Fission: réacteur compact, léger et puissant

[invitecc43cae8]

Etant donné:
L'uranium U92 fond à 1132,3° et son point d'ébulition est à 3818°C.
Le plutonim Pu94, respectivement 641° et 3232°C
Une pile thermoïonique est chauffée à 1650°C sur l'une de ses deux faces, l'autre face est maintenue à 1150°C. Sur la tranche de température 1650 à 1150°C, le rendement de conversion est de 90% (peut atteindre 95%): les atomes de césium que contient la pile thermoïonique perdent un électron au contact de la face chaude et le récupèrent sur l'autre face. (Ce procédé a été sélectionné et est utilisé sur la navette spatiale américaine, la source de chaleur provenant de la combustion de H2 avec O2).

Concept:
une barre d'U92 de section circulaire dont le diamètre et la composition sont calculés de façon à ce qu'elle génère et entretienne une température supérieure ou égale à 1650°C est directement au contact de la face chaude interne d'une pile thermoïonique de forme cylindrique (et la face dite à "1150°C" étant la face extérieure de la pile cylindrique).
La face extérieure étant recouverte d'un isolant thermique variable avec pile thermoélectrique (nouvelle génération dite à "couche mince").

Ce dispositif, s'il est réaliste (c'est la question), serait destiné à servir de source d'énergie électrique de très forte puissance pour véhicules spatiaux à propulsion ionique.
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[invitea0046ad4]

Bonjour

Les sondes spatiales utilisent des générateurs radio-isotopiques basé sur une effet thermo-électrique depuis longtemps, mais le rendement est très mauvais, inférieur à 10%.
En puissance massique, c'est même moins bon que des panneaux solaires, au niveau de l'orbite terrestre.
La puissance typique de ces générateurs est de l'ordre de qq centaines de We : adapté aux sondes automatiques, mais pas pour des véhicules plus importants.

Pour produire les MWe nécessaires à la propulsion un vaisseau de qq centaines de tonnes, on étudie plutôt des générateurs à conversion dynamique : cycle Stirling pour des sondes (intéressant jusqu'à qq dizaines de kWe), cycle Brayton dans la gamme 1-10 MWe. Avec des rendements typiques de l'ordre de 20 à 25% (c'est la limite thermodynamique, déterminée par la température de fonctionnement).
Je serais surpris qu'un réacteur thermoionique puisse fournir ces niveaux de puissance avec un bon rendement, mais si tu as des références là dessus, ça m'intéresse.

A+

[invitecc43cae8]

Tout à fait. La NASA étudie actuellement un générateur stirling qui aurait donc un meilleur rendement que la solution thermo-électrique classique (cf. voyager1 et 2 par exemple) mais les vibrations sont interdites sur ces sondes et là ça se complique. Ils n'ont toujours pas pris de décison (à ma connaissance).
Quoi qu'il en soit, l'idée que je soumet est celle-ci: puisque le combustible nucléaire permet d'atteindre des températures élevées et DONC autorise de meilleurs rendements, pourquoi s'en priver?
Il y aurait donc, si l'on peut dire, un étage de plus: pile thermoïonique dont le rendement est phénoménal dans les hautes températures PLUS... un cycle Brayton ou un dispositif thermo-électrique pour la tranche de température inférieure.
De plus, de récentes avancées dans les piles thermo-électriques laissent entrevoir des rendements biens meilleurs que pour la technologie utilisée par les sondes voyager par exemple.
Les deux ensemble ce serait pas mal!...
L'idée est récente et je la soumet au collectif. Je ne vois pas ce qui pourrait faire que ça ne marche pas. Discutons-en !

[invitea0046ad4]

Salut

Je vois que tu es un peu documenté. Ca devrait donc être intéressant.
En ce qui concerne la température élevée, on est quand même limité par la température de fusion et les matériaux disponibles, quel que soit le système conversion.

