Re: Propulsion à fission inertielle

[Space Opera]

D'ailleurs, question bébête : existe-t-il actuellement, ou réalisable technologiquement assez rapidement, des moteurs à haute Isp (plus que les moteurs cryogéniques classiques j'entends, de l'ordre de 800s et plus) qui peuvent avoir la puissance/poussée de moteurs conventionnels, ou presque ?

[lambda0]

D'ailleurs, question bébête : existe-t-il actuellement, ou réalisable technologiquement assez rapidement, des moteurs à haute Isp (plus que les moteurs cryogéniques classiques j'entends, de l'ordre de 800s et plus) qui peuvent avoir la puissance/poussée de moteurs conventionnels, ou presque ?

A court terme, pas à ma connaissance.
Il y aurait en principe le moteur nucléo-thermique NERVA, aux Etats-Unis, mais c'est plutôt un concept mort-né, qu'on ne pourra pas utiliser dans l'atmosphère pour raison de sécurité, et qui n'apporte pas de gain décisif pour les vols interplanétaires. Ca fait plutôt partie de l'histoire.
Ensuite, il y a les systèmes utilisant l'oxygène atmosphérique sur une partie de leur parcours, donc avec une Isp très importante et un rapport poussée/masse également important : peut-être, je connais un peu moins bien ce domaine, mais je n'ai pas vraiment l'impression que c'est du court terme (Henri doit avoir un peu plus d'infos là dessus, voir aussi la discussion sur le Skylon).
Par contre, au niveau de la propulsion dans l'espace, où le rapport poussée/masse est moins problématique, il y a un très large champ de recherche et développement, et des solutions à haute Isp commencent à être opérationnelles (propulsion électrique), les américains ont par exemple fait un superbe travail depuis 15 ans sur le moteur Hall, et il y a d'autres systèmes très prometteurs qui arrivent.
Vraiment dommage qu'on ne soit pas un peu plus actif en Europe dans ce domaine.
Pour en revenir aux russes, ils avaient un avantage il y a 15 ans sur ce type de propulsion (ils ont fait voler des centaines de moteurs Hall depuis les années 70 alors qu'on ne savait même pas que ça existait), mais je pense que cet avantage a disparu maintenant devant les développements américains.

A+

[Space Opera]

D'après vous, la technologie de propulsion se doit d'être développée en même temps que le reste pour pouvoir crédibiliser les voyages planétaires. Mais tant qu'on a pour seuls projets des moteurs qui fournissent 2µN de poussée (j'exagère à peine), ne pensez-vous pas que des expériences comme Smart-1 confirment au contraire que les "propulsions alternatives" ne sont pas adaptées aux voyages habitées de ce siècle, même dans 50 ans ?
D'où le manque d'intérêt et le manque de confiance de beaucoup, peut-être...

[lambda0]

Il y a un paquet d'études de la NASA qui suggèrent le contraire, et même le projet martien de Energuia est en propulsion électrique (avec des moteurs disponibles maintenant, pas dans 50 ans)...
Quant à Smart-1... on a de la peine à suivre par chez nous, les américains sont en train de tester des moteurs basés sur le même principe mais 100 fois plus puissants, avec une Isp multipliée par 3, en partant de la technologie russe récupérée en 1992. Et sans parler bien sûr des autres moteurs plasmiques.

Ce qui bloque l'utilisation à court terme de ces moteurs pour les vols interplanétaires est surtout la source d'énergie, mais les russes ont quand même proposé une solution originale qui pourrait devenir compétitive, en fonction des développements sur les panneaux solaires (Pour l'instant, leur solution me semble un peu faiblarde : faible rendement scientifique avec 1 mois sur Mars pour 2 ans de voyage, et mission globalement un peu trop longue).

