Générateur nucléaire d'énergie

Connait on les défis techniques & difficultés qui existeraient avec l'éventualité d'un réacteur nucléaire (a circuit thermodynamique + générateur de vapeur) en micro-gravité ?


     Connait on les retour d'expérience quand a par exemple un circuit d'eau sous pression avec pompes & circulateurs, sans forcément parler d'un réacteur nuke, juste un circuit d'eau ... Et pas un circuit d'eau potable a 1 bar pour la toilette, WC & glouglou mais un gros circuit d'eau quoi ...

    Je sais qu'il me semble que l'ISS a de base pour sa régulation thermique un circuit thermodynamique d'ammoniaque (dont les grands panneaux orange fait parti) ou de réfrigérant :  Sait on s'il a fallu pour que le fluide véhicule bien, des réponses techniques spéciales pour la micro-gravité ?

    Ou est ce qu'un tel circuit sous pression, fonctionne rigoureusement de la mm façon que sur Terre sous gravité ?

  Doit on s'attendre a ce qu'un fluide caloporteur comme de l'eau ait un comportement spécifique en micro-grav ?

   Même question pour un générateur de vapeur ?

  Le sodium en cas de soucis de comportement de l'eau sous pression, serait il + adapté ?

    Quel comportement des cavitations dans les pompes ?


  A t'on déja expérimenté de tels circuits d'eau en micro-gravité dans l'histoire technique du spatial ?

Même sans problème avec la microgravité, les réacteurs à eau pressurisée sont assez inadaptés à l'espace. Pas question de trainer la grosse tuyauterie et cuve nécessaire pour contenir de l'eau à plusieurs dizaines de bars alors que le kg dans l'espace coûte une fortune.

Je répond un peu à coté de la question ...

Il y a eu deux types de réacteur nucléaires utilisant la fission qui ont volé dans l'espace : le SNAP-10 américain (45,5 kW thermique) et le TOPAZ-1 soviétique (150 kW thermique). Tous deux utilisaient pour le refroidissement un alliage de sodium (Na) et de potassium (K).

lambda0 a écrit:Même sans problème avec la microgravité, les réacteurs à eau pressurisée sont assez inadaptés à l'espace. Pas question de trainer la grosse tuyauterie et cuve nécessaire pour contenir de l'eau à plusieurs dizaines de bars alors que le kg dans l'espace coûte une fortune.

Je ne trouve pas la réponse si évidente. Avec des lanceurs comme Angara-A5V (37 tonnes en LEO) ou SLS (xx tonnes en LEO), on peut déjà envoyer quelque chose de sympa. Il n'est pas question de faire des REP 1300MW. Juste un réacteur léger de quelques centaines de kW permettrait déjà de faire des miracles... Et le besoin de confinement serait moindre en orbite (il n'y a pas grand monde à contaminer ou à irradier).

J'ajoute qu'un REP envoyé sur orbite présenterait un grand avantage : pas de risque d'accident nucléaire en cas d'échec au lancement, si on envoie le combustible non encore irradié.

nikolai39 a écrit:

Je ne trouve pas la réponse si évidente. Avec des lanceurs comme Angara-A5V (37 tonnes en LEO) ou SLS (xx tonnes en LEO), on peut déjà envoyer quelque chose de sympa. Il n'est pas question de faire des REP 1300MW. Juste un réacteur léger de quelques centaines de kW permettrait déjà de faire des miracles... Et le besoin de confinement serait moindre en orbite (il n'y a pas grand monde à contaminer ou à irradier).

J'ajoute qu'un REP envoyé sur orbite présenterait un grand avantage : pas de risque d'accident nucléaire en cas d'échec au lancement, si on envoie le combustible non encore irradié.

