Phénomènes de contre-réaction dans un réacteur à combustible liquide

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Viser des performances autorisant des usages multiples

De nombreux acteurs du domaine spatial projettent des missions ambitieuses en termes d’équipage humain, de charge utile et d’objectifs ; cf. III.2.b. Malgré ce constat, la démarche normale de conception d’un système électro générateur est de choisir une mission (automatique ou habitée, type de propulsion, trajectoire, etc.) puis concevoir le système en fonction des 14 besoins et contraintes alors connues, mais aussi dans leurs limites. Cette démarche a l’avantage de conduire à une solution parfaitement adaptée au besoin. Cependant cela constitue en soit aussi un inconvénient puisque cela empêche une forme de standardisation de la source d’énergie, susceptible de réduire les coûts, faciliter les procédures et donner la possibilité pour chaque système d’obtenir un retour d’expérience utilisable d’une mission à l’autre.
La démarche de la présente étude est donc originale par le choix de séparer la conception de la source d’énergie du choix de la mission : le système électro générateur, dont le réacteur, est vu comme un module indépendant destiné à être connecté à toute structure (module, véhicule, etc.) qui requiert une alimentation électrique. En conséquence, l’idée est de proposer une puissance dépassant les besoins les plus élevés envisagés, et ce nettement de sorte à prévenir des besoins non encore exprimés qui seraient plus élevés que ceux actuels. On note à ce sujet la puissance minimale requise de 3 kW par astronaute sur une base lunaire (hors ISRU et objectifs scientifiques) d’après la NASA d’une part (J. M. Hickman 1990), et d’autre part l’objectif poursuivi par la NASA quant au moteur à effet Hall X3, censé délivrer jusqu’à 8,5 N pour une impulsion spécifique comprise entre 1400 et 3200 s, avec une alimentation de 250 kW. (R. Florenz 2012) Des calculs d’ordres de grandeur sont présentés dans le cas de l’utilisation de ressources in-situ en III.2.b et dans le cas de la propulsion électrique en II.4.c. C’est donc la puissance de 1 MWe qui est visée, de façon arbitraire mais permettant de répondre à l’objectif choisi. Délivrer une telle puissance pilotable constituerait par ailleurs une rupture à même de multiplier les utilisations, donc d’auto alimenter ce modèle au sens de sa demande. Enfin, la durée de vie visée à cette puissance est de l’ordre de 15 ans, soit l’ordre de grandeur visé par la NASA dans son projet Kilopower. (D. I. Poston 2019)

Prendre en compte les contraintes du domaine

Concevoir un réacteur sans s’intéresser aux particularités d’une application spatiale prêterait le flanc à la critique dès les premiers aspects propres au domaine spatial considéré. L’objectif est donc de les prendre en compte au plus tôt.
En premier lieu, les contraintes de masse et d’encombrement étant prépondérantes pour toute charge utile placée sur un lanceur, on choisit donc la masse spécifique comme critère commun aux différentes sous parties de l’étude. La masse spécifique d’un système électro générateur s’exprime en kg/kWe, c’est la masse du système entier normalisée par la puissance électrique délivrée. Dans cette étude, l’encombrement n’est considéré qu’au travers de l’aire de surface rayonnante nécessaire pour rayonner la puissance thermique non convertie. La littérature montre en effet que c’est le sous-système le plus encombrant ; cf. III.1.
L’objectif général détaillé au III.2 de concevoir un système indépendamment de son utilisation implique un objectif technique : celui d’avoir la possibilité d’arrêter et redémarrer le réacteur si nécessaire. Cela requiert d’être pris en compte au moment de choisir et étudier le système de contrôle de réactivité. Ce dernier est aussi lié à la sûreté du réacteur, implicite à tout design. Celle-ci doit être assurée tant dans les phases opérationnelles au sol, au lancement puis en opération que dans les phases accidentelles telles qu’une explosion du lanceur ou une rentrée atmosphérique.
Enfin, l’idée est d’adopter une approche globale comprenant non pas seulement le réacteur, mais aussi et surtout en même temps, le cycle de conversion, la source froide et le bouclier notamment.

