应用在深海极端环境下的放射源盒子及封装结构、电池

1.本发明涉及一种用于封装电池的放射源的盒子、具有所述盒子的放射源封装结构、具有所述放射源封装结构的电池，尤其涉及一种应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子、具有所述盒子的放射源封装结构、具有所述放射源封装结构的电池。

背景技术：

2.随着人类科学探索活动向太空、深海、极地等延伸，对在极端恶劣环境下能够安全、长期提供稳定电能供应的电池材料提出了更高要求，传统的化学电池、太阳能电池均不能满足使用要求。放射性同位素电池(rtg)是一种能够长时间提供稳定电能供应的电源装置，其工作原理是采用半导体能量转换器将放射性同位素衰变产生的热能转变为电能，具有尺寸小、重量轻、工作寿命长、性能稳定可靠、环境耐受性好等特点。
3.包壳材料(pics)是rtg的密封外壳，要求材料能够承受高温、高压、大温度梯度、强中子辐照，并且能够耐腐蚀、抗振动，不发生吸氢致脆等。对于百瓦级(mhw)以下的低功率rtg，可选择铂合金包壳材料，而目前能够用于百瓦级以上rtg的包壳材料只有铱合金能够满足高性能使用要求。
4.单一的ta金属已难以满足目前人类的发展需求，在此背景下，各式各样的ta合金应运而生。加入合金元素的纯钽，其力学性能，尤其是强度得到提高。钽钨合金作为一种重要的结构功能材料，广泛应用于航天结构件和真空炉元件等。然而，根据王珊等人的研究，ta-w合金的最高硬度仍难以满足现代科技的迅速发展的需求，如高速航空航天飞行器长时间安全服役的需求。
5.从复合材料发展趋势来看，在金属基体中掺杂单一组元对性能的提高是有极限的，很难获得综合性能优异的复合材料，如在ta加入w，在w的含量超过一定值时，ta-w合金的性能开始下降，因此极端环境中对放射源的屏蔽防护效果不佳。另外，目前放射性同位素电池封装方式一般是将同位素源层粘接或者镀到电池表面，放射性同位素电池的能量转换效率的提高具有局限性。

技术实现要素：

6.为了解决极端环境中对放射源的屏蔽防护效果不佳的技术问题，本发明提供一种应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子、具有所述盒子的放射源封装结构、具有所述放射源封装结构的电池。。
7.本发明采用以下技术方案实现：一种应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，所述深海极端环境指：在200mpa压强下，同时承受所述放射源500～800℃的工况温度；所述盒子为多层结构，由内而外依次为：稀贵金属及合金体系层、钽钨基合金层、碳基材料层、镍铜基合金层；
8.其中，稀贵金属及合金体系层包括钌ru、铑rh、钯pd、锇os、铱ir、铂pt、钍th及合金体系，合金的组成为其中任意几种的组合；
9.钽钨基合金层为钽或钨合金或者是含有难熔金属元素的合金；
10.碳基材料层为碳纤维结构或者石墨烯结构复合材料或者碳成分为主的复合材料；
11.镍铜基合金层包含锆zr、钛ti、铌nb、钒v强化剂中的一种或者几种。
12.作为上述方案的进一步改进，钽钨基合金层为掺杂铪hf，锆zr，铌nb，钇y金属元素所形成的结构层；
13.和/或，碳基材料层为碳纤维结构是，所述碳纤维结构为纤维状、或者片状、或者网状、或者致密的板状、或者块状。
14.作为上述方案的进一步改进，稀贵金属及合金体系层为ru-70％rh，钽钨基合金层为ta-10％w-0.5％y合金，碳基材料层为网状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层为ni-30％cu-1％zr合金。
15.作为上述方案的进一步改进，稀贵金属及合金体系层为ir-70％ru合金，钽钨基合金层为ta-15％w-1％nb合金，碳基材料层为片状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层为ni-25％cu-1％v合金。
16.作为上述方案的进一步改进，稀贵金属及合金体系层为pt-60％os合金，钽钨基合金层为ta-30％w-1％zr合金，碳基材料层为氧化石墨烯增强多孔石墨复合材料，镍铜基合金层为ni-20％cu-2％ti合金。
