Accumulateur d'énergie cinétique

[Jean José]

Bonjour a tous,

Que pensez-vous d'un accumulateur d'énergie sous forme d'énergie cinétique accumulée par un disque (deux disques contrarotatifs) en rotation pour un satellite?

Il pourrait être chargé en orbite grâce à l'énergie fournie par une central solaire spatial, puis restituer son énergie sous forme électrique pour alimenter un moteur ionique, vasmir ou autre.

C'est possible ?

[Commander Ham]

Bonjour et bienvenue à toi sur ce merveilleux forum (huhu)
il y a quelque chose que je ne comprends pas :
il est intéressant de pouvoir stocker de l'énergie lorsque celle-ci n'est plus accessible directement. Et à moins d'aller très loin dans le système solaire, l'énergie fournie par des panneaux solaires est dans de nombreux cas suffisante. Reste un problème de puissance, dont on besoin de plus en plus nos jolies petites sondes terriennes. Dans ce cas là, il n'y a pas trop le choix actuellement, c'est le nucléaire.
Ta solution est intéressante en tant que nouvelle approche, mais j'ai peur (à mon humble avis) quelle ne serve malheureusement pas à grand chose. Je me trompe peut être...

[Jean-Robert]

Elle pourrait éventuellement servir comme système de secours, voir être utiliser à l'alimentation des systèmes embarqué laissant l'énergie solaire utilisable exclusivement pour la propulsion... Cela pourrait-être interressant !

[Jean José]

Merci pour vos réponses.

L'utilité d'un dispositif par volant d'inertie doit dépendre de sa capacité en accumulation d'énergie.

Ec = (1/30*pi*w)² * r² * m

Avec
W = vitesse de rotation en tours/min-1
r = rayon en mètres
m = masse en kg

C'est seulement a des vitesses importantes que le gain devient intéressant. Malheureusement ces disques ne résistent pas à des rotations très élevées suivant ce que j'ai compris. Il y a aussi l'effet gyroscopique néfaste pour le satellite.

Donc ce n'était pas une bonne idée. Cependant il faudra nécessairement que l'on trouve une source d'énergie d'électrique pour l'alimentation des nouveaux moteurs à haute isp.

Panneaux solaire ou central nucléaire embarqué, sont-ils vraiment adaptés?

[Commander Ham]

Difficile de citer tous les avantages et les inconvénients des 2 techniques.
Je ne pense pas qu'il existe "dans l'état actuel de la science" d'autres.
solaire :
avantages :
* technique au point
* fiable
* pas très cher
* léger
inconvénients :
* nécessite le... soleil !
* ne fonctionne pas dans l'ombre d'une planète/lune
* ne fonctionne pas sous les nuages d'une planète/lune
* à un rendement qui décroit fortement en fonction de l'éloignement du soleil (cf la taille des panneaux solaires de rosetta)
* puissance faible
* nécessite des batteries puissantes

nucléaire :
avantages :
* grande puissance
* autonomie quasi illimité (bien plus que la durée de vie de la sonde)
* encombrement réduit
inconvénients :
* n'a été utilisé qu'un faible nombre de fois (Vikings, Cassini, New Horizons, Pioneer, Voyager - liste à compléter)
* donc pas encore très au point
* cher
* très lourd
* combustible apparemment difficile à synthétiser (http://fr.wikipedia.org/wiki/New_Horizons#Ceinture_de_Kuiper)
* farouches opposants (un peu trop écolos??? - cela reste mon avis pour les fans du politiquement correct)


Je compte sur vous pour compléter ces 2 listes non exhaustives, loin de là.

[lambda0]

nucléaire :
avantages :
* grande puissance
* autonomie quasi illimité (bien plus que la durée de vie de la sonde)
* encombrement réduit
inconvénients :
* n'a été utilisé qu'un faible nombre de fois (Vikings, Cassini, New Horizons, Pioneer, Voyager - liste à compléter)
* donc pas encore très au point
* cher
* très lourd
* combustible apparemment difficile à synthétiser (http://fr.wikipedia.org/wiki/New_Horizons#Ceinture_de_Kuiper)
* farouches opposants (un peu trop écolos??? - cela reste mon avis pour les fans du politiquement correct)

Cette liste mélange des avantages et inconvénients des RTGs et de générateurs à fission, qui sont des technologies très différentes, avec des applications différentes.