Les convertisseurs dynamiques posent effectivement pas mal de problèmes qui retardent leur mise au point :
- qui dit pièces en mouvement dit vibrations, qu'il faut neutraliser sur des sondes conçues pour faire des mesures fines
- problème de fiabilité : le turbo-alternateur doit pouvoir fonctionner en continu pendant une durée de 10 ans ou plus, évidemment sans maintenance. Il y a donc des problèmes d'usure, et pour cette raison, on prévoit une redondance, au moins partielle.
Par contre, dans le principe, on sait faire des convertisseurs dynamiques de toute puissance, jusqu'à des centaines de MW comme dans les centrales nucléaires terrestres. Et ça fait 50 ans qu'on fait des réacteurs nucléaires pour propulser des sous-marins ou des navires. Il y a évidemment du travail pour adapter tout celà à l'environnement spatial (gravité 0, forts écarts de température, maintenance, etc.), mais on ne part pas de rien.

En lisant les rapports de la NASA, il semble qu'on s'oriente vers un réacteur de 100 kWe destiné aux sondes, à conversion Stirling.
C'est assez cohérent avec les informations suivantes :
- un réacteur de 100 kWe a été développé à partir des années 1980, dans le cadre de l'IDS. Développement arrêté en cours de route (au moins officiellement), et repris il y a quelques années (SP-100)
- la NASA est en train de tester un nouveau moteur plasmique à effet Hall, d'une puissance nominale de 50 kWe, mais qui a été poussé à 100 kWe, produisant qq N de poussée
- ces technologies devraient être validées pour l'orbiteur JIMO, une énorme sonde de 20t (!) qui doit être lancée vers Jupiter d'ici 2015, et mue par une propulsion électrique (moteur Hall ou moteur ionique).
Là encore, une puissance de 100 kWe est tout à fait adaptée.

Les vols habités nécessiteraient un réacteur d'une puissance de 5 à 10 Mwe, ce qui est un autre développement, à échéance plus lointaine.
Sans aller jusqu'aux MW, un générateur à conversion statique, d'une puissance de 50 à 100 kWe présenterait un grand intérêt pour propulser des sondes.
Mais je n'ai pas trouvé de référence de générateur thermo-ionique atteignant ces niveaux de puissance. On trouve plutôt des générateurs de qq centaines de We, destinés uniquement à alimenter l'instrumentation de bord.
Donc, toute référence précise (rapport de recherche, thèse, ...) sur le sujet m'intéresse.

Accessoirement, dans le domaine des réacteurs nucléaires spatiaux, l'Europe brille par son absence, et celà risque bien de bloquer le développement de la propulsion électrique, de ce côté ci de l'Atlantique (sans parler du générateur nucléaire, on a déjà bien 10 ans de retard apparent dans la propulsion électrique, et en fait plus que ça si on considère que Smart-1 reprend pratiquement en l'état une technologie russe).
Là encore, je suis preneur de toute référence.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitecc43cae8]

Pour ce qui est des alliages haute température, dans un tel dispositif il n’y a ni abrasion ni pièce mobile.
Plus, étant donné que le réacteur est destiné à l’espace et qu’il ne sera donc jamais soumis à une forte accélération en service (il serait froid pour mise en orbite), les contraintes mécaniques sont extrêmement faibles, ce qui autorise d’envisager l’utilisation d’une plus large gamme d’alliages haute température et donc d’en sélectionner un qui ait une conductivité thermique satisfaisante. Dans ces conditions, une température de 1700° (voire 2000°C) n’est certainement pas insurmontable. Les alliages qui sont déjà utilisés pour les piles thermoioniques seraient de bons candidats (mais là s’ajoute la question de la tenue dans le temps à l’intense bombardement neutronique).
La stabilisation et le réglage de l’intensité du cœur pourrait se faire par l’insertion d’une ou plusieurs barre de graphite dans un orifice situé au centre du combustible. Ainsi, vue en coupe, en partant du centre et vers la périphérie, nous aurions : espace vide (barres de graphite retirées), alliage HT ou conteneur du combustible fissile, combustible fissile, alliage HT dudit conteneur, césium à l’état de plasma, face froide (1150°) de la pile thermoionique (multiple), alliage bon conducteur thermique (avec ponts thermiques avec face à 1650° et afin de tenir les 1150° et les répartir uniformément : évite les dépôts de césium sur face « froide »), un autre alliage : une couche à conductivité thermique très moyenne pour tenir les 1150°, et enfin les piles thermoélectriques. Voilà un schémas de base, hypothèse de travail.