A+

EDIT, complément:
J'ai déjà du donner le lien dans le fil sur le moteur Hall, mais voici une petite illustration de ce qui est disponible "sur l'étagère" aux US :
http://www.busek.com/halleffect.html
200 ou 300 moteurs de type BHT-20K pourraient assurer la propulsion d'un vaisseau du type proposé par les russes, avec peut-être une Isp un chouilla plus importante. Par ailleurs, en expérimental, le NASA-400M produit une Isp de 5000 s avec du krypton.
Comparer également les performances du BHT-8000, ou même du BHT-20K avec le PPS-1350 de Smart-1 pour se rendre compte de l'écart qui s'est creusé.
Ce moteur n'est en fait pas le plus adapté aux vols habités, mais c'est celui dont le développement est le plus avancé parmi les moteurs plasmiques, et des moteurs plus puissants devraient être bientôt dispo.
Il ne parait pas absolument invraisemblable que les américains aillent un jour vers Mars avec un moteur inventé par les russes, c'est un scénario parmi d'autres...

[Henri]

Je sens venir le split...
En fait je faisais aussi allusion aux dispositifs à hautes Isp et poussées spécifiques reposant sur les GCNR ou bien des techniques avancées de compression inertielle de 235U (techniques de compression aujourd'hui utilisées dans les expériences de fusion thermonucléaires), permettant d'obtenir des masses critiques qui se comptent en grammes ou même moins...
Tous ces dispositifs - s'ils sont applicables, et on n'en sait toujours rien par manque de R&D ! - n'étant utilisables qu'assez loin de la Terre (1000 à 10 000 km selon la technologie envisagée), seraient surtout utiles pour abréger les temps de transit grace à leurs hautes Isp, alors que la même contrainte d'altitude enlève tout intérêt aux vieille Nervas avec leurs 800 s d'Isp.

[lambda0]

Oui, pour répondre à Greg, j'ai surtout développé sur ce qui était disponible maintenant ou à court terme : le moteur Hall, c'est sur l'étagère.
Mais pour certains des dispositifs auxquelles tu fais allusion, il me semble bien que les recherches suivent leur cours, de façon plus ou moins souterraine, et en dehors de la NASA : au LANL, LLNL et autres labo souvent très liés au militaire, surtout pour la fusion inertielle et les applications de l'antimatière. Et ce serait déjà du plus long terme.

A+

[Space Opera]

Je viens de lire l'article donné sur le GCNR. C'est ma foi fort intéressant, mais on y retrouve des durées d'exploration de Mars assez courtes, et le ton du papier m'a l'air assez optimiste. Cependant, le concept donne une dimension à la propulsion qui n'a rien à voir avec celle de Smart-1, qui était pour moi représentatif de ce qui se fait actuellement de mieux.
Effectivement la poussée peut être importante, et l'utilisation réelle. Je ne connais pas la critique de cet article, je pense qu'il y a de quoi redire, et des choses ma foi fort intéressantes par les personnes compétentes.

[Henri]

Oui, pour répondre à Greg, j'ai surtout développé sur ce qui était disponible maintenant ou à court terme : le moteur Hall, c'est sur l'étagère.
Mais pour certains des dispositifs auxquelles tu fais allusion, il me semble bien que les recherches suivent leur cours, de façon plus ou moins souterraine, et en dehors de la NASA : au LANL, LLNL et autres labo souvent très liés au militaire, surtout pour la fusion inertielle et les applications de l'antimatière. Et ce serait déjà du plus long terme.

A+

Attention, là je parle de FISSION inertielle, car en neutronique, le véritable critère pour une réaction de fission n'est en fait pas la masse critique, mais l'opacité critique. L'idée - pour effectuer le travail de compression du matériau fissile - est de remplacer les explosifs chimiques traditionnels par des faisceaux laser par exemple ; ce qui permettrait de multiples microdétonations nucléaires. (Il faudrait faire les calculs...)

[Space Opera]

Question d'amateur : ce n'est pas précisément ça que le CEA est en train de monter à Bordeaux ?