Justement, si on veut faire léger, le REP est handicapé par rapport aux autres, pour les raisons que j'ai données.
Les conceptions de réacteur nucléaires spatiaux à caloporteur liquide fonctionnent à basse pression, comme les réacteurs au sodium.
Pour ce qui est du combustible non irradié, aucun avantage spécifique aux REP. C'est aussi le cas pour les autres types de réacteurs.

lambda0 a écrit:Justement, si on veut faire léger, le REP est handicapé par rapport aux autres, pour les raisons que j'ai données.
Les conceptions de réacteur nucléaires spatiaux à caloporteur liquide fonctionnent à basse pression, comme les réacteurs au sodium.
Pour ce qui est du combustible non irradié, aucun avantage spécifique aux REP. C'est aussi le cas pour les autres types de réacteurs.

Oui bien sûr. En fait, dans ma tête, je pensais aux RTG, qui ont l'affreux inconvénient de nécessiter du combustible déjà irradié lors du lancement, avec tous les risques que ça implique.

On pourrait avoir du nouveau en terme de design en utilisant le Thorium en sel fondu.

Une autre voie possible pour l'exploitation du thorium consiste à mettre en œuvre des réacteurs à sels fondus, où ceux-ci jouent à la fois le rôle de combustible et de fluide caloporteur. Il s'agit principalement d'un mélange de sels fluorures, en général une proportion majoritaire de fluorures d'éléments stables tels le lithium et le beryllium, le reste étant constitué de fluorures de thorium fertile et d'autres éléments fissiles tels que l'uranium 233 ou l'uranium 235. La température de fonctionnement élevée (supérieure à 600 degrés) permet au mélange de sels de se présenter sous forme liquide, et élimine en particulier le besoin de fabriquer des barreaux de combustibles.

Certes rien d'évident .... mais il faut pousser la recherche

Dans l'état actuel des choses, les réacteurs nucléaires sont handicapés par leurs trop forts rapports masse/puissance pour les faibles puissances. Il faut taper dans les dizaines de MW thermiques pour qu'ils deviennent intéressants, c'est à dire de très grosses sondes ou des missions habitées...

Henri a écrit:Dans l'état actuel des choses, les réacteurs nucléaires sont handicapés par leurs trop forts rapports masse/puissance pour les faibles puissances. Il faut taper dans les dizaines de MW thermiques pour qu'ils deviennent intéressants, c'est à dire de très grosses sondes ou des missions habitées...

Oui mais là tu raisonnes en termes économiques. Pour une mission lointaine, habitée ou non, on ne cherche pas à avoir un kWh rentable, on cherche juste à avoir un kWh !

nikolai39 a écrit:

Oui mais là tu raisonnes en termes économiques. Pour une mission lointaine, habitée ou non, on ne cherche pas à avoir un kWh rentable, on cherche juste à avoir un kWh !

On ne parle pas de rentabilité économique mais de budget masse. Si à puissance égale un générateur thermoélectrique à radio-isotopes est plus léger qu'un réacteur nucléaire, on choisi le générateur thermoélectrique à radio-isotopes...

Henri a écrit:

nikolai39 a écrit:

Oui mais là tu raisonnes en termes économiques. Pour une mission lointaine, habitée ou non, on ne cherche pas à avoir un kWh rentable, on cherche juste à avoir un kWh !

On ne parle pas de rentabilité économique mais de budget masse. Si à puissance égale un générateur thermoélectrique à radio-isotopes est plus léger qu'un réacteur nucléaire, on choisi le générateur thermoélectrique à radio-isotopes...

Pardon je n'avais pas compris le sens de ta remarque.
Je vois un gros inconvénient aux RTG : la sécurité, surtout en ces temps post-Fukushima.
En revanche, ils ont un gros avantage : la fiabilité.

Je pensais que les réacteurs à fission étaient impraticables aux faibles puissances, de l'ordre de  1 kW, non compétitifs par rapport aux RTG en terme de rapport puissance/masse, pour alimenter sondes et rovers, mais la NASA démarre juste maintenant un programme de recherche de petit réacteur dans cette gamme de puissance.
Projet kilopower.
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140011723.pdf
Ca faisait longtemps, la NASA avait abandonné le nucléaire il y a 10 ans avec la clôture de Prometheus.

lambda0 a écrit:Je pensais que les réacteurs à fission étaient impraticables aux faibles puissances, de l'ordre de  1 kW, non compétitifs par rapport aux RTG en terme de rapport puissance/masse, pour alimenter sondes et rovers, mais la NASA démarre juste maintenant un programme de recherche de petit réacteur dans cette gamme de puissance.
Projet kilopower.
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140011723.pdf
Ca faisait longtemps, la NASA avait abandonné le nucléaire il y a 10 ans avec la clôture de Prometheus.