17.作为上述方案的进一步改进，稀贵金属及合金体系层为pt-60％ir-1％th合金，钽钨基合金层为ta-40％w-1％hf合金，碳基材料层为碳化硅-石墨烯掺杂碳基复合材料，镍铜基合金层为ni-25％cu-0.5％nb合金。
18.本发明还提供一种放射源封装结构，其包括：
19.多个盒子；
20.外包壳，将多个盒子相互独立包覆；
21.其中：盒子为上述任意应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子。
22.作为上述方案的进一步改进，外包壳包括：
23.上包壳；
24.与上包壳拼接组装的下包壳；
25.其中，上包壳与下包壳的拼接轨迹呈“波浪形”或“锯齿形”。
26.作为上述方案的进一步改进，外包壳为ni-30％cu-1％zr合金制成。
27.本发明还提供一种电池，其包括：
28.至少有一个放射源；
29.与至少一个放射源相对应的至少一个盒子，每个盒子用于封装相应的放射源；
30.一个外包壳，其用于将所有盒子相互独立包覆；
31.其中，盒子为上述任意应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子；
32.外包壳为上述任意放射源封装结构中的外包壳。
33.本发明的放射性同位素电池的封装结构，其最内层采用稀贵金属及合金材质，次内层材料为钽钨基合金材质，次外层为碳基材料，最外层采用镍铜基合金材质。该多层屏蔽结构采用单体模块化设计，在屏蔽结构的组合方面，可以采用圆柱体、立方体、三棱柱等多种不同结构的排列组合方式，同时外层包壳结构设计可以采用“波浪形”与“折线形”等结构以增加其表面积，从而增加同位素电池换能器的数量和接触面积，达到提高换能效率和保
证足够强度的目的。
附图说明
34.图1为本发明较佳实施例提供的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子的轴向剖面示意图。
35.图2与图1相似，其为本发明较佳实施例提供的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子的径向剖面示意图。
36.图3为采用图1所示的两个单体即两个盒子上下垂直堆叠组合方式示意图。
37.图4为采用图1所示的3个单体上下垂直堆叠加的组合方式示意图。
38.图5为采用图1所示的5个单体多个单体的水平组合排列方式的俯视图。
39.图6与图3、4相似，为采用4个立方体单体的水平组合排列方式的俯视图。
40.图7与图3、4相似，为采用4个三棱柱单体的水平组合排列方式的俯视图。
41.图8为采用多个图1所示的盒子利用“波浪形”外包壳设计的俯视图。
42.图9为采用多个图1所示的盒子利用“锯齿形”外包壳设计的俯视图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.请参阅图1及图2，其中，图1为本发明较佳实施例提供的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子的轴向剖面示意图；图2与图1相似，其为本发明较佳实施例提供的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子的径向剖面示意图。盒子5的形状可以采用圆柱体、立方体、椭圆体、三棱柱等结构中的一种或者多种形式的组合。在本实施例中，盒子5的形状为圆柱体。
45.本发明的盒子5为具有放射源屏蔽效果的高强度的耐高温高压耐腐蚀多层屏蔽结构装置，用于极端环境中的对放射源如放射性同位素的屏蔽防护。所述深海极端环境指：在200mpa压强下，同时承受所述放射源500～800℃的工况温度。盒子5为多层结构，由内而外依次为：稀贵金属及合金体系层1、钽钨基合金层2、碳基材料层3、镍铜基合金层4。层与层之间采用焊接等方式进行结合。本发明的盒子5在200mpa压强下能耐500～800℃的高温。接下去对每一层做详细解说。
