LE NUCLAIRE ET LA

CONQUTE SPATIALE

AIX-EN-PROVENCE 20 AVRIL 2018

SFEN PACA | Xavier Raepsaet

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LE NUCLAIRE POUR

LESPACE, UNE RALIT

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MISSION APOLLO 12 !!

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Utilisation de gnrateurs radio isotopique(RTG) au plutonium 238

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BIEN DAUTRES MISSIONS

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ET PLUS RCEMMENT

Le rover martien Curiositylanc en 20114,8 kg de Pu pour 120 We

Mission New Horizons vers Pluton et la ceinture de Kuijper lanc 2006

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Vue dartiste de

larrive sur Pluton

en 2015

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LE NUCLAIRE, POURQUOI ?

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LE RAYONNEMENT SOLAIRE

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LES ATOUTS DU NUCLEAIRE

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Niveau de

puissance

lectrique

(kilowatts,

kWe)

Dure dutilisation

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CADRE DE MISSION DU NUCLAIRE

Missions plantaires automatiquesMissions complexes et nergtiques (DV), au del de Jupiter

Systmes de puissance en surface de plante

Science mobile, exploration, creuser ! Station habite, ISPP,

Propulsion haute performance pour du transport habit

Mars, Mars partir de base lunaire,

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LES DIFFRENTS SYSTMES

NUCLAIRES POUR

LESPACE

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QUELLE NERGIE NUCLAIRE ?

Dcroissance radioactive de noyaux lourds pour :

Le chauffage de composants

La production dlectricit

La fission , le racteur nuclaire pour :

La production dlectricit

La propulsion

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Pu238 U234 + (5,5 MeV)

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LA GAMME DE PUISSANCE

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LES GNRATEURS RADIO

ISOTOPIQUES (RTG)

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LES RTG ET LES RHU

RHU, une chauffretteQuelques grammes de Pu et jusqu 40 Wth

RTG, gnrateur lectriqueUtilise la dcroissance du 238Pu Priode radioactive : ~88 ans Densit de puissance : ~500 W/kg

Conversion with thermo-element (static) 10 to 100 We

La conversion dynamique est envisage (DIPS) ~1 kWe

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RTG

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LES MISSIONS CONNUES DES RTG

APOLLO, ULYSSES, GALILEO (89), CASSINI (97)CASSINI ~ 500 kilo-Curie sur le pas de tir !

TechnologiesMonople US, Russie mais sans utilisation

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ACCEPTATION

RTG souvent utilise mais pas toujours bien accept !!

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LNERGIE DU RACTEUR

NUCLAIRE

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LE RACTEUR NUCLAIRE

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Gnrateur lectrique Propulsion nuclaire thermique

Base plantaire

Satellite, Sonde

Vaisseau

Propulsion

lectrique

NEP

NTP

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LES ARCHITECTURES

Mme sans radiateur, la masse sche du systme NTP (propulsion directe) reste importante

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REACTEUR

RESERVOIR H2

TUYERE

PROTECTION RADIOLOGIQUE

20 Kth

REACTEUR

RESERVOIR H2

TUYERE

PROTECTION RADIOLOGIQUE

ISP ~ 860 s

20 K300 MWth P ~ 7 t

NTP

NEP

REFROIDISSEMENT PAR RAYONNEMENT 1 MWth

REACTEUR

RADIATEUR

CONVERSION

MOTEUR

LIQ/GAZ

PROPULSIF

ENERGIE ELECTRIQUE

CHALEUR - FISSION

PROTECTION RADIOLOGIQUE

1,2 MWth20%

100 m

200 kWeISP ~ 2000 -

5000 s

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P < kg

LES RACTEURS

NUCLAIRES

LA GNRATION DLECTRICIT

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LA PROBLEMATIQUE DU GNRATEUR

LECTRIQUE

Minimum pour Tf = Tch soit h = 25 %

Tf requise assez leve Exemple e = 0.6, 800 K moyenne 14 kW/m2

Tch leve

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)(

13

TTTS

fchf

e

rad

W

e

efrad

WTS hh

e

14

Quelques centaines kWe (20 %) 1 MWth ray. 100 m2

TEMPRATURE SORTIE CUR ~ 1000 C

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Racteur

gaz + Brayton

EXEMPLE DE DESIGN RALIS AU CEA

Projet Opus-100 Combustible (particules + C) 2400 kg, 100kWe

( = 24 kg/kWe)

A court terme : adquation technologies /lanceur/racteur/propulseur/ 120 kWe max.A moyen terme : 500 kWe avec mais Limiter par la technologie

combustible (fluence)

Sray = 80 m

13 m

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LE DIMENSIONNEMENT

Conversion statique ou dynamique

Brayton, Stirling, RankineThermoionique, thermolment, (thermoacoustique, MHD,..)