[lambda0]

Attention, là je parle de FISSION inertielle, car en neutronique, le véritable critère pour une réaction de fission n'est en fait pas la masse critique, mais l'opacité critique. L'idée - pour effectuer le travail de compression du matériau fissile - est de remplacer les explosifs chimiques traditionnels par des faisceaux laser par exemple ; ce qui permettrait de multiples microdétonations nucléaires. (Il faudrait faire les calculs...)

Faisceau laser ou striction magnétique, ça doit ressembler au MiniMag Orion...
C'est vrai que l'idée me plaisait bien, du point de vue des performances.
Remarquer quand même que les technologies qui permettraient de concevoir ces propulsions aux performances fantastiques sont les mêmes que celles qui permettraient de fabriquer des armes nucléaires miniaturisées, ce qui peut aussi expliquer le peu de publicité qui en est faite, et c'est aussi un peu à celà que je pensais en parlant de "recherches souterraines"...
A mon avis, on aura du mal à trouver des rapports très détaillés, avec des tests, si ces rapports existent.

Space Opera: le LMJ à Bordeaux est destiné à la fusion inertielle, donc pas tout à fait ce dont parle Henri.

A+

[Space Opera]

Space Opera: le LMJ à Bordeaux est destiné à la fusion inertielle, donc pas tout à fait ce dont parle Henri.

Autant pour moi, j'ai trouvé la réponse en cherchant sur le net mais après avoir oublié d'avoir tourné ma langue dans ma bouche.
Je pense qu'à force de vous lire vous allez me filer le virus de la physique nucléaire, c'est pas gentil ça !

[lambda0]

Greg: le LMJ à Bordeaux est destiné à la fusion inertielle, donc pas tout à fait ce dont parle Henri.

Autant pour moi, j'ai trouvé la réponse en cherchant sur le net mais après avoir oublié d'avoir tourné ma langue dans ma bouche.
Je pense qu'à force de vous lire vous allez me filer le virus de la physique nucléaire, c'est pas gentil ça !

Allez, au point où on en est dans le HS, pour se faire plaisir et faire baver un futur ingénieur astronautique, voilà à quoi ressemblerait un vrai vaisseau spatial, utilisant ce principe de fission inertielle :
http://www.andrews-space.com/content-main.php?subsection=MTA2

EDIT: toute similitude de nom entre cet Orion là et une certaine capsule est évidemment purement fortuite...

[Space Opera]

C'est ma foi très intéressant (et ça fait un peu rêver ausi, (mal)heureusement). Comment fait-on pour véhiculer les neutrons ?

[Henri]

On pourrait déplacer ce bout de discussion dans la section appropriée sous le titre "Propulsion à fission inertielle par laser ou faisceaux de particules"
Sinon la proposition dont je parle est différente de Mini-MagOrion qui confine à l'aide d'une décharge électrique du Curium 245 (très dangereux à utiliser, rare et cher).
Ce serait en fait un mini-Daedalus à fission basé sur un confinement laser ou à particules accélérées. Les critères de confinement sont moins sévères pour la fission que pour la fusion et permettent d'utiliser de toutes petites cibles de 235U nettement plus sûr et plus courant que 245Cm. Les lasers picojoules ont fait d'énormes progrès ces dernières années...
J'ai trouvé cette référence sur le net :
M. D. Perry, B. C. Stuart G. Tietbohl, J. Miller, J. A. Britten, R. Boyd, M. Everett, S. Herman, H. Nguyen, H. T. Powell, B. W. Shore, "The petawatt laser and its application to inertial confinement fission", in Conference on Lasers and Electro-Optics, technical digest serie Optical Society of America paper, 9, 307, (1996).

[Henri]

C'est ma foi très intéressant (et ça fait un peu rêver ausi, (mal)heureusement). Comment fait-on pour véhiculer les neutrons ?