Dans la figure 7 de la page 7 du PDF, on voit que ce n'est qu'à partir de 40 KWe que les performances (masse/puissance) d'un réacteur surpassent légèrement celles des meilleurs RTG. En fait tout ça devient intéressant si on l'utilise pour la propulsion (électrique), c'est à dire au-delà des 100 kWe.
En fait ces études visent aussi à contourner l'indisponibilité de ²³⁸Pu en mettant en œuvre des réacteurs à faible puissances (dans la gamme des 1 à 10 KWe), quitte à avoir des masses spécifiques un peu moins bonnes que celles des RTG les plus récents.
À noter l'utilisation pour les faibles puissances d'uranium fortement enrichi (jusqu'à 93 % de ²³⁵U) sous forme de nitrure par exemple pour faire fonctionner le réacteur aux températures les plus élevées possibles (amélioration des rendements des cycles thermodynamiques).
Pour la propulsion (puissances > 100 kWe), je me pose la question de la protection radiatives des sensibles charges utiles (instruments de précision notamment).

En fait je pensais qu'un tel réacteur de production d'énergie serait a mon sens nécessaire pour une mission habitée lourde qui dépasserait l'orbite de Mars du fait de la trop forte décroissance de l'intensité solaire par la distance relative a notre étoile mère ...

   Mais pour quelles raisons, l'humanité chercherait elle a aller si loin via des missions habitées ? Le rapport HOPE début des années 2000 soumis par le JPL de la NASA avait émis la nécessité probable a défaut d'une IA qui soit capable d'en gérer les aléas, de pouvoir piloter un rover sous les glaces d'Europa si on se décidait a y rechercher sérieusement la vie ... Il était apparu dans le champ d'étude, qu'un tel rover aurait fondamentalement besoin d'être piloté en quasi direct depuis une mission habitée en orbite haute de la géante de gaz

   Car un rover sous les glaces d'Europa serait probablement confronté a de nombreux éceuils environnementaux une fois qu'il aurait atteint l'océan sous glaciaire ou tout du moins un lac intermédiaire si l'océan restait inaccessible, nécessitant des prises de décisions rapides et de pouvoir communiquer des ordres en moins d'une minute ou bien encore pouvoir récupérer un paquet de donnée le + rapidement possible si le rover était menacé ... A moins bien sur qu'une IA en soit capable et permette au rover d'être autonome dans ses décisions ... Mais cela le rapport HOPE en doutait car loi de Moore ou pas : L'energie du rover sera limitée et probablement liée a un générateur a radio-isotope, une telle IA impliquerait une très grande puissance de calcul qui serait bien trop énergétivore

   De la HOPE ne voyait qu'une solution, Jupiter étant a + d'une heure lumière de communication radio avec la Terre, cela rendrait le pilotage sans risques du rover délicat ... Voir improbable, c'est pour cela que HOPE liait a l'exploration sous glaciaire d'Europa via un rover sous marin : Une mission habitée lourde incontournable.

    Et pour aller en orbite haute de Jupiter avec un engin habité, HOPE ne voyait ni + ni - qu'une frégate spatiale de 1500t environ, propulsée par Ion/fusion et qui a mon sens nécessiterait de manière incontournable un générateur nucléaire a fission de même nature que ceux qu'on trouve dans un sous marin nucléaire d'attaque ou lanceur d'engin en version moins puissante (quoique ...) car non seulement il faudra une copieuse source d'électricité pour la propulsion ionique & fission (bouteilles magnétiques ect) mais aussi une source de chaleur crédible que la lumière solaire sera probablement incapable de fournir même avec des km² de panneaux échangeurs : Car il fera froid, très froid ... La partie habitable devra être chauffée en permanence et peut être bien pas qu'elle ... La partie non habitée liée a la propulsion pourrait bien elle aussi nécessiter d'être chauffée pour certains appareillages