46.稀贵金属及合金体系层1是最内层，稀贵金属及合金体系层1的材料具体可以包括钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、锇(os)、铱(ir)、铂(pt)、钍(th)及合金体系，合金的组成可以为其中任意几种的组合。最内层稀贵金属及合金的组成中钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、锇(os)、铱(ir)、铂(pt)、钍(th)的比例可以在1％～100％范围内任意调整。
47.最内层采用稀贵金属及合金材料，可以在较高压强下承受高温放射源的轰击，阻止放射性物质的泄露，确保放射源的安全及减少对人体的辐照损伤。其中，最内层采用稀贵金属及合金体系，具有熔点高、强度高、耐腐蚀性良好的特点。
48.钽钨基合金层2是次内层，钽钨基合金层2的成分可以为钽或钨合金或者是含有其他难熔金属元素的合金，如掺杂少量铪(hf)，锆(zr)，铌(nb)，钇(y)等等金属元素所形成的
结构层。次内层的材料为钽钨基合金中钽或钨的比例可以在1％～100％范围内任意调整，同时掺杂金属元素铪(hf)，锆(zr)，铌(nb)，钇(y)等的量在0％～10％范围内任意调整。
49.次内层的钽钨基合金材料可以利用其优异的力学性能，包裹抗压强度和抗拉强度指标性能较好，可以保证内部腔体结构在高温高压条件下不发生收缩变形或者结构破裂。其中，次内层合金的钽钨合金材料需要优异的强度性能。本发明的屏蔽材料的次内层中使用的是添加了铪(hf)，锆(zr)，铌(nb)，钇(y)等微量成分的钽钨合金。不同于传统的钽钨基合金，该合金在保持原有优异的强度性能的同时，其韧性显著提高。
50.钽钨基合金具有良好的延展性、可焊接性和优良的耐腐蚀性能，高温韧性好、耐冲击，适用于高温、高压、耐腐蚀等工作环境。添加了铪(hf)，锆(zr)，铌(nb)，钇(y)等之后的合金在保持原有优异的强度性能的同时，韧性显著提高。
51.碳基材料层3是次外层，碳基材料层3的材料可以为碳纤维结构或者石墨烯结构复合材料或者其他碳成分为主的复合材料：碳材料的结构可以是纤维状、片状、网状、致密的板状或者块状。
52.次外层采用碳基材料，考虑到碳材料的耐高温和隔热缓冲效果，本发明设计了多种结构的碳基材料，如碳纤维增强石墨复合材料，石墨烯增强复合材料，碳基材料可以采用纤维状结构、网状结构、片状结构、致密的板状结构或者块体结构的形式。
53.镍铜基合金层4是最外层，镍铜基合金层4是镍铜基合金，同时合金中可以包含少量的锆(zr)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)等强化剂中的一种或者几种。最外层为镍铜基合金，镍或铜的比例可以在1％～100％范围内任意调整，同时强化剂锆(zr)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)等的量在0％～10％范围内任意调整。
54.最外层采用镍铜基合金体系，同时加入强化剂元素，如锆(zr)、钛(ti)、铌(nb)、钒(v)等，不仅可以起到强度增加的效果，同时还能起到耐腐蚀的作用。
55.考虑到实际电池如放射性同位素电池不同的对热源功率的需求，设计成若干单体放射性屏蔽结构，每个屏蔽结构单体均采用上述多层结构的设计模式。即除了单体的多层结构设计之外，本发明采用了多个单体以多种垂直和水平的不同的堆叠排列组合方式，如图3、图4所示。
56.每一个屏蔽结构单体都是由四层不同的材料组织，根据实际放射性同位素电池对热源放热功率的需要，设计成由多个单体模块来组合拼接，单体模块之间可以采用垂直堆叠的方式来组合，如图2所示。多个单体同样可以以垂直堆叠的方式构成新的结构，以图3中的3个单体垂直堆叠组合方式为例。单体的数量可根据同位素电池的实际功率需求来增加或减少。因此，多个单体同样可以以垂直堆叠的方式构成新的结构，以图3中的2个单体垂直堆叠组合方式、图4中的3个单体垂直堆叠组合方式为例。单体的数量可根据同位素电池的实际功率需求来增加或减少。故，模块化设计不仅可以使整体组装更加灵活，按需设计，减少过多的余量，又能提高放射源的安全性和稳定性。
57.本实施例的盒子5可以采用外包壳6将多个盒子相互独立包覆，如图5、图6、图7所示。盒子5、外包壳6构成放射性同位素电池的主体构架。本发明的放射性同位素电池包括：至少一个放射源(图未示)、与至少一个放射源相对应的至少一个盒子5、一个外包壳6。每个盒子5用于封装相应的放射源，一个外包壳6用于将所有盒子5相互独立包覆。