Démarche suivie pour cette étude

Concrètement, l’étude présentée dans ce mémoire s’est appuyée sur plusieurs aspects principaux. On montre en Figure 1 une représentation des moyens mis en œuvre pour étudier ces aspects ainsi que les principaux liens qui les relient entre eux.
En premier lieu, l’idée est d’étudier les deux aspects principaux du sujet que sont la génération de puissance par le réacteur et sa transformation par un système de conversion. Pour ce qui est du réacteur, on s’intéresse d’abord uniquement à la neutronique, du point de vue de la criticité et de l’évaluation des contre-réactions. L’objectif est d’obtenir un premier design au sens des matériaux mis en œuvre et de la géométrie. En ce qui concerne le circuit de conversion, on se concentre d’abord sur la modélisation du cycle de conversion, puis on intègre la source froide. L’objectif ici est de chercher la combinaison d’un cycle et d’une source froide qui est optimale du point de vue de la surface et/ou de la masse de cette dernière, et de connaître la puissance thermique nécessaire pour une puissance électrique donnée.
Dans un second temps, il faut relier ces deux aspects afin d’une part d’obtenir des caractéristiques communes et d’autre part d’évaluer la cohérence des caractéristiques obtenues séparément. En pratique cela se traduit par l’utilisation de la puissance thermique requise issue des calculs de cycles pour un calcul évoluant sur le cœur tel que conçu via la neutronique. Le premier indicateur pour s’assurer de la cohérence entre les aspects cœur et conversion est là encore la puissance thermique. Pour cela, on s’appuie sur des calculs de CFD pour évaluer les températures nécessaires à l’extraction de la puissance thermique requise par le cycle de conversion pour délivrer l’objectif de puissance électrique. L’idée est d’adapter le design en prenant en compte ce résultat si nécessaire.
Enfin, pour pouvoir comparer le système électro générateur dans sa totalité, on choisit pour critère la puissance spécifique, soit la puissance électrique délivrée par kg au niveau du système entier. Il manque donc à évaluer la masse de la radio protection nécessaire associée au réacteur et à sa puissance pour pouvoir obtenir la masse totale du système.

Physiques, propriétés et méthodes

Neutronique des réacteurs

Rappels fondamentaux de neutronique

Le but de cette discipline est d’étudier le comportement des neutrons afin d’en tirer des conclusions macroscopiques. Les neutrons peuvent interagir de différentes manières avec les noyaux des atomes du milieu dans lequel ils se trouvent, interactions qui dépendent de leur vitesse i.e. leur énergie et de l’isotope concerné. Pour rendre compte des probabilités qu’un neutron d’énergie donnée rencontrant le noyau d’un isotope spécifique conduise à une interaction en particulier, on dispose de sections efficaces microscopiques. Ainsi comme on peut le voir sur la représentation de la section efficace microscopique de fission de l’235U en Figure 2, la section efficace (donc la probabilité) que l’interaction d’un neutron avec un noyau d’235U conduise à une fission est plus grande à une faible énergie du neutron, par exemple 0,05 qu’à une énergie plus élevée telle que 2 .

Notions de réactivité et de masse critique

Dans le cas simple d’un matériau fissile homogène, la masse critique de ce dernier est celle qui conduit à une réaction de fission en chaîne autoentretenue en son sein, une fois définis la géométrie et l’environnement. On utilise comme indicateur le coefficient de multiplication 19 effectif des neutrons noté et défini en Équation (4). Le terme de production de neutrons n’est pas seulement égal au taux de fission dans le réacteur entier. En effet, certains fragments de fission émettent un neutron dit retardé par désintégration dans un délai de quelques microsecondes à plusieurs dizaines de minutes. + é = (4)

Il représente le rapport entre les neutrons produits, par fission ou par certaines désintégrations β-, par les neutrons disparus, par absorption ou par fuite. Ainsi une réaction en chaîne est stable lorsque le vaut 1 : une génération de neutrons conduit à une génération suivante de même taille. La réactivité notée et définie en Équation (5) est donc nulle quand la réaction en chaîne est stable.

Phénomènes de contre-réaction dans un réacteur à combustible liquide

Le keff est un indicateur indirect qui dépend notamment des taux de fission, de capture et de diffusion. Le premier de ces taux joue sur la production « brute » de neutrons, le second sur leur disparition et le dernier sur leur thermalisation : leur ralentissement de l’énergie à laquelle la fission les produits vers celle correspondant à la température du milieu où les neutrons sont modérés, le modérateur.

En parallèle de cette contre réaction liée à la densité du sel se produit aussi l’effet Doppler. Cette contre réaction, liée à la température des noyaux, existe dans tous les réacteurs. Il correspond à l’élargissement des résonances des sections efficaces microscopiques lorsque la température des noyaux augmente, augmentant de ce fait la probabilité d’interaction. Cet effet contribue aux côtés de la contre réaction en densité à la contre réaction totale en température au sein d’un réacteur à sels fondus.