     Il se pourrait même par souci de redondance que ce soit un réacteur double qui soit nécessaire, et dimensionner de sorte que la survie de la mission soit possible sur seulement un réacteur : Seule les phases de propulsion principale solliciteraient alors les 2 réacteurs


    HOPE entrevoyait aussi la nécessité de faire d'une pierre 2 coups sur la même mission, l'installation d'une base habitable (non permanente) sur Callisto et d'installer un petit générateur nucléaire (et hop un 3 ème réacteur !) pour produire l'énergie nécessaire a l'habitabilité sur Callisto, mais aussi de faire de cette base un éventuel relais technique pour d'autres missions habitées : Cette base sur Callisto, abriterait un complexe de production de carburant chimique & nucléaire pour sécuriser des missions ultérieures, et avoir un lieu de secours en cas d'avarie grave

    Si un jour on se décidait a vraiment explorer l'éventualité de la vie sur Europa, ce format proposé par HOPE serait pour l'instant incontournable, a moins d'un gros progrès sans sur-consommation d'énergie sur l'IA, mais ça HOPE n'y croyait guère



    Au de la, de cet exemple, il y a aussi l'exploitation des astéroïdes qui pourrait nécessiter d'envisager un ensemble de production d'énergie par réacteur nucléaire : Les géocroiseurs sur lesquels on projette d'exploiter : La production d'énergie via des panneaux solaires serait hélas variable du fait d'orbite s'éloignant puis se rapprochant du soleil, et les besoins en panneaux solaires pour faire fonctionner de nombreuses machines pourraient exploser en surface nécessaire ... Un réacteur nucléaire permettrait probablement de limiter les problèmes, sans parler des besoins potentiels d'énergie qui monteraient en flêche si nécessité de centrifuger pour certaines opérations industrielles qui ne pourraient se passer de gravité, et ou encore traitement du minerai pour ne pas gaspiller les charges utiles des cargos qui envoient la production sur Terre

    Pour tout cela il pourrait ne pas être raisonnable de compter sur la production d'énergie solaire dans un tel cadre ... Et c'est sans oublier qu'autour d'un astéroïde on peut avoir beaucoup de débris liés au nombreux petits impacts qu'ils subissent : N'allant pas dans le sens des panneaux qui seraient peut être rapidement criblés ...

Argonaute a écrit:En fait je pensais qu'un tel réacteur de production d'énergie serait a mon sens nécessaire pour une mission habitée lourde qui dépasserait l'orbite de Mars du fait de la trop forte décroissance de l'intensité solaire par la distance relative a notre étoile mère ...
...

Oui, bien sûr, mais c'est vraiment du long terme...
Ce qui notable ici est que la NASA s'intéresse de nouveau au sujet, même pour alimenter des sondes et rovers à des niveaux de puissance de l'ordre de 1 kWe.

Henri a écrit:
Dans la figure 7 de la page 7 du PDF, on voit que ce n'est qu'à partir de 40 KWe que les performances (masse/puissance) d'un réacteur surpassent légèrement celles des meilleurs RTG. En fait tout ça devient intéressant si on l'utilise pour la propulsion (électrique), c'est à dire au-delà des 100 kWe.
...

C'est bien le cas traditionnellement, c'est pour cela que j'étais un peu surpris que la NASA revienne aux réacteurs à fission dans la gamme 1 kW.
Mais le MMRTG produit 500 W pour 240 kg, soit 2.1 W/kg. Et un des réacteurs à fission envisagés produirait 1000 W pour 360 kg, soit 2.8 W/kg.
On retombe dans les mêmes ordres de grandeur.
Mais il est vrai que l'économie sur le Pu-238 pourrait justifier même un petit handicap en masse.

Protection antiradiations : le problème est en effet différent avec un réacteur à fission. D'ailleurs, au delà d'une certaine puissance, cela conditionne fortement la géométrie de tout le vaisseau,  le réacteur est le plus loin possible de la CU, qui se trouve dans l'ombre d'un bouclier conique.