58.图5为以5个单体为例的多个单体的水平组合排列方式，单体即盒子5之间采用外
包壳6相互独立包覆，单体的数量可根据同位素电池的实际功率需求进行增加或减少。图6为以5个单体为例的多个单体的水平组合排列方式。单体的形状可以是圆柱体、立方体、椭圆体、三棱柱等。以图6中的单体以立方体为例，单体即放射性同位素电池的盒子5，多个盒子5之间采用外包壳6相互独立包覆。外包壳6的材质可选用ni-30％cu-1％zr合金。图7为以5个单体为例的多个单体的水平组合排列方式。单体的形状可以是圆柱体、立方体、椭圆体、三棱柱等。图7中的单体以三棱柱为例，材质也可选用ni-30％cu-1％zr合金。
59.除了常规的放射性同位素电池屏蔽材料的常规的结构，本次发明还采用了特殊的外包壳6结构设计。外包壳6包括：上包壳7、与上包壳7拼接组装的下包壳8。其中，上包壳7与下包壳8的拼接轨迹呈“波浪形”或“锯齿形”，如图8、图9所示。
60.图8所示为以5个单体为例的“波浪形”外包壳设计图，图9所示为以5个单体为例的“锯齿形”外包壳设计图。“波浪形”和“锯齿形”特殊的外包壳体结构设计会增加其表面积，从而增加换能器的数量，达到提高换能效率的目的。
61.在本实施例中，稀贵金属及合金体系层1为ru-70％rh，钽钨基合金层2为ta-10％w-(0.5％～1％)y合金，碳基材料层3为网状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层4为ni-(25％～30％)cu-1％zr合金。
62.实验例1：稀贵金属及合金体系层1为ru-70％rh，钽钨基合金层2为ta-10％w-0.5％y合金，碳基材料层3为网状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层4为ni-30％cu-1％zr合金。通过力学性能检测，盒子的屈服强度大于300mpa。
63.实验例2：稀贵金属及合金体系层为ir-70％ru合金，钽钨基合金层为ta-15％w-1％nb合金，碳基材料层为片状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层为ni-25％cu-1％v合金。通过力学性能检测，盒子的屈服强度大于300mpa。
64.实验例3：稀贵金属及合金体系层1为pt-60％os合金，钽钨基合金层2为ta-30％w-1％zr合金，碳基材料层3为氧化石墨烯增强多孔石墨复合材料，镍铜基合金层4为ni-20％cu-2％ti合金。通过力学性能检测，盒子的屈服强度大于300mpa。
65.实验例4：稀贵金属及合金体系层1为pt-60％ir-1％th合金，钽钨基合金层2为ta-40％w-1％hf合金，碳基材料层3为碳化硅-石墨烯掺杂碳基复合材料，镍铜基合金层4为ni-25％cu-0.5％nb合金。通过力学性能检测，盒子的屈服强度大于300mpa。
66.本发明的放射性同位素电池的盒子不同于传统的放射性同位素电池的屏蔽材料的结构，该发明使用了特殊的外包壳结构设计，分别采用“波浪形”和“锯齿形”特殊的外包壳体结构设计，增加其表面积，从而增加换能器的数量，达到提高换能效率的目的。
67.本发明的放射性物质的盒子可以在极端环境中用于屏蔽放射源，盒子的材料是具有高强度的耐高温屏蔽材料；盒子采用多层屏蔽结构材料组合的方式，同时对屏蔽结构的组合形式及结构进行了设计，来实现耐高温高压屏蔽的效果，同时现在同位素电池换能器接触面积的增大，提高电池的热效率。本发明设计新颖合理，实现方便，抗放射性能强、力学性能好，可以在条件极端的环境中用于对放射源的屏蔽防护。
