LE NUCLÉAIRE ET LA CONQUÊTE SPATIALE - sfen.· MOTEUR LIQ/GAZ PROPULSIF ENERGIE ELECTRIQUE CHALEUR

download LE NUCLÉAIRE ET LA CONQUÊTE SPATIALE - sfen.· MOTEUR LIQ/GAZ PROPULSIF ENERGIE ELECTRIQUE CHALEUR

of 47

  • date post

    13-Sep-2018
  • Category

    Documents

  • view

    212
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of LE NUCLÉAIRE ET LA CONQUÊTE SPATIALE - sfen.· MOTEUR LIQ/GAZ PROPULSIF ENERGIE ELECTRIQUE CHALEUR

  • LE NUCLAIRE ET LA

    CONQUTE SPATIALE

    AIX-EN-PROVENCE 20 AVRIL 2018

    SFEN PACA | Xavier Raepsaet

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018| PAGE 1

  • LE NUCLAIRE POUR

    LESPACE, UNE RALIT

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 2

  • MISSION APOLLO 12 !!

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    Utilisation de gnrateurs radio isotopique(RTG) au plutonium 238

    | PAGE 3

  • BIEN DAUTRES MISSIONS

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 4

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    Vue dartiste de

    larrive sur Pluton

    en 2015

    | PAGE 5

  • LE NUCLAIRE, POURQUOI ?

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 6

  • LE RAYONNEMENT SOLAIRE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 7

  • LES ATOUTS DU NUCLEAIRE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    Niveau de

    puissance

    lectrique

    (kilowatts,

    kWe)

    Dure dutilisation

    | PAGE 8

  • 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,

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 9

  • LES DIFFRENTS SYSTMES

    NUCLAIRES POUR

    LESPACE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 10

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    Pu238 U234 + (5,5 MeV)

    | PAGE 11

  • LA GAMME DE PUISSANCE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 12

  • LES GNRATEURS RADIO

    ISOTOPIQUES (RTG)

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 13

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    RTG

    | PAGE 14

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 15

  • ACCEPTATION

    RTG souvent utilise mais pas toujours bien accept !!

    | PAGE 16SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • LNERGIE DU RACTEUR

    NUCLAIRE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 17

  • LE RACTEUR NUCLAIRE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    Gnrateur lectrique Propulsion nuclaire thermique

    Base plantaire

    Satellite, Sonde

    Vaisseau

    Propulsion

    lectrique

    NEP

    NTP

    | PAGE 18

  • LES ARCHITECTURES

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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    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

    | PAGE 19

    P < kg

  • LES RACTEURS

    NUCLAIRES

    LA GNRATION DLECTRICIT

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 20

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    )(

    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

    | PAGE 21

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 22

  • LE DIMENSIONNEMENT

    Conversion statique ou dynamique

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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    !

    ex. : cur UO2 / ZrH / NaK

    | PAGE 24

    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

    | PAGE 25SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 26

  • LES RACTEURS

    NUCLAIRES

    LA PROPULSION DIRECTE

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    | PAGE 27

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    M

    RTccte

    ccteH vv

    212

    22

    TvM

    Reject 01

    2

    | PAGE 28

  • LE PROJET MAPS

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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    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

    | PAGE 29

  • 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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018 | PAGE 30

  • LE COMBUSTIBLE ET LES MATRIAUX :

    LES VRAIS DEFIS

    | PAGE 31SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • EXPRIENCES PASSES

    | PAGE 32

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • 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

    | PAGE 33SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    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

    SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    SNAP 10 A

    | PAGE 34

  • THE NERVA NTP PROGRAM

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

    | PAGE 35SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • NERVA (60-71)

    | PAGE 36SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • THE NERVA TESTS (60-71)

    | PAGE 37SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

  • 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

    | PAGE 38SFEN PACA-Corse | 20 avril 2018

    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