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RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator)
RHU (Radioisotope Heater Unit)
Missions :
Les RTG constituent la source principale de
puissance des missions spatiales des Etats-unis depuis 1961. Ainsi, 45
RTG ont alimenté 25 véhicules spatiaux, dont les missions
Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Cassini, Ulysses et
récemment New Horizons, et également de nombreux
satellites militaires et civils.
Quant aux russes, ils ont également
investigué les RTG à Polonium-210 pour les missions
Kosmos, mais ils concentrèrent majoritairement leurs efforts sur
les réacteurs à fission.
La technologie des RHU a été
utilisée pour de nombreuses missions, à raison de
quelques 240 exemplaires pour les Etats-Unis; deux furent
envoyés sur la Lune où ils sont toujours à bord
des Rovers lunaires russes.
Conception :
Le principe est d'utiliser la chaleur produite
par la désintégration naturelle du Plutonium-238 (qui
s'élève à 0,56 W/g) que l'on embarque sous forme
d'oxyde, et de l'utiliser pour alimenter en électricité
le reste du vaisseau: ceci délimite les deux parties dont est
composé un RTG, à savoir la source de chaleur et le
système de conversion.
Pour réaliser la conversion, on utilise
des thermocouples solides sans parties mobiles basés sur l'effet
Seebeck: la force électromotrice résulte de la diffusion
des électrons à la limite entre deux matériaux, de
préférence des semi-conducteurs, qui sont à des
températures différentes. Les semi-conducteurs sont plus
performants qu'une simple jonction de deux métaux car ils
produisent un excès ou un défaut d'électrons: on
se sert par exemple de Silicum-Germanium dopé, ayant de faibles
taux d'impuretés. La différence de températures
entre les deux parties du thermocouple est de l'ordre de 700 K.
Les RTG sont montés au bout de mats de 5 m
afin de protéger les instruments scientifiques: si la
désintégration du Plutonium se limite à des
particules alpha qui sont entièrement absorbées par la
source de chaleur, ne nécessitant pas de bouclier anti-radiation
spécifique, il existe à l'extérieur du RTG des
flux de neutrons modérés et des rayonnements gamma qui
demandent d'isoler le module du reste du vaisseau afin d'éviter
les interférences avec les instruments de mesure.
Un des avantages des RTG est qu'ils ne
nécessitent aucun entretien, et peuvent continuer à
produire de l'électricité pour des décennies dans
des conditions extrêmes (comme le froid qui règne dans
l'espace ou les champs de radiation intense de la ceinture de Van Allen
par exemple); on s'en sert donc principalement pour les missions qui se
déploient trop loin pour permettre l'utilisation de
l'énergie solaire.
Pour ce qui est des RHU, qui sont utilisés
pour les satellites et les sondes spatiales dans le but de maintenir
les instruments à des températures suffisantes pour
qu'ils puissent fonctionner correctement, ils ne délivrent
qu'aux alentours de 1 W et utilisent principalement du Plutonium-238
(à raison d’une masse proche de 2,7 kg); ils mesurent 3 cm
de long pour 2,5 cm de diamètre, et pèsent 40 g.
Le dernier modèle de RTG est le GPHS RTG
(General Purpose Heat Source RTG) d'une puissance de 290 W: une
unité GPHS se compose de quatre pastilles de combustible Pu-238
(sous sa forme oxydée PuO2) enserrées dans des capsules
d'Iridium (un métal très stable avec des
propriétés élastiques), mesure 5 cm de haut sur 10
cm², et pèse 1,44 kg. Le tout est enserré dans un
cylindre de graphite, la protection anti-impact, puis dans une capsule
aérienne qui contient deux protections anti-impact. 18
unités GPHS composent un GPHS RTG qui contient au total 11 kg de
Pu-238.
L'évolution en MMRTG (Multi-Mission RTG)
utilisera 8 GPHS produisant 2 kW qui serviront à produire 100 W
d'électricité: elle est actuellement à
l'étude.