C’est la simplicité (relative), la fiabilité, le rapport poids/puissance, qui constitueraient des avantages tels qu’ils mériteraient, je pense, notre attention (pour le moins).

Pour ce qui est de la propulsion par effet Hall je pense retrouver sous peu de la doc. que j’ai lu il y a quelques semaines.

A+
Rémy

[triban]

Bonjour

Je ne sais pas si ce document peut vous interresser

http://www.astrosurf.com/voyager3/as...r/encadre5.htm

[invitea0046ad4]

Rep Ventout

Histoire de ne pas retomber sur les mêmes, voici une liste de références que j'avais déjà données, sur la propulsion électrique en général, et le moteur Hall en particulier (Légèrement hors sujet, puisqu'on parle du générateur nucléaire, et non du système de propulsion).
On trouve sur les mêmes sites une étude comparée des systèmes à conversion Stirling et Brayton.

Articles généraux
http://alfven.princeton.edu/papers/JPC99ARev.pdf
http://alfven.princeton.edu/papers/Astrodyn-Final.pdf

Les rapports de mission de la sonde Deep Space 1 (moteur ionique à grille)
http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1/papers.html

Sur le moteur MPD
http://gltrs.grc.nasa.gov/cgi-bin/G...001-211114.html

Sur le moteur Hall
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/1...1999-209436.pdf
http://gltrs.grc.nasa.gov/cgi-bin/G...001-210676.html
http://gltrs.grc.nasa.gov/cgi-bin/G...004-213099.html

Propulsion nucléaire+électrique
http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2...208834-REV1.pdf
http://gltrs.grc.nasa.gov/cgi-bin/G.../TM-106406.html

Je répondrais à la suite de ton message un peu plus tard (occupé cet après-midi)

Rep triban
merci pour le lien. Il s'agit en fait d'un principe différent : moteur nucléo-thermique.

A+

[invitea0046ad4]

Pour ce qui est des alliages haute température, dans un tel dispositif il n’y a ni abrasion ni pièce mobile.
Plus, étant donné que le réacteur est destiné à l’espace et qu’il ne sera donc jamais soumis à une forte accélération en service (il serait froid pour mise en orbite), les contraintes mécaniques sont extrêmement faibles, ce qui autorise d’envisager l’utilisation d’une plus large gamme d’alliages haute température et donc d’en sélectionner un qui ait une conductivité thermique satisfaisante. Dans ces conditions, une température de 1700° (voire 2000°C) n’est certainement pas insurmontable. Les alliages qui sont déjà utilisés pour les piles thermoioniques seraient de bons candidats (mais là s’ajoute la question de la tenue dans le temps à l’intense bombardement neutronique).
La stabilisation et le réglage de l’intensité du cœur pourrait se faire par l’insertion d’une ou plusieurs barre de graphite dans un orifice situé au centre du combustible. Ainsi, vue en coupe, en partant du centre et vers la périphérie, nous aurions : espace vide (barres de graphite retirées), alliage HT ou conteneur du combustible fissile, combustible fissile, alliage HT dudit conteneur, césium à l’état de plasma, face froide (1150°) de la pile thermoionique (multiple), alliage bon conducteur thermique (avec ponts thermiques avec face à 1650° et afin de tenir les 1150° et les répartir uniformément : évite les dépôts de césium sur face « froide »), un autre alliage : une couche à conductivité thermique très moyenne pour tenir les 1150°, et enfin les piles thermoélectriques. Voilà un schémas de base, hypothèse de travail.