Evolution des noyaux lourds et produits de fission

Au fur et à mesure du fonctionnement d’un réacteur nucléaire, la composition du combustible change via l’absorption des neutrons par les noyaux lourds qui conduit soit à une fission donc à la formation de produits de fission, soit à une autre absorption, par exemple une capture radiative où le noyau passe à l’isotope A+1. Cette évolution du combustible fait notamment apparaître des poisons neutroniques, soient les noyaux stables donc ne décroissant pas naturellement à l’échelle de temps de la durée de fonctionnement du réacteur mais non fissiles et dont la section efficace d’absorption est grande. Ces noyaux ne peuvent donc disparaître qu’en absorbant un neutron, donc plus leur nombre augmente plus la réactivité diminue ; il faut alors compenser cette perte pour maintenir la réaction en chaîne. En parallèle, la diminution de la densité des isotopes fissiles fait aussi diminuer la réactivité en jouant sur le terme de production de neutrons.

La combustion massique (« burnup » en anglais) permet d’exprimer la quantité de noyaux fissiles qui a été fissionnée dans un réacteur nucléaire. On l’exprime généralement en MW.j/t, lire « mégawatts jours par tonnes ». C’est en effet la puissance thermique du réacteur multipliée par la durée de fonctionnement, donc l’énergie thermique divisée par la masse initiale de noyaux lourds. Le traitement de l’évolution du combustible est différent selon que ce dernier soit solide ou liquide comme c’est le cas dans un réacteur à sels fondus. En effet, dans ceux-ci, les produits de fission gazeux peuvent être extraits pendant le fonctionnement ; en particulier le 135Xe n’est pas piégé dans la zone active du réacteur, dans la gaine du combustible pour les REP. Cet aspect permet d’éliminer l’empoisonnement au xénon dans les réacteurs à sels fondus puisque le 135Xe n’atteint jamais un équilibre entre son apparition via les fissions et sa disparition par capture d’un neutron. De ce seul point de vue, un tel réacteur peut donc être arrêté puis redémarré

rapidement sans requérir une insertion de réactivité supplémentaire pour compenser le qui sans extraction s’accumulerait par décroissance de 135Te et 135I après l’arrêt.

La technologie des réacteurs à sels fondus

Les réacteurs à sels fondus (RSF) sont une branche à part entière des nombreuses technologies de réacteurs nucléaires. Ils regroupent tous les concepts dans lesquels la matière fissile est sous forme de sel, liquide lorsque le réacteur fonctionne. Deux familles de sels sont représentées, les sels chlorures, à base de chlore, et les sels fluorures, à base de fluor. La Figure 4 montre la structure générale des circuits d’un RSF terrestre. Le combustible étant liquide, une fois sa composition établie, c’est la géométrie du cœur qui permet d’atteindre la criticité. Le sel se déplace entre la zone du cœur où la configuration critique permet aux réactions de fissions d’avoir lieu et une zone d’échange où il cède la puissance issue de la fission à un circuit intermédiaire. Ce circuit intermédiaire sert à son tour de source chaude à un circuit de conversion lorsqu’on souhaite produire de l’électricité.

L’état liquide de la matière fissile confère à ce concept un avantage en terme de sûreté et de pilotabilité. En effet, un liquide voit sa masse volumique varier de façon bien plus conséquente qu’un solide en fonction de la température. Pour un RSF, cela conduit à l’existence d’une forte contre-réaction de densité en température sur la réactivité

Du point de vue de la sûreté, ces contre-réactions évitent un accident de criticité puisqu’elles brident une excursion de réactivité. Dans le cas d’une insertion de réactivité, le taux de fissions va augmenter, d’où la production d’une puissance thermique directement dans le sel du cœur. Celui-ci s’échauffe donc se dilate ce qui fait par conséquent diminuer la quantité de matière dans la zone active : une partie du sel se retrouve dans un volume d’expansion, hors de la zone active. La réactivité redevient nulle, la puissance n’augmente plus et le réacteur se stabilise à une température plus élevée qu’avant l’évènement. Cet effet lié à la dilatation du sel est rapide puisque le changement de densité se propage à la vitesse du son dans le sel ; 1200 m/s dans le MSFR. (E. Cervi 2019)