Les neutrons ne sont produits que pendant la réaction en chaîne et en sont le vecteur, mais - contrairement à la réaction de fusion Deutérium+Tritium - ce ne sont pas eux qui emportent l'énergie libérée, mais les fragments de fission porteurs de charges électriques, et dont l'impulsion peut donc facilement être transmise au véhicule via un champ magnétique statique. (on peut même directement en extraire l'énergie - sous forme électrique - nécessaire au confinement des cibles suivantes)

[lambda0]

J'ai trouvé cette référence sur le net :
M. D. Perry, B. C. Stuart G. Tietbohl, J. Miller, J. A. Britten, R. Boyd, M. Everett, S. Herman, H. Nguyen, H. T. Powell, B. W. Shore, "The petawatt laser and its application to inertial confinement fission", in Conference on Lasers and Electro-Optics, technical digest serie Optical Society of America paper, 9, 307, (1996).

Celà semble intéressant, cet article est il disponible quelque part ?

[Henri]

J'ai trouvé cette référence sur le net :
M. D. Perry, B. C. Stuart G. Tietbohl, J. Miller, J. A. Britten, R. Boyd, M. Everett, S. Herman, H. Nguyen, H. T. Powell, B. W. Shore, "The petawatt laser and its application to inertial confinement fission", in Conference on Lasers and Electro-Optics, technical digest serie Optical Society of America paper, 9, 307, (1996).

Celà semble intéressant, cet article est il disponible quelque part ?

Pas trouvé pour l'instant, j'ai simplement vu la référence dans la bibliographie de la thèse suivante :
http://www.iota.u-psud.fr/~brun/elsa/perso/f_druon/druon_Autres/druon_Autrespages/these_druon.pdf
Maintenant Powell n'est pas un inconnu (MITEE). Et non, c'est un homonyme...

Il y a aussi des infos intéressantes à la page 20 de ce PDF sur le site du NIAC :
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/76McNutt.pdf

[Henri]

j'ai aussi trouvé ça.

"Fission of actinides with tabletop lasers"
http://ej.iop.org/links/ru0FsLlHB/ojV1oM3B2xGSV_-wav5vpA/epl_61_1_047.pdf

Mais ce papier traite plutôt des réactions de fission d'actinides genre 238U ou 232Th déclenchées par les gammas de bremsstrahlung des électrons accélérés par le faisceau laser lors de son impact sur une cible de Tantale.

[lambda0]

Quelques divagations :
C'est un peu maigre comme indice, mais la compression par laser pourrait marcher un peu comme pour la fusion inertielle : une couche superficielle de la bille (le "pusher") serait vaporisée en absorbant soit des rayons X thermalisés dans une cavité (schéma d'attaque indirecte), soit le rayonnement laser direct (schéma d'attaque directe). Par "effet fusée" créé par la vaporisation, la bille de combustible est comprimée. Pour amorcer la réaction en chaine et avoir un taux de combustion significatif, il faut que le libre parcours moyen des neutrons (fonction de la densité et de la section efficace de la réaction de fission, quelques centaines de barn suivant le matériau, l'énergie des neutrons) soit faible devant le diamètre de la bille en fin de compression.
Petit avantage par rapport à une cible de fusion : étant donné que le "pusher" aurait une densité inférieure à celle du combustible nucléaire, on peut s'attendre à un peu moins de problèmes d'instabilités hydrodynamiques (l'instabilité de Rayleigh-Taylor qui fiche en l'air la fusion inertielle par exemple), mais même indépendamment de ça, je pense que la symétrie de la compression est moins critique.
Par contre, le temps de confinement devrait être bien plus faible qu'avec la striction magnétique utilisé pour le MiniMag Orion, peut-être même d'un facteur 10 à 100, ce qui est évidemment très défavorable (ça peut se comprendre: dans le cas de la striction magnétique, il y a un puissant champ magnétique qui tient tout en place): s'il faut quelques microsecondes pour que se développe la réaction en chaine et que le temps de confinement utile ne dépasse pas 1 ns, ça ne marchera pas sans quelques astuces supplémentaires.
En ce qui concerne le laser : on peut construire un laser produisant des impulsions petawatt, avec le bon profil temporel (pour la compression adiabatique), mais si l'impulsion doit contenir quelques MJ, il y a encore un peu de chemin pour miniaturiser : je ne pense pas qu'on soit prêt de faire des Davy Crocket de poche (même s'il doit y avoir une recherche assez active sur le sujet, et je repense à une petite allusion dans un discours de notre président en 95 ou 96, qui cherchait alors à se justifier d'une décision impopulaire, allusion qui semblait dirigée vers les américains), et même pour un vaisseau spatial, ça peut être encore un peu douteux (penser à la taille des installations du NIF ou du LMJ).
L'autre piste est qu'on puisse effectivement se contenter d'impulsions PW mais à faible énergie, auquel cas le laser miniaturisé existe déjà, et qu'on exploite un phénomène EM non linéaire, mais je ne vois pas lequel (EDIT: je n'ai pas encore lu ton dernier article sur la fission induite par les gammas d'un rayonnement de freinage).

