Un convertidor termoiónico consta de un electrodo caliente que emite electrones termoiónicamente a través de una barrera de energía potencial hacia un electrodo más frío, lo que produce una salida de energía eléctrica útil. El vapor de cesio se utiliza para optimizar las funciones de trabajo del electrodo y proporcionar un suministro de iones (por ionización superficial o ionización por impacto de electrones en un plasma) para neutralizar la carga espacial de los electrones .
Desde un punto de vista físico-electrónico, la conversión de energía termoiónica es la producción directa de energía eléctrica a partir del calor mediante la emisión termoiónica de electrones. Desde un punto de vista termodinámico , [1] es el uso de vapor de electrones como fluido de trabajo en un ciclo de producción de energía. Un convertidor termoiónico consta de un electrodo emisor caliente desde el cual los electrones se vaporizan por emisión termoiónica y un electrodo colector más frío en el que se condensan después de la conducción a través del plasma entre electrodos . La corriente resultante, típicamente varios amperios por centímetro cuadrado de superficie del emisor, suministra energía eléctrica a una carga con una diferencia de potencial típica de 0,5 a 1 voltio y una eficiencia térmica del 5 al 20 %, dependiendo de la temperatura del emisor (1500 a 2000 K) y el modo de operación. [2] [3]
Después de la primera demostración práctica del convertidor termoiónico de vapor de cesio en modo arco por V. Wilson en 1957, varias aplicaciones del mismo fueron demostradas en la década siguiente, incluyendo su uso con fuentes de calor solares , de combustión , de radioisótopos y de reactores nucleares . La aplicación más seriamente perseguida, sin embargo, fue la integración de elementos de combustible nuclear termoiónico directamente en el núcleo de reactores nucleares para la producción de energía eléctrica en el espacio. [4] [5] La temperatura de operación excepcionalmente alta de los convertidores termoiónicos, que hace que su uso práctico sea difícil en otras aplicaciones, le da al convertidor termoiónico ventajas decisivas sobre las tecnologías de conversión de energía competidoras en la aplicación de energía espacial donde se requiere rechazo de calor radiante. Se llevaron a cabo importantes programas de desarrollo de reactores espaciales termoiónicos en los EE. UU. , Francia y Alemania en el período 1963-1973, y los EE. UU. reanudaron un importante programa de desarrollo de elementos de combustible nuclear termoiónico en el período 1983-1993.
Los sistemas de energía termoiónica se utilizaron en combinación con varios reactores nucleares ( BES-5 , TOPAZ ) como suministro de energía eléctrica en varios satélites de vigilancia militar soviéticos entre 1967 y 1988. [6] [7] Véase Kosmos 954 para más detalles.
Aunque la prioridad para el uso de reactores termoiónicos disminuyó a medida que se redujeron los programas espaciales de Estados Unidos y Rusia , la investigación y el desarrollo de tecnología en la conversión de energía termoiónica han continuado. En los últimos años se llevaron a cabo programas de desarrollo de tecnología para sistemas de energía espacial termoiónicos calentados con energía solar. Se han desarrollado prototipos de sistemas termoiónicos calentados por combustión para la cogeneración de energía eléctrica y calor domésticos , y para la rectificación . [8]
Los aspectos científicos de la conversión de energía termoiónica se refieren principalmente a los campos de la física de superficies y la física del plasma . Las propiedades de la superficie del electrodo determinan la magnitud de la corriente de emisión de electrones y el potencial eléctrico en las superficies del electrodo, y las propiedades del plasma determinan el transporte de la corriente de electrones desde el emisor hasta el colector. Todos los convertidores termoiónicos prácticos hasta la fecha emplean vapor de cesio entre los electrodos, que determina tanto las propiedades de la superficie como las del plasma. Se emplea cesio porque es el elemento estable que se ioniza con mayor facilidad.
Un generador termoiónico es como un motor térmico cíclico y su máxima eficiencia está limitada por la ley de Carnot. Es un dispositivo de alta corriente y bajo voltaje en el que se han logrado densidades de corriente de 25 a 50 (A/cm2) a un voltaje de 1 a 2 V. La energía de los gases a alta temperatura se puede convertir parcialmente en electricidad si los tubos ascendentes de la caldera se proporcionan como cátodo y ánodo de un generador termoiónico con el espacio intermedio lleno de vapor de cesio ionizado.
La propiedad superficial de interés primario es la función de trabajo , que es la barrera que limita la corriente de emisión de electrones desde la superficie y esencialmente es el calor de vaporización de los electrones desde la superficie. La función de trabajo está determinada principalmente por una capa de átomos de cesio adsorbidos en las superficies de los electrodos. [9] Las propiedades del plasma entre electrodos están determinadas por el modo de operación del convertidor termoiónico. [10] En el modo encendido (o "arco"), el plasma se mantiene a través de la ionización interna por electrones de plasma caliente (~ 3300 K); en el modo no encendido, el plasma se mantiene a través de la inyección de iones positivos producidos externamente en un plasma frío; en el modo híbrido, el plasma se mantiene por iones de una región entre electrodos de plasma caliente transferidos a una región entre electrodos de plasma frío.
Todas las aplicaciones citadas anteriormente han empleado tecnología en la que la comprensión física básica y el rendimiento del convertidor termoiónico eran esencialmente los mismos que los logrados antes de 1970. Sin embargo, durante el período de 1973 a 1983, se llevó a cabo en los EE. UU. una importante investigación sobre tecnología avanzada de convertidores termoiónicos de baja temperatura para la producción de energía eléctrica industrial y comercial a partir de combustibles fósiles, que continuó hasta 1995 para posibles aplicaciones en reactores espaciales y navales . Esa investigación ha demostrado que ahora se pueden obtener mejoras sustanciales en el rendimiento del convertidor a temperaturas de operación más bajas mediante la adición de oxígeno al vapor de cesio [11], mediante la supresión de la reflexión de electrones en las superficies de los electrodos [12] y mediante el funcionamiento en modo híbrido. De manera similar, se han demostrado mejoras mediante el uso de electrodos que contienen oxígeno en Rusia junto con estudios de diseño de sistemas que emplean el rendimiento avanzado del convertidor termoiónico. [13] Estudios recientes [14] han demostrado que los átomos de Cs excitados en convertidores termoiónicos forman grupos de materia de Rydberg de Cs que producen una disminución de la función de trabajo de emisión del colector de 1,5 eV a 1,0 – 0,7 eV. Debido a la naturaleza de larga duración de la materia de Rydberg, esta baja función de trabajo permanece baja durante mucho tiempo, lo que esencialmente aumenta la eficiencia del convertidor de baja temperatura.
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