68.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，所述深海极端环境指：在200mpa压强下，同时承受所述放射源500～800℃的工况温度；其特征在于，所述盒子为多层结构，由内而外依次为：稀贵金属及合金体系层(1)、钽钨基合金层(2)、碳基材料层(3)、镍铜基合金层(4)；其中，稀贵金属及合金体系层(1)包括钌ru、铑rh、钯pd、锇os、铱ir、铂pt、钍th及合金体系，合金的组成为其中任意几种的组合；钽钨基合金层(2)为钽或钨合金或者是含有难熔金属元素的合金；碳基材料层(3)为碳纤维结构或者石墨烯结构复合材料或者碳成分为主的复合材料；镍铜基合金层(4)包含锆zr、钛ti、铌nb、钒v强化剂中的一种或者几种。2.如权利要求1所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，其特征在于：钽钨基合金层(2)为掺杂铪hf，锆zr，铌nb，钇y金属元素所形成的结构层；和/或，碳基材料层(3)为碳纤维结构是，所述碳纤维结构为纤维状、或者片状、或者网状、或者致密的板状、或者块状。3.如权利要求1所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，其特征在于：稀贵金属及合金体系层(1)为ru-70％rh，钽钨基合金层(2)为ta-10％w-0.5％y合金，碳基材料层(3)为网状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层(4)为ni-30％cu-1％zr合金。4.如权利要求1所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，其特征在于：稀贵金属及合金体系层(1)为ir-70％ru合金，钽钨基合金层(2)为ta-15％w-1％nb合金，碳基材料层(3)为片状碳纤维增强石墨复合材料，镍铜基合金层(4)为ni-25％cu-1％v合金。5.如权利要求1所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，其特征在于：稀贵金属及合金体系层(1)为pt-60％os合金，钽钨基合金层(2)为ta-30％w-1％zr合金，碳基材料层(3)为氧化石墨烯增强多孔石墨复合材料，镍铜基合金层(4)为ni-20％cu-2％ti合金。6.如权利要求1所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子，其特征在于：稀贵金属及合金体系层(1)为pt-60％ir-1％th合金，钽钨基合金层(2)为ta-40％w-1％hf合金，碳基材料层(3)为碳化硅-石墨烯掺杂碳基复合材料，镍铜基合金层(4)为ni-25％cu-0.5％nb合金。7.一种放射源封装结构，其包括：多个盒子(5)；外包壳(6)，将多个盒子(5)相互独立包覆；其特征在于：盒子(5)为如权利要求1至6中任意一项所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子。8.如权利要求7所述的放射源封装结构，其特征在于：外包壳(6)包括：上包壳(7)；与上包壳(7)拼接组装的下包壳(8)；其中，上包壳(7)与下包壳(8)的拼接轨迹呈“波浪形”或“锯齿形”。9.如权利要求7所述的放射源封装结构，其特征在于：外包壳(6)为ni-30％cu-1％zr合
金制成。10.一种电池，其包括：至少有一个放射源；与至少一个放射源相对应的至少一个盒子(5)，每个盒子(5)用于封装相应的放射源；一个外包壳，其用于将所有盒子(5)相互独立包覆；其特征在于，盒子(5)为如权利要求1至6中任意一项所述的应用在深海极端环境下用于封装电池的放射源的盒子；外包壳为如权利要求7至9中任意一项所述的放射源封装结构中的外包壳(6)。

技术总结

本发明公开了应用在深海极端环境下的放射源盒子及封装结构、电池。所述深海极端环境指：在200MPa压强下，同时承受所述放射源500～800℃的工况温度。所述盒子为多层结构，由内而外依次为：稀贵金属及合金体系层、钽钨基合金层、碳基材料层、镍铜基合金层。稀贵金属及合金体系层包括钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt、钍Th及合金体系，合金的组成为其中任意几种的组合。钽钨基合金层为钽或钨合金或者是含有难熔金属元素的合金。碳基材料层为碳纤维结构或者石墨烯结构复合材料或者碳成分为主的复合材料。镍铜基合金层包含锆Zr、钛Ti、铌Nb、钒V强化剂中的至少一种。该结构同时具有熔点高、强度高、耐腐蚀性良好、力学性能高等优点。力学性能高等优点。力学性能高等优点。