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Générateur Nucléaire

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Le générateur à fission nucléaire constitue d’ores et déjà la solution privilégiée pour les premières bases d’exploration temporaires ou permanentes, que ce soit sur la Lune ou sur Mars. La raison principale est que, pour la gamme de puissance requise, c’est la solution la plus compacte et la moins complexe à déployer. Les projets montrent qu’un tel générateur, délivrant en continu 40 kWe, aurait une masse de moins de 5 T, tout compris. Mais un tel cœur nucléaire peut fonctionner à plus grande puissance, sans accroître sensiblement ses dimensions ni sa charge en combustible, et céder au fluide de travail thermodynamique des puissances thermiques bien plus importantes et à plus haute température (1). En réalité, ce sont les dimensions de la source froide – radiateur ou échangeur de chaleur (2) – qui vont limiter la puissance unitaire extractible du générateur.

La durée de vie, sans avoir à intervenir sur la charge de combustible, devra être de 20 ou 25 ans, de façon à ce que le cycle de renouvellement soit homogène avec la durée d’implantation de la colonie (supposée de 20 ans).

1. Le moteur fusée nucléaire expérimental NERVA est allé jusqu’à délivrer 4 000 MWth en fonctionnement, l’équivalent de plus de 4 tranches nucléaires, pour un diamètre de réacteur de l’ordre d’un mètre !
2. Contrairement aux installations terrestres, on ne dispose pas sur Mars, en tant que source froide, de fleuves ou de bords de mer. Utiliser le sol obligerait à de difficiles terrassements. Et l’atmosphère est trop ténue pour être utilisée (bien que des projets aient proposé un procédé de convection forcée par ventilateurs).

La technologie présente un certain nombre d’inconvénients :

  • elle devra être acceptée politiquement ;

  • même si les cœurs fonctionnent à faible niveau, ils finissent par s’épuiser et leurs matériaux par vieillir ; il faut donc prévoir un renouvellement par de nouveaux générateurs venant de la Terre ;

  • il faut aussi envisager la possibilité à terme d’un démantèlement et, en attendant, accepter de protéger leur zone d’implantation ;

  • dans le but d’éviter de longues lignes de transport d’énergie électrique et de fluide caloporteur, les générateurs devront être implantés à proximité immédiate des installations utilisatrices de fortes puissances (en l’occurrence, la station d’électrolyse de l’eau).

 

Malgré cela, si le solaire est envisageable sur le long terme, la véritable solution pour l’établissement d’une colonie de la taille envisagée (1000 résidents) est bien, sur la base de ce que l’on maîtrise à ce jour, la fission nucléaire.

Financé par la Direction de la mission de technologie spatiale (STMD) de la NASA, le projet Kilopower est né en 2012 et vise à construire des réacteurs simples et peu coûteux qui peuvent être utilisés pour une grande variété de missions planétaires, dont l’installation de l’Homme sur Mars. Le besoin est réel et la NASA a trouvé une solution qui résiderait dans le potentiel de l’énergie nucléaire et notamment de la fission nucléaire, la même qui est employée dans les centrales terrestres.

Mardi 18 janvier 2018 le projet Kilopower a refait parler de lui car les premiers tests, réalisés dans le désert du Nevada, auraient été une réussite. Au cours d’une conférence qui s’est déroulé au National Atomic Testing Museum de Las Vegas, la NASA et le ministre de l’Energie ont présenté la suite du projet : au mois de mars 2018 pourrait se tenir le premier essai grandeur nature.

En réalité, Kilopower est une idée relativement peu complexe : il est question ici d’une mini-centrale nucléaire susceptible d’être transportée par les astronautes et en capacité de résister aux conditions climatiques extrêmes de Mars.

Son réacteur nucléaire, fonctionnant à l’uranium, n’est que du calibre d’une boite de conserve, la chaleur produite par fission est ensuite transférée par un caloduc à vapeur de sodium et fait alors tourner un moteur Stirling.

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Composition du Kilopower

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Phase 1 : Le gaz de travail (ici de la vapeur de sodium), chauffé par le réacteur nucléaire, tend à occuper plus de place et repousse le piston chaud au fond de sa course (vers la gauche). Lorsqu’il est arrivé en butée, l’expansion du gaz se poursuit en direction du cylindre froid et repousse le piston froid (vers le haut). Ces mouvements sont transmis à la roue.

Phase 2 : Le gaz est maintenant à son volume maximal. La roue transmet son mouvement au piston chaud (vers la droite), ce qui envoie la plus grande partie du gaz vers le cylindre froid, où il va se refroidir. La chaleur est alors dissipée via les radiateurs en partie haute de la mini-centrale.

Phase 3 : Presque tout le gaz est maintenant dans le cylindre froid et le refroidissement du gaz continue. La pression du gaz est à son minimum. Il se contracte et le piston froid redescend.

Phase 4 : Le gaz est maintenant à son volume minimum et le piston chaud est tiré vers la gauche par la roue et les transmissions. Le gaz est ainsi aspiré dans le cylindre chaud. Comme il se réchauffe, son volume augmente et le cycle recommence.