L'autre option est le SRG (Stirling Radioisotope
Generator), basé sur un convertisseur 55 W électrique,
alimenté par une unité GPHS. La partie la plus chaude du
convertisseur atteint 650 °C et l'Hélium chauffé met
en marche un piston libre qui entraîne un alternateur en ligne,
la chaleur étant rejetée à
l'extrémité froide du moteur. Le courant AC
délivré est ensuite converti en 55 W DC. Le moteur de
Stirling produit environ 4 fois plus d'électricité
à partir du combustible de Plutonium qu'un RTG. Un SRG utilise 2
convertisseurs de Stirling avec environ 500 W de puissance thermique
fournie par 2 unités GPHS, et délivre 100 à 120 W
de puissance électrique. Bien qu'ayant été
largement testée, cette technologie n'a pas encore
été lancée en vol.
Sécurité :
Les premiers RTG ont été construits
au mépris de toute sécurité, mais dans les
années 70 des normes sont apparues pour prévenir des
risques d’accident impliquant les matériaux
nucléaires.
L'objectif principal lié à
l'utilisation du Plutonium-238 est de le confiner en vue de
protéger son environnement de toute contamination. Les chartes
de sécurité à respecter pour tous ces
éléments demandent notamment de résister à
des accidents majeurs au lancement (explosion, et incendie), et au
retour dans l'atmosphère suivi d'un impact marin ou terrestre.
Pour les explosions, les RTG doivent rester
intacts, sans aucune perte de combustible, sous des pressions de 15,25
Mpa. Les incendies sont évités car les assemblages sont
composés d'éléments dont les températures
de fusion sont supérieures aux températures de flamme
engendrées par un fluide propulsif en feu.
Lors des tests, les modules furent capables de
résister à l'enlèvement du matériau
extérieur et aux contraintes thermiques comparables à
celles éprouvées en cas de retour dans
l'atmosphère; les tests d'impacts terrestres furent conduits
à des vitesses supérieures de 10% à celles
atteintes au maximum en cas de crash sur des surface dure comme du
béton, et les scientifiques relevèrent un rejet de
matériau radioactif compris entre 0 et 0,22 g.Aucun rejet ne fut
trouvé après des tests réalisés en cas
d'eau ou de sol plus malléable: d'ailleurs, les immersions
à long terme ont démontré la résistance de
l'Iridium à la corrosion et l'insolubilité du
combustible. De plus, les test de fragments sous forme de boulets
d'aluminium ou de titanium lancés à des vitesses
surpassant les vitesses prédites pour les explosions indiquent
que le combustible ne s'échappe pas.
Suite à l'accident de Challenger, une
étude concernant un éventuel confinement
supplémentaire fut menée: on a décidé de ne
pas rajouter de barrière supplémentaire en raison de la
grande complexité d'une telle conception qui augmentait
significativement les risques d'échec de la mission ainsi que
les conséquences au sol en cas d'avarie en orbite bien qu'elle
renforçât la protection à proximité de
l'aire de lancement. Lindstrom, responsable du programme New Horizons
à la NASA, explique que le plus grand souci de
sécurité dans le lancement des RTG est
précisément le risque d'explosion près du pas de
tir, comme dans le cas d'une fusée explosant avant d'avoir
dégagé l'aire de lancement ou retombant avant qu'elle ne
survole la mer: le risque est majeur durant les 40 premières
secondes de vol, dans la mesure ou le module renfermant le Plutonium
pourrait s'ouvrir en s'écrasant contre une surface trop dure,
même si cela n'entraînerait qu'une contamination des
alentours direct du module endommagé relativement facile
à contenir.
Concernant les satellites, la demi-vie du
Plutonium-238 étant de 87,8 ans, ils ont tous été
replacés sur des orbites où ils ne referont pas
d'entrée dans l'atmosphère avant que le matériau
ne se soit désintégré jusqu'à des niveaux
peu nocifs.
Tous les accidents qui ont eu lieu mettant en
scène des RTG n'ont jamais été causés par
les RTG, mais ils étaient dus aux fusées ou à la
chute d'un satellite sur Terre: en effet, aucun élément
du module fournissant la puissance n'est susceptible d'exploser ni de
fracturer ou d'affecter d'aucune autre manière que ce soit un
vaisseau.
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