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lments cls pour le dimensionnement :

le couple systme de conversion / concept cur

Le cur du racteur

Dure de vie : ~ 7-10 ansSouci de compacit/masse racteur de petite tailleUranium trs enrichi:

93 % 235UQuelques dizaines de

kW/litreCaloporteur : mtal liquide

ou gaz| PAGE 23

LE CONCEPT DE CUR (1/2)

Gain sur la taille (masse) du racteur si modration efficace des neutrons

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!

ex. : cur UO2 / ZrH / NaK

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modrateur = atomes

lgers matriaux

hydrogns : (H2O, LiH,

ZrH, ) voir Be

Racteurs neutrons

thermiques favorables

LE CONCEPT DE CUR (2/2)

Cas des fortes puissance (> 500 kWe)

La limitation de la taille du radiateur implique la course la haute temprature

La haute temprature implique des matriaux rfractaires (base C, ) = mauvais modrateur

Racteurs neutrons rapides favorables

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LE PROJET ERATO (1982-89)

1982-89 : dans un cadre CNES-CEA-DGA

Avec participation dindustriels (SAGEM, TURBOMECA, NOVATOM, ...)

Deux versions : 200 kWe et 20 kWe

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LES RACTEURS

NUCLAIRES

LA PROPULSION DIRECTE

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LA PROBLEMATIQUE DE LA PROPULSION

DIRECTE

Recours H2Tempratures trs leves2000 - 3000 K

Dure de fonctionnement courteFaibles taux de combustionMontes en temprature rapidesSouci de compacit/masseForte densit de puissance cur nuclaire (1 10 MW/litre)

Exemple 10 tonnes de pousse 450 MWth pour chauffer 14 kg/s dhydrogne 2200 K

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M

RTccte

ccteH vv

212

22

TvM

Reject 01

2

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LE PROJET MAPS

Programme CEA CNES (1995-97)Repose sur des technologies court termeDimensionnement, valuation des performances, de la sret

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Puissance coeur 300 MW

Elments Comb. 19

Diamtre Racteur 94 cm

Combustible UC2

Mod./rfl. Be

Dens. Puiss. 1.5 kW/cm3

T sortie cur H 2200 K

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PROJET CNES-CEA 95-97

Pousse 72 kN

Fluide H2

Cycle EXPANDER

Pression Chambre 4.3 MPa

Temprature Chambre 2200 K

Puissance Turbopompe 1.95 MW

Impulsion Spc. (theo.) 859 s

ISP moyenne 786 s

Masse Totale 1900 kg

Hauteur 3.85 m

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LE COMBUSTIBLE ET LES MATRIAUX :

LES VRAIS DEFIS

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EXPRIENCES PASSES

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RACTEURS EN ORBITE !

LURSS de 1967 88 Gnrateurs lectriques

33 satellites stratgiques avec racteurs nuclaires RORSAT (U/Be/NaK et conversion

thermoionique ex-core)

2 TOPAZ-I Komos 1818 et 1867 en 1987

Propulsion thermiqueR&D combustibleTest dlments combustibles

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TOPAZ I

Exprience

Narcisse au

Kourtchatov

LE NUCLEAIRE SPATIAL AUX USA

Les USA (NASA, DOD/DOE, industriels)

Gnrateurs lectriquesPlus de 25 missions depuis 1961

> 35 gnrateurs radio-isotopiques (RTG)

1 racteur nuclaire a vol, le Snap-10A

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SNAP 10 A

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THE NERVA NTP PROGRAM

Propulsion nuclothermique : Programme ROVER, NERVA20 racteurs tests au sol de 1960 1971

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NERVA (60-71)

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THE NERVA TESTS (60-71)

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LE PROGRAMME Kilopower

(2012 2018) !!

2012 : Dmonstration de faisabilit en actif (U 93 %) 24 watts, caloduc en eau, conversion stirling

2015-2018 : Projet Kilopower (U 93 %) 4 kWe, caloduc en Na, conversion stirling

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Tests caloduc Na

Echangeur

pour le stirlingTest en U non enrichi

(chauffage lectrique)

REMARQUES DE FIN

Pour les acteurs du nuclaires, les applications nuclaires spatiales cest :

Des technologies pouvant tre considres comme prcurseurs des futurs systmes t