C’est la simplicité (relative), la fiabilité, le rapport poids/puissance, qui constitueraient des avantages tels qu’ils mériteraient, je pense, notre attention (pour le moins).

Pour ce qui est de la propulsion par effet Hall je pense retrouver sous peu de la doc. que j’ai lu il y a quelques semaines.

A+
Rémy

Un schéma ?
Pour évaluer l'intérêt d'un générateur thermoionique pour la propulsion, en se fixant par exemple une puissance de 100 kWe en sortie du système, il faudrait donner au moins des chiffres de rendement et de puissance massique (qui sont d'ailleurs liés : si le rendement est mauvais, c'est autant de chaleur en plus à évacuer, et donc autant de surface de radiateur en plus).
Petit problème annexe qui me vient à l'esprit : les propulsions électriques nécessitent des hautes tensions, que l'on peut obtenir assez facilement à partir des turbo-alternateurs, mais il me semble que le générateur que tu décris produirait essentiellement du courant continu, sous des tensions assez faibles, et qu'il faut donc transformer. Est-ce que je me trompe ?

Mais bon, je ne connais de cette technologie que le principe physique de base. Donc, toute référence documentaire ou calcul d'ordre de grandeur est bienvenu. Je n'ai pas vraiment d'argument pour en discuter, j'avais éliminé ce principe et surtout étudié les générateurs à conversion dynamique. Il faut que je me documente un peu plus.
Et si c'est vraiment intéressant, je rajouterai ça dans ma liste des technologies à surveiller.

A+

[invitea0046ad4]

Bon, ça mérite effectivement plus ample investigation...
http://dutlsisa.lr.tudelft.nl/Propul...owerplants.htm

A+

[invitecc43cae8]

TOPAZ II (de 1970 à 1994, tout l’historique de la coopération américano-russe sur les générateurs nucléaires thermoionics) : voir schémas pages 6, 7 et + dans :
http://www-rsicc.ornl.gov/ANST_site/topaz.pdf

+ info en rapide coup d’œil : http://ibm320.dhtp.kiae.ru/eng/5/5k1a.htm

Je sais ce qu'on va me dire: "t'aurais pu te renseigner avant".
Ok ! On n'a pas attendu "ventout" pour avoir l'idée d'associer la haute température de la fission avec la pile thermoionique... Mais j'aimerais qu'on m'explique pourquoi ce n'est pas plus d'actualité étant donné 1-l'intensité de la recherche dans le domaine de l'énergie nucléaire pour les sondes (cf. conséquences du plan "espace" de Bush) et 2- la supériorité d'un procédé maitrisé depuis longtemps... ???

[inviteb9531e7d]

Mais j'aimerais qu'on m'explique pourquoi ce n'est pas plus d'actualité étant donné 1-l'intensité de la recherche dans le domaine de l'énergie nucléaire pour les sondes (cf. conséquences du plan "espace" de Bush) et 2- la supériorité d'un procédé maitrisé depuis longtemps... ???

L'utilisation des RTG pour l'alimentation des sondes qui s'eloignent beaucoup du Soleil (donc mauvais rendement de panneaux solaires) reste d'actualite.

Mais une mefiance envers le nucleaire dans l'opinion publique (manquant de discernement puisque dans ces cas-la aucune autre technologie n'est disponible) et surtout les lancements rates ou les materiaux nucleaires ont ete dissemines dans l'atmosphere terrestre avaient suscite une forte pression et mis un coup d'arret a leur utilisation.

L'Europe voudrait bien developper son propre systeme pour ses futures missions lointaines, mais il y a un embargo fort des americains et donc c'est une source de "frictions" (deja qu'on se vole dans les plumes a propos de Galileo et du systeme GPS)

Nul doute que les americains continuent a developper et a miniaturiser.

http://www.nuclearspace.com/a_2009_Rover.htm

Il faudra que l'Europe s'impose si elle ne veut pas dependre totalement de la technologie americaine dans ce domaine.