Quand même pas évident cette affaire, je vais y réfléchir un peu...
Mais tout ce qui précède n'est que pure supposition, je n'ai pas l'article que tu as référencé au début. Et de toute façon, indépendamment de la technique, j'ai l'impression que le développement de ce type de propulsion pose un certain nombre de problèmes politiques qui ne se limitent pas aux atermoiements d'écologistes ou au risque de griller de précieux satellites si on met en marche la propulsion trop près de la Terre.
La propulsion électrique, c'est quand même moins périlleux, et ça permet aussi bien, en théorie, d'aller faire un pique-nique sur Mars en 2 ou 3 mois...

A+

[Henri]

Il faut en fait au moins 20 générations de neutrons pour que l'opération soit jouable. Difficile à atteindre avec des cible de l'ordre du décigramme, surtout pour 235U. Même Mini-MagOrion prévoit l'incorporation d'une diode Deuterium/Tritium dans ses cible de 40 g de 245Cm pour générer suffisament de neutrons initiaux...
Maintenant je ne crois pas aux applications militaires du dispositif, à moins d'accepter de sacrifier un camion bourré de 10 tonnes d'équipements sophistiqués et coûteux pour faire sauter à quelques mètres de lui un unique "pétard" équivalent à quelques tonnes de TNT...
Pour un dispositif de propulsion spatial, le dispositif permettrait par contre l'ignition successive de milliers de cibles à raison d'une dizaine par secondes sans ondes de chocs mécaniques (on est dans le vide) et à l'abri d'un champ magnétique statique.

[lambda0]

Le plus ennuyeux est quand même que le temps de confinement en compression par laser serait plus faible qu'avec une striction magnétique : à compression équivalente, le rendement du dispositif serait bien plus faible que le MiniMag Orion.
Et il faut voir de quelle énergie on a besoin dans l'impulsion laser : le laser peut être une installation assez imposante.
Toujours dans l'hypothèse évidemment où ce serait un dispositif tel que je l'ai décrit plus haut, il peut y avoir d'autres principes auxquels on n'a pas pensé.

A+

EDIT:
Après réflexion, une autre possibilité éventuelle : rajouter dans l'empilement "pusher" une couche d'un isomère nucléaire (hafnium 178 par exemple). En attaque indirecte, le faisceau laser frappe la paroi d'une cavité, qui rayonne des X, homogénéisés dans la cavité. Ce rayonnement X déclenche la desexcitation de l'isomère, et l'énergie libérée permettrait une compression bien plus importante, tout en permettant d'utiliser un laser moins puissant.
Dans une variante, ce rayonnement X pourrait être directement produit par un plasma de striction magnétique. C'est même peut-être meilleur du point de vue de l'énergie des X.
Si c'est crédible, il doit bien y avoir des gens au LANL ou à Sandia qui explorent tout ça, et pas que pour des applications spatiales.