Du point de vue du pilotage, la possibilité pour le combustible de changer de masse volumique conduit au comportement suivant. Dans le cas où l’on souhaite augmenter la puissance délivrée, une augmentation du débit dans le circuit combustible va d’abord conduire à un déplacement des isothermes vers la sortie du cœur. On sort plus de sel chaud et on injecte plus de sel froid : la température moyenne du sel dans le cœur diminue. Cela entraine une hausse de la réactivité puisqu’il y a plus de matière fissile dans le cœur surtout mais aussi dans une moindre mesure par effet Doppler. Cette hausse de réactivité se caractérise par une augmentation du taux de fission et donc de la puissance thermique générée au sein du sel. Le réacteur va voir ses isothermes revenir à leurs places d’origines, de même que la valeur de température moyenne, tout cela avec un débit plus élevé. Du point de vue thermohydraulique, le nombre de Nusselt résultant, plus élevé, permet donc d’extraire une puissance supérieure. Par ailleurs, le débit du circuit intermédiaire doit suivre une évolution cohérente pour extraire le surplus de puissance.

Transport de l’énergie thermique

Mécanismes de transferts thermiques

Il existe trois mécanismes de transfert de la chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement.

La conduction est le mécanisme de transfert thermique mettant en jeu la diffusion thermique, c’est donc un phénomène lent comparé à la convection. C’est aussi le principal mode de transfert de chaleur dans les solides puisqu’il ne met pas en jeu de transport de matière mais seulement d’énergie. La diffusion thermique est décrite par l’équation de la chaleur présentée en Équation (6) avec la température, la masse volumique du milieu, sa capacité thermique massique, le coefficient de diffusion thermique et une source de chaleur dans le milieu. (6) Δ +

La convection thermique est le mécanisme de transfert de chaleur le plus rapide. Il implique un déplacement de matière et concerne donc les fluides. On parle aussi de transfert conducto-convectif puisque c’est une combinaison des modes convectif et conductif. La convection peut être naturelle et résulter de la différence de masse volumique d’un fluide à différentes températures dans un champ de gravité, ou forcée dans le cas de la mise en circulation d’un fluide avec une pompe.

Dans le cas d’un transfert thermique convectif entre un fluide en mouvement et une paroi, le flux thermique du fluide élémentaire vers la paroi s’exprime en fonction des températures de la paroi et du fluide , de la surface d’échange et du coefficient de transfert thermique ℎ selon l’Équation (7). =ℎ( −) (7)

Le coefficient de transfert thermique ℎ dépend de la conductivité thermique du fluide λ, du nombre de Nusselt et du diamètre hydraulique de la conduite contenant le fluide selon l’Équation (8). Dans le cas d’une conduite de section circulaire le diamètre hydraulique correspond au diamètre interne et pour une conduite de section carrée il correspond à la longueur d’un côté. ℎ =( ) ∶ =4∗ é è é(8)

Le nombre de Nusselt admet plusieurs expressions (corrélations) selon les valeurs des nombres de Prandtl et de Reynolds et les dimensions considérées. Parfois les différences de températures dans le fluide sont implicitement prises en compte comme c’est le cas dans le calcul de viscosités à la température moyenne du fluide et celle de la paroi dans la corrélation de Sieder-Tate. On la présente ainsi que deux autres corrélations pour les écoulements turbulents dans le Tableau 2. (D. Taler 2017) L’expression de Gnielinski présentée n’est valable que pour un diamètre de conduite très inférieur à la longueur et un nombre de Prandtl moyen proche de celui calculé au niveau de la paroi. Sparrow et Hossfeld ont étudié le lien entre le biseautage des corrugations et l’échange thermique. L’expression de Sparrow-Hossfeld que l’on donne ici a été développée sur le modèle de celle de Dittus-Boelter pour des canaux corrugués non biseautés. (M. Gradeck 2005)

Conversion de l’énergie

Conversions statiques

Les générateurs à radio-isotopes (RTG) actuellement utilisés, tout comme le faisaient les réacteurs nucléaires spatiaux russes et étatsuniens, mettent en œuvre une conversion statique de l’énergie thermique en énergie électrique. Elle existe en deux types principaux : les 26 convertisseurs thermoélectriques (développés notamment par les Etats-Unis) et les convertisseurs thermoïoniques (mis au point par l’Union Soviétique). Ces systèmes, plus robustes que des dispositifs dynamiques, présentent néanmoins une efficacité de conversion inférieure : 6 à 12% (C. S. R. Matthes 2018) pour les thermoélectriques, entre 10 et 15% pour les thermoïoniques. (T. Alleau 1966)

Les convertisseurs thermoélectriques utilisent un thermocouple semi-conducteur un côté étant dopé P, l’autre N. Les convertisseurs thermoïoniques quant à eux arrachent des électrons de la source chaude (pôle positif) vers la source froide (pôle négatif) via un espace vide.

