とを一体化させておくのに十分な機械剛性を持つ。

【0032】

第２実施形態では、収容容器１１、熱電素子１２及び伝熱部１５のそれぞれの接触面において、押圧力が作用するために、接触熱抵抗が低減する。その結果、熱電素子１２の第１面２１と第２面２２との温度差を大きくすることができ、熱電素子１２の電気出力を向上させることができる。つまり、上述した接触面に隙間が存在すると、大きな接触熱抵抗が発生するが、押圧力を作用させることで接触面の隙間を無くすことができる。

【0033】

図７は第２実施形態の変形例に係る原子力電池１０Ｃの概略図である。この変形例に係る原子力電池１０Ｃにおいては、収容容器１１に、熱電素子１２ａ及び伝熱部１５ａとは異なる、さらに別の熱電素子１２ｂが、筐体３２に固定された別の伝熱部１５ｂに押圧され接触している。この別の伝熱部１５ｂにも雄螺子（図示略）が設けられており、筐体３２にはこの雄螺子に螺合する雌螺子３５ｂが設けられている。

【0034】

収容容器１１の全表面積に対し、熱電素子１２の接触面積Ａの占める割合を０．０１から０．５の範囲にする規定は、これら複数（図示は二つ）の熱電素子１２ａ，１２ｂの合わせた接触面積で適用される。また第２実施形態の変形例は、収容容器１１を平行な両端面から挟むように二つで一対の熱電素子１２ａ，１２ｂを配置した場合を例示しているが、これに限定されることはない。六面を持つ収容容器１１の残りの四面のそれぞれに対し、同様に熱電素子を配置し、筐体３２から伝熱部１５で押圧することができる。

【0035】

（第３実施形態）
次に図８を参照して本発明における第３実施形態について説明する。図８は第３実施形態に係る原子力電池１０Ｄの概略図である。なお、図８において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0036】

第３実施形態に係る原子力電池１０Ｄは、第１実施形態と同様に、放射性同位体１７を収容する収容容器１１と、この放射性同位体１７の発熱を電力に変換する熱電素子１２と、この熱電素子１２に接触しその反対側で放熱する伝熱部１５と、を備え、収容容器１１の全表面積に対し、熱電素子１２の接触面積Ａの占める割合が０．０１から０．５の範囲に規定された構成を持つ。さらに第２実施形態と同様に、収容容器１１を内部空間１８で支持し、熱電素子１２を押圧するように伝熱部１５を固定する筐体３２が設けられている。

【0037】

そして第３実施形態に係る原子力電池１０Ｄの特徴は、伝熱部１５が、ヒートパイプで構成されている点にある。すなわち第３実施形態では、伝熱部１５（ヒートパイプ）において、密閉管３７に収容した作動液３８を熱電素子１２に接触する基端部２５で蒸発させ末端部２６で凝縮させることで熱電素子１２との接触面（第２面２２（図１（Ｂ）））の冷却を促進する。このようなヒートパイプの機能により、熱電素子１２の高温側と低温側の温度差を大きくして電気出力を向上させることができる。

【0038】

以上述べた少なくともひとつの実施形態の原子力電池によれば、収容容器の全表面積に対し熱電素子の接触面積の占める割合が０．０１から０．５の範囲にあるといった特徴を持つことにより、発熱密度の低い放射性同位体を熱源に用いても、熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくして、変換効率及び電気出力が向上する。

【0039】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0040】

１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）…原子力電池、１１…収容容器、１２（１２ａ，１２ｂ）…熱電素子、１５（１５ａ，１５ｂ）…伝熱部、１６…放熱部、１７…放射性同位体、１８…内部空間、２１…第１面、２２…第２面、２５…基端部、２６…末端部、３０…伝熱経路、３０ａ…熱伝導、３０ｂ…輻射放熱、３１…コーティング、３２…筐体、３５…雌螺子、３６…支持部材、３７…密閉管、３８…作動液。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】