Plusieurs Kilopower permettront d‘alimenter en énergie les futurs camps de base à la surface de la planète rouge, notamment quand les nuits sont trop longues pour adopter de l’énergie solaire ou au cours des tempêtes de sable.

Évalué à 10 KW, un réacteur Kilopower dégage assez d’énergie pour alimenter deux foyers américains moyens et peut fonctionner sans interruption pendant dix ans sans ravitaillement.

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 Kilopowers reliés à une base Martienne.

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Prototype de test du réacteur Kilopower

La technologie présente un certain nombre d’inconvénients :

  • elle devra être acceptée politiquement ;

  • même si les cœurs fonctionnent à faible niveau, ils finissent par s’épuiser et leurs matériaux par vieillir ; il faut donc prévoir un renouvellement par de nouveaux générateurs venant de la Terre ;

  • il faut aussi envisager la possibilité à terme d’un démantèlement et, en attendant, accepter de protéger leur zone d’implantation ;

  • dans le but d’éviter de longues lignes de transport d’énergie électrique et de fluide caloporteur, les générateurs devront être implantés à proximité immédiate des installations utilisatrices de fortes puissances (en l’occurrence, la station d’électrolyse de l’eau).

Son principe est le même que le réacteur Kilopower mais il aura une puissance beaucoup plus élevée (jusqu’à 10 MWe au lieu de 10 kWe).

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Mégapower dans un container standard

À l'instar de son prédécesseur peu encombrant, Megapower utilise un type de réacteur nucléaire entièrement nouveau dans lequel plusieurs pièces d'uranium solide spécialement agencé subissent une réaction en chaîne. La réaction génère de la chaleur (au lieu de, par exemple, brûler du charbon ou de l’essence), et que la chaleur est transmise à un moteur par une invention de Los Alamos appelée caloduc. Chaque fois que plus d'énergie est nécessaire, le caloduc prélève de la chaleur plus rapidement, ce qui refroidit le réacteur et par conséquent réduit légèrement l'uranium. Avec le carburant combustible maintenant plus dense, les neutrons à l'origine de la réaction en chaîne rencontrent naturellement plus de noyaux à se scinder, augmentant ainsi la vitesse de réaction; De cette manière, le réacteur augmente automatiquement la puissance nécessaire et, inversement, réduit la puissance lorsqu'il ne l'est pas. Cette autorégulation sert également de garantie de sécurité intégrée. Une centrale nucléaire conventionnelle exploite en permanence un réseau de vannes et de pompes pour acheminer de grandes quantités d’eau à partir d’un lac ou d’une rivière proche afin de refroidir le réacteur; ces composants peuvent potentiellement tomber en panne en cas d'urgence. Mais Megapower est auto-refroidissant; il ne nécessite ni eau ni sous-systèmes de sécurité spécifiques pour sécuriser le réacteur. Les réactions de fuite, telles que celles qui pourraient conduire à une fusion, ne sont tout simplement pas possibles, car la vitesse de réaction est toujours limitée par le fait que la hausse de la température dilate le combustible solide, freinant ainsi la réaction.

 

Los Alamos s'est associé à Westinghouse, un important producteur de centrales nucléaires (et non nucléaires), pour affiner la conception et la fabrication des centrales sous le nom eVinci ™. Pour assurer la sécurité, la fiabilité, la portabilité et la facilité d’utilisation qui sont suffisantes pour fonctionner sur une autre planète, il disposera du cœur de réacteur et des systèmes de caloducs conçus par Los Alamos. Pour que les applications liées à la Terre soient efficaces et économiques, il disposera d’un système de groupe électrogène Westinghouse permettant de convertir la chaleur du réacteur en électricité. 

 

L'unité est conçue pour être modulaire et produire environ 10 mégawatts d'électricité. Cela équivaut à environ un centième de la puissance maximale produite par une grande centrale nucléaire, ce qui est largement suffisant pour une petite ville ou un centre de recherche éloigné, tel qu'un groupe d'observatoires au sommet d'une montagne. Une ville modeste comme Santa Fe, au Nouveau-Mexique, avec une population résidentielle de 150 000 habitants, il y aurait probablement besoin de cinq à dix Megapower. 

 

Cependant, étant donné que Megapower est conçu pour sacrifier les économies d’échelle au profit de la polyvalence, l’électricité serait un peu plus chère que l’énergie typique du réseau. Par conséquent, la technologie conviendrait mieux aux applications isolées et spécialisées nécessitant une alimentation continue importante que pour les villes existantes raccordées au réseau. L’équipe de Los Alamos met actuellement au point des conceptions, teste des matériaux et explore des options de fabrication. avec des composants et des systèmes de test pas loin derrière. Si tout se passe comme prévu, Megapower - une petite centrale autonome autorégulatrice, sans carbone - se logera dans un conteneur d'expédition standard pour le transport routier, ferroviaire, aérien ou maritime. alors, toute personne cherchant à prendre sa retraite avec un réseau d’alimentation stable et automatisée comptant plus de 10 000 foyers (et, non pas pour rien, un périmètre de sécurité adapté à la protection de l’uranium) pourrait voir la technologie idéale être mise en ligne en moins de cinq ans.

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