- Les RTGs (générateurs radioisotopiques) ne sont pas très adaptés aux puissances élevées (pas plus de quelques kW), alors qu'il n'y a pas vraiment de limite avec les réacteurs à fission
- Pas de problème de fiabilité avec les RTGs : c'est une technologie plus robuste que les panneaux solaires (plus grande durée de vie). Par contre, les générateurs à fission sont plus complexes et demandent plus de mise au point.
- Combustible : problème seulement pour les RTGs fonctionnant au Pu238. Les réacteurs à fission peuvent utiliser de l'UHE de qualité militaire.
- L'argument de la masse s'applique surtout aux RTGs au delà d'une certaine puissance. Il n'est pas évident qu'un générateur nucléaire à fission de 10 MW soit plus massif qu'une centrale solaire de même puissance.

Voir les discussions précédentes sur les générateurs nucléaires spatiaux.

A+

[Henri]

Pour un réacteur à fission embarqué, je ne suis pas sûr du tout qu'il faille de l'U235 fortement enrichi de qualité militaire... Ce sont tout de même des réacteurs à neutrons thermiques autant que je me rappelle.

[lambda0]

Pour un réacteur à fission embarqué, je ne suis pas sûr du tout qu'il faille de l'U235 fortement enrichi de qualité militaire... Ce sont tout de même des réacteurs à neutrons thermiques autant que je me rappelle.

C'est pour des raisons de réduction de masse. Celà permet aussi un redémarrage plus rapide après arrêt.
Pour la même raison, les réacteurs des sous-marins de l'US Navy utilisent de l'UHE à 92% (alors qu'il s'agit à la base de réacteurs à eau pressurisée comme nos centrales civiles, qui fonctionnent avec un enrichissement bien plus faible).

A+

EDIT:
Il semble que le SAFE-400 soit un réacteur à neutrons rapides, mais j'ai du mal à avoir des infos fiables là-dessus.

[Henri]

Pour un réacteur à fission embarqué, je ne suis pas sûr du tout qu'il faille de l'U235 fortement enrichi de qualité militaire... Ce sont tout de même des réacteurs à neutrons thermiques autant que je me rappelle.

C'est pour des raisons de réduction de masse. Celà permet aussi un redémarrage plus rapide après arrêt.
Pour la même raison, les réacteurs des sous-marins de l'US Navy utilisent de l'UHE à 92% (alors qu'il s'agit à la base de réacteurs à eau pressurisée comme nos centrales civiles, qui fonctionnent avec un enrichissement bien plus faible).

A+

En fait après un rapide coup d'oeil sur mes sources, toutes les comibinaisons sont possibles : (neutrons rapides, intermédiaires, épithermaux ou lents)
http://www.fas.org/nuke/space/c02early.htm
Simplement, les petits réacteurs utilisent de l'U235 plus fortement enrichi que les gros... Maintenant à 92 % de U235, est on au seuil de fabrication d'explosifs nucléaires, ou faut il "monter" plus haut ? (De toute façon, seul un dispositif de confinement inertiel très rapide permet d'obtenir une "vrai" explosion nucléaire, de fait aucun réacteur de production ne peut atteindre ce régime)

[lambda0]

Effectivement, c'est largement suffisant...
La conception doit assurer qu'il ne puisse jamais y avoir assemblage d'une masse critique, par le conditionnement du combustible, quel que soit l'accident, et en particulier en cas d'explosion de la fusée dans le cas d'un réacteur spatial. Ca ne produirait pas une explosion nucléaire très puissante (faute de confinement), mais quand même une bonne bouffée de radiations et produits de fission.

A+

[Luckyfox]

Pour un réacteur à fission embarqué, je ne suis pas sûr du tout qu'il faille de l'U235 fortement enrichi de qualité militaire... Ce sont tout de même des réacteurs à neutrons thermiques autant que je me rappelle.