Les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes de la NASA, existant ou envisagés, présentent des masses spécifiques variant de 100 à 1000 kg/kWe ce qui rend leur usage inenvisageable pour de fortes puissances. (C. S. R. Matthes 2018)

Rappels fondamentaux de thermodynamique

L’objectif dans ce domaine est de quantifier les transformations d’énergie sous forme de chaleur en travail et inversement afin par exemple de concevoir des machines thermiques.

Pour y parvenir, on définit des grandeurs d’état qui permettent de caractériser un système. La première est l’énergie interne notée qui quantifie l’énergie présente à l’intérieur du système considéré ; un volume de gaz, ou de liquide, un solide, etc. Elle se conserve et sa variation au cours d’une transformation n’est donc due qu’à l’échange de chaleur et de travail avec l’extérieur : c’est ce que décrit le 1er principe de la thermodynamique que l’on peut formuler sous la forme de l’Équation (16) dans le cas où il n’y a variation ni de l’énergie cinétique ni de l’énergie potentielle. = + (16)

Pour caractériser complètement l’énergie d’un système, il faut aussi prendre en compte le travail potentiel à l’interface avec l’environnement. Cela se fait par la définition de l’enthalpie, notée et exprimée en , et définie en Équation (17) avec la pression et le volume du système. = + (17)

Enfin, on définit l’entropie pour quantifier le désordre du système considéré. Notée et exprimée en / , l’entropie ne peut qu’augmenter au cours d’une transformation selon le 2ème principe de la thermodynamique. Cela peut se traduire sous la forme de l’Équation (18). = éé + é ℎ é (18)

L’entropie créée dépend de la transformation, elle est d’autant plus faible que la transformation est lente, en termes de changements de températures comme de pression ; une transformation infiniment lente, théorique, est donc réversible au sens où elle ne créerait pas d’entropie. L’entropie échangée dépend de l’échange de chaleur du système avec l’environnement et de la température lors de la transformation selon l’Équation (19). On notera que l’entropie échangée est nulle dans le cas d’une transformation adiabatique, donc sans échange thermique. Cela conduit au fait qu’une transformation soit qualifiable d’isentropique si elle est adiabatique et réversible, et inversement. é ℎ é = (19)

On peut maintenant s’intéresser à la variation d’enthalpie. En effet, en différenciant l’Équation (17) et en y remplaçant la variation d’énergie interne par l’Équation (16) puis la chaleur échangée via l’Équation (19), on obtient d’abord l’Équation (20). =+++ (20)

Une fois remarqué que le travail échangé se décompose entre le travail exercé par les forces de pression (par exemple un piston comprimant un gaz) qui s’exprime selon l’Équation (21) et celui des autres forces, on peut écrire la variation d’enthalpie d’une transformation réversible ne mettant en jeu que des forces de pression sous la forme de l’Équation (22). = − (21) =+ (22)

Les relations précédentes sont valables dans un système fermé ; c’est-à-dire un système n’échangeant pas de matière mais seulement de l’énergie avec son environnement. Elles existent cependant aussi pour les fluides en système ouvert, par exemple le liquide dans un tronçon de canalisation. Pour cela, on normalise les équations par la masse volumique du fluide considéré. On obtient notamment l’expression de la variation d’enthalpie spécifique notée ℎ présentée en Équation (23) et exprimée en / , avec le volume spécifique en 3/ et s l’entropie spécifique en / . . ℎ=+ (23)

L’Équation (23) n’est cependant qu’un cas particulier du 1er principe de la thermodynamique en système ouvert présenté en Équation (24) pour une transformation réversible et uniquement soumise au travail des forces de pression avec le travail utile spécifique, soit le travail cédé au fluide hormis celui des forces de pressions, et la chaleur cédée au fluide ; dans les deux cas ce sont des grandeurs spécifiques qui s’expriment en / . On propose une démonstration en 1 dimension en Annexe 1. ℎ= + (24)

Thermodynamique d’une machine thermique

Une machine thermique peut fonctionner si elle dispose d’une source de chaleur chaude et d’une plus froide. Elle permet de déplacer de la chaleur au moyen d’un travail, c’est le cas d