Un peu plus d'informations sur le calendrier ici :
http://www.world-nuclear-news.org/C-Kilopower-for-space-exploration-1112147.html
Livraison et essais d'un prototype en 2016-2017.

sur les générateurs nucléaires je recommanderais la lecture des document du site  mars homestead
ce site présente les résultats d'une étude du MIT sur la colonisations de mars réalisé en 2003 (je sais sa date )

les 2 générateurs étudier dans ce rapport  sont diamétralement opposés sur les techniques et les buts visé
le premier cherche a alimenter les propulseur VASMIR  a 4 000 KWe le temps de 3 voyages allé et retour soit 3 X 180 Jours
le second  cherche a alimenter les besoins de la colonie, 200 KWe sur 25 ans

depuis 2003 d'autres études on du sortir je ne les ai ai pas vu.

[Modération Henri : lien cassé, s'agit-il de ces documents :
The Mars Homestead Project | Key Documents & Mars Foundation™ Publications ?]


[Edit Modération Henri, lien corrigé, ne pas mettre d'espace entre le '=' et le 'http']

Donc, je dois considérer qu'un circuit caloporteur classique aux architectures des réacteurs nucléaires (civils comme militaires) fonctionne sans problèmes en micro-gravité ? Qu'il n'y a pas de problèmes de comportement des fluides quand a leur pompage et "circulation" ... ?

   A vrai dire, je pense que le circuit thermodynamique a ammoniaque de l'ISS apporte de lui même la réponse, mais on parle d'ammoniaque et la circulation se fait peut être autrement que par simple pompe-compresseur ? Je voulais en avoir la certitude ...

  Car comme l'humanité n'a jamais vraiment réalisé de grands circuits de liquides a compresser/pomper en micro-grav' a grande échelle (au moins l'échelle par exemple d'un engin comme le circuit caloporteur d'un sous marin) hormis le circuit caloporteur de l'ISS a ammoniaque :

   Je me dis qu'il pourrait éventuellement exister de mauvaises surprises d'échelles ... Par exemple, imaginons un circuit d'eau pompée dans une station spatiale qui fonctionne sans problème : On ne connait que l'échelle d'un circuit d'eau sanitaire ménager ou il est possible par exemple que des effets de capillarité ou que sais je ais empêché l'apparition de problèmes lié a la micro-gravité : Les systèmes se comportant bien, on ne s'est pas posé la question + loin ...

   Puis imaginons qu'en passant a l'échelle supérieure, soit un circuit caloporteur a eau pour un réacteur de quelques dizaines de Kw, qu'il apparaitrait qu'a partir de certains diamètre les effets capillaires éventuels ou que sais je ne pallie plus a un problème qu'on aurait jamais remarqué :

  Cela pourrait être balot de s'apercevoir uniquement a sa réalisation puis essais : Que les circuits motopompes se retrouvent confrontés a des soucis qui n'apparaissaient pas a l'échelle en dessous et que finalement ils ne parviennent pas a faire circuler l'eau comme attendu ...


    C'est a des choses comme ça que je pense, comme l'humanité piétine un peu dans les réalisations d'infrastructures spatiales d'ampleur par manque de volonté politique, industrielle et économique : Est on vraiment certains de ne pas être passé a coté de certains soucis d'échelle qui ne sont jamais apparu par exemple sur l'ISS et ses divers circuits de fluides moto-compressés ect ? Car avec les effets de capillarité on est jamais sur de rien en hydraulique si on a jamais expérimenté, essayé ...

Dans les dispositifs hydrauliques d'une dimension suffisante, les effets de capillarité sont négligeables par rapports aux effets d'inertie et de gravité. Tout ça se calcule sans problème en mécanique des fluides. Dans des circuits pressurisés où le fluide est animé par des pompes, les effets de gravité sont dominés par les effets d'inertie et de frottements et on connait très bien les phénomènes de cavitation. Des réacteurs nucléaires soviétiques ont fonctionné en orbite il y a déjà des décennies et utilisaient du sodium liquide comme fluide caloriporteur. On n'est pas en terra incognita...