C'est pour des raisons de réduction de masse. Celà permet aussi un redémarrage plus rapide après arrêt.
Pour la même raison, les réacteurs des sous-marins de l'US Navy utilisent de l'UHE à 92% (alors qu'il s'agit à la base de réacteurs à eau pressurisée comme nos centrales civiles, qui fonctionnent avec un enrichissement bien plus faible).

A+

EDIT:
Il semble que le SAFE-400 soit un réacteur à neutrons rapides, mais j'ai du mal à avoir des infos fiables là-dessus.

Pour une réduction de masse oui, mais c'est lié aussi au fait que sur les réacteurs embarqués, les éléments structuraux en alliages de zirconium sont plus important que sur des REP civil car le coeur doit supporter des contraintes mécaniques plus élevés. Le combustible doit donc être plus enrichi. Cet enrichissement élevé est également nécessaire car le cœur doit être de petite dimension, limiter au maximum le risque de fuite d'un élément de combustible (ce qui conduit à un fractionnement du combustible), accepter des variation de puissance importante (de 10 à 100% en 1 min) et effectivement être capable de repartir immédiatement en cas d'arrêt même au pic Xenon.

[lambda0]

Une autre raison que je n'ai pas mentionnée est le cycle de rechargement : pour un réacteur nucléaire spatial, il n'est pas envisageable de changer le combustible, même pour un réacteur de puissance destiné à faire plusieurs aller-retour Terre-Mars, donc la durée de vie du réacteur correspond à la durée de la charge.
Dans le cas des réacteurs de sous-marins/porte-avions, on peut recharger, mais c'est quand même une opération complexe et on cherche à maximiser les cycles. A titre indicatif, il semble que le réacteur des nouveaux sous-marins de la classe Virginia de l'US Navy est conçu pour fonctionner sans rechargement pendant la durée de vie du sous-marin, soit environ 30 ans (alors que le cycle était plutôt de l'ordre de 10 ans pour les réacteurs conçus dans les années 60), ce qui ne parait possible qu'avec un taux d'enrichissement élevé.

A+

[Luckyfox]

Une autre raison que je n'ai pas mentionnée est le cycle de rechargement : pour un réacteur nucléaire spatial, il n'est pas envisageable de changer le combustible, même pour un réacteur de puissance destiné à faire plusieurs aller-retour Terre-Mars, donc la durée de vie du réacteur correspond à la durée de la charge.
Dans le cas des réacteurs de sous-marins/porte-avions, on peut recharger, mais c'est quand même une opération complexe et on chercher à maximiser les cycles. A titre indicatif, il semble que le réacteur des nouveaux sous-marins de la classe Virginia est conçu pour fonctionner sans rechargement pendant la durée de vie du sous-marin, soit environ 30 ans (alors que le cycle était plutôt de l'ordre de 10 ans pour les réacteurs conçus dans les années 60), ce qui ne parait possible qu'avec un taux d'enrichissement élevé.

A+

Effectivement, le cycle de rechargement rentre en ligne de compte, sur les réacteurs embarqués c'est en moyenne 10 ans effectivement sauf sur les SNLE ou çà peut atteindre la durée de vie du bâtiment. C'est possible sur ce type de bâtiment car leur missions le permettent, le coeur est moins sollicité, c'est plutot un régime constant de puissance. Sur un réacteur spatial çà doit pouvoir tenir le maximum de temps possible, et d'un autre coté çà minimise la masse de matières fissiles au décollage.

[Jean José]

Bonjour a tous, merci pour vos réponses.

Mais concernant les réacteurs à fission que vous évoquez, quelles-sont les solutions pour l'échange thermique dans le vide spatial?

[lambda0]

Bonjour a tous, merci pour vos réponses.

Mais concernant les réacteurs à fission que vous évoquez, quelles-sont les solutions pour l'échange thermique dans le vide spatial?

La seule solution est la dissipation radiative, ce qui donne en général aux générateurs électronucléaires spatiaux une forme assez caractéristique (une plaque triangulaire, dans l'angle solide protégé par le bouclier anti-radiations).
Voir par exemple JIMO (mission annulée) :
http://www.aerospaceguide.net/spacecraft/jimo.html
Le réacteur nucléaire et le système de conversion électrique se trouvent à l'extrémité avant.

Pour plus d'infos, voir les discussions suivantes :
SAFE-400
Topaz