[Henri]

178Hf période 31 ans, ça nous fait de nouveau un ergol bigrement radioactif...
La question n'est pas tant dans la durée de l'impulsion laser, mais la durée de l'état superdense de la cible de 235U, l'inertie entre en ligne de compte. Ca doit se résumer au temps de transit de l'onde de choc de la périphérie vers le centre ; il faut que le(s) faisceau(x) laser compresse(nt) la cible sans la chauffer pour garder une vitesse du son dans la cible qui soit raisonnable.

[Henri]

Sinon relit les pages 20 et 21 du lien que j’ai déjà donné avant :
http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/76McNutt.pdf
L'auteur écarte la proposition de cibles de 0,5 à 1 g de 235U car cela conduit à une masse du générateur et du dispositif d'allumage de l'ordre de 11 tonnes, ce qui est encore beaucoup trop pour la petite sonde envisagée dans le papier (un précurseur interstellaire bon marché) par contre des cibles de 0,5 à 1 g de 235U libérant 5 à 10 t d'équivalent TNT toutes les 0,1 s et nécessitant un générateur de 11 t correspond tout à fait à des missions interplanétaires habitées. De plus la masse des dispositifs d'allumage et du générateur de champ magnétique "à la Daedalus" apportent déjà une réelle protection partielle à l'équipage face aux radiations du moteur.
Le seul problème serait de se procurer les papiers cités dans le passage ([Hyde et al., 1972], la description du terme de "fizzles" [cf. Chapter 18 of Winterberg, 1981; Chapter 17 of Serber, 1992] et Dyson [1968]) et de voir s'ils ne sont pas trop optimistes...
Nota : Les exigences de leur petite sonde se situent plutôt dans la gamme de cibles de 1 mg de 235U (irréalisable !)…

[lambda0]

178Hf période 31 ans, ça nous fait de nouveau un ergol bigrement radioactif...
La question n'est pas tant dans la durée de l'impulsion laser, mais la durée de l'état superdense de la cible de 235U, l'inertie entre en ligne de compte. Ca doit se résumer au temps de transit de l'onde de choc de la périphérie vers le centre ; il faut que le(s) faisceau(x) laser compresse(nt) la cible sans la chauffer pour garder une vitesse du son dans la cible qui soit raisonnable.

C'est pour celà que je parlais de compression adiabatique, mais la cible doit quand même chauffer à quelques keV au moment où la fission démarre. Une cible pourrait avoir la structure suivante, en partant de l'extérieur :
- couche de Hf178m2
- couche de tungstène
- plutonium
- au centre, un mélange D-T, dont la fusion fournit un complément de neutrons rapides
Il faut que les X soient assez énergétiques pour déclencher la décroissance de Hf178m2, mettons autour de 10 keV. La couche de tungstène absorbe les X/gammas émis par la décroissance de Hf178m2, se vaporise, et comprime violemment la cible de plutonium, et également le mélange de D-T de la zone centrale. Etant donné que l'énergie de compression provient essentiellement de Hf178m2, contrairement au schéma classique, celà peut permettre d'utiliser un laser beaucoup moins puissant, qui tiendrait bien cette fois dans un vaisseau spatial avec une masse raisonnable.
Mais bon, il me semble que les expériences de déclenchement de la décroissance de Hf178m2 par des X sont encore un peu controversées.

Pour ce qui est de la "radioactivité" de Hf178m2 : je crois que ce sont des rayonnements assez peu énergétiques par rapports aux gammas d'autres réactions nucléaires.

A+

[lambda0]

Le seul problème serait de se procurer les papiers cités dans le passage ([Hyde et al., 1972], la description du terme de "fizzles" [cf. Chapter 18 of Winterberg, 1981; Chapter 17 of Serber, 1992] et Dyson [1968]) et de voir s'ils ne sont pas trop optimistes...

Il me semble (pas sûr) qu'il s'agit d'un démarrage prématuré de la fission avant la fin de la compression.

A+