[invitea0046ad4]

Rep Ventout
Je n'ai pas de réponse à ça. Il se peut très bien qu'il y ait quelque vice caché, qui limite la durée de vie par exemple. Il y a beaucoup de principes physiques qui semblent merveilleux sur le papier.
Le lien que j'ai indiqué semble donner une durée de vie assez courte (corrosion ? réactions chimiques ?), alors qu'on a besoin d'un système fonctionnant au moins 10 ans pour les missions lointaines.
Le seul moyen de comprendre est de descendre un peu plus dans le détail, de rassembler des articles de fond, des thèses, etc.
Comme je l'ai dit plus haut, j'avais déjà entendu parler de ce principe, mais je ne suis jamais allé dans le détail car tous les rapports de recherche que j'ai lus de la NASA concernaient des systèmes à conversion Stirling ou Brayton pour la gamme 100 kWe.
Pour que la NASA consacre autant de moyens sur ces systèmes, avec tous les inconvénients liés aux turbo-alternateurs, c'est qu'il doit vraiment y avoir un point bloquant sur les systèmes thermoioniques.
Autre hypothèse, plus paranoiaque : ça marche tellement bien qu'on envisage des applications militaires et que les recherches ne seront publiées que dans 10 ou 20 ans.

Rep Montmein69
Oui, bien sûr. Les RTG qui produisent l'électricité à partir d'un effet thermoélectrique au niveau d'une jonction sont bien utilisés depuis longtemps et fiables, mais pas assez puissants pour alimenter une propulsion électrique. Ventout s'étonnait surtout du peu d'intérêt porté à la génération thermoionique.
D'accord sur le fait qu'il s'agit aussi d'un problème politique.
Mais je crois qu'un tabou est en train de sauter aux Etats-Unis, grâce justement à la propulsion électrique. On présenterait la chose au public en écrivant en gros caractères "propulsion électrique alimentée par des panneaux solaires", et en peu plus loin, en tous petit, "ou un générateur nucléaire".
Ce principe découple bien le système de propulsion de la génération d'énergie (contrairement au moteur nucléo-thermique), et on peut jouer là dessus.
Tout l'art de la com...

En attendant, je fais partie de ceux qui pensent que l'énergie nucléaire est plutôt moins dangereuse que beaucoup de saletés qu'on disperse dans l'atmosphère et les océans, par milliers de tonnes, mais bon, j'admet que le sujet est assez polémique.

A+

[invitea0046ad4]

TOPAZ II (de 1970 à 1994, tout l’historique de la coopération américano-russe sur les générateurs nucléaires thermoionics) : voir schémas pages 6, 7 et + dans :
http://www-rsicc.ornl.gov/ANST_site/topaz.pdf

+ info en rapide coup d’œil : http://ibm320.dhtp.kiae.ru/eng/5/5k1a.htm

Je viens de lire ce document.
Décidément, on n'a pas fini de récupérer la technologie Russe : du moteur Hall au générateur nucléaire thermoionique, ce sont quand même de fameux ingénieurs.
En tout cas, le contexte confirme bien que le secret a longtemps été gardé, puisque ce réacteur a été développé pour des applications militaires au départ.
Les américains ont plutôt développé des générateurs thermoélectriques radioisotopiques (RTG) alors que les russes se ssont orienté vers le réacteur thermoionique, ce qui explique la difficulté de trouver des publications.
Le document mentionne bien aussi le manque de données concernant les performances et la durée de vie, problèmes qui ont fait que ce principe n'a pas été retenu pour le développement du SP-100 dans les années 1980.
La puissance du Topaz II est donnée à 6 kWe, et la collaboration en cours avec la Russie concerne le développement d'un réacteur de 40 kWe, adapté à de nombreuses applications, dont la propulsion électrique de sondes.
Il est intéressant de remarquer que la France et la Grande-Bretagne sont impliquées dans ce projet.

Pour ce qui est de la supériorité du système, elle reste quand même à démontrer, du point de vue de la durée de vie.

A+

[invitecc43cae8]

Je pense aussi que le choix français pour le nucléaire (EDF) a vraiment été heureux mais aussi que l'on a besoin des écologistes extrèmistes qui sont CONTRE le nucléaire: on a vraiment besoin des DEUX ! Ils sont utiles pour que le nucléaire soit plus transparent: ils mettent un peu la pression et c'est très bien ainsi. Je suis donc pour le nucléaire ET pour ceux qui sont contre.

Une info qui devrait vous intéresser à tous les deux:

l’ESA ne serait pas totalement en reste : « « « « …The components modelled and simulated are the nuclear reactor power plant type “Topaz-25” and an electric thruster from SNECMA PPS-1350 (83 to 88 mN thrust level) based on a SPT-100 of Fakel. In-core thermoionic converter with Cs- feeding has been modelled in a simplified way by using performances maps » » » » dans :
http://www3.inspi.ufl.edu/icapp03/pr...acts/3336.html

Pour ce qui est de la durée de fonctionnement des piles thermoioniques avec source chaude = fission, une durée de 7 ans de fonctionnement a été atteinte (vers 1990, déjà...).

Il semblerait en effet que des "impuretés" soient ajoutées au césium (pour meilleur rendement ? ou pour une plus longue durée de fonctionnement ? ).

Oui, nous voyons bien que le nucléaire spatial a vraiment de beaux jours devant lui (cf. le Rover de la NASA pour Mars en 2009, les sondes à propulsion ionique en plein boum, l'énergie électrique pour base sur Mars et autres spacecraft...)

[invitecc43cae8]

Le moral remonte ! ! ! !
« ESA-XX »
Extraits :
« « « Based on these experiments, a nuclear power plant "Topaz–25" can be manufactured with an electrical power increase no less than by a factor of 5 and with a minimum lifetime of 7 yrs. "Topaz–25" can provide a throttling ability down to 50 % as well as a power augmentation up to 200 % during 1 yr of operation. Depending on the maximum power requirement, the "Topaz–25" mass will be between 2 and 3 tons.
The nuclear reactors of the "Topaz"–class are working with highly enriched U–235, ZrHx–moderator, in–core thermionic converters with Cs–feeding, NaK–coolant with an inductive electromagnetic pump, a shadow shield from U–238/LiH, and conical waste–heat radiators using heat pipes. For storage in launch position, one radiator part will be foldable.
— The 26–cm ionizer–diam Xe–ion thruster "ESA–XX" is working with an inductively fed rf–ionizer and a multi–hole three–grid accelerator system. This joint European thruster represents a combination of the "RIT–35" ionizer concept with the "UK–25" grid system; it is equipped with Italian neutralizers.
Smaller, secondary–propulsion European EP–engines were flown already ("RIT–10" on the "Eureca" satellite) or are to be applied for orbit control (two "RIT–10" and "UK–10" each, onboard the communication satellite "Artemis").
Recently, an "ESA–XX" prototype has been performance mapped by 4 test runs at Giessen University. The engine worked very stably and reliably. Thrust levels of 200 mN at nearly 50 km/s of exhaust velocity could be reached over extended periods at acceptable temperatures. The beam was well focused, and the measured total thruster efficiency reached 83 % exceeding even the scheduled value.
Programmatically, this testing prototype will soon be followed by an advanced and improved breadboard/engineering model; then, a qualification model will be built, thus leading to the final design and manufacturing of a flight model.
Based on its high efficiencies, its high specific impulse and its high lifetime expectation of 15,000 hrs (at 200 mN), the "ESA–XX" is very well suited to perform the long interplanetary propulsion phases with their high *v–requirements.» » » »

dans : http://www.uni-giessen.de/~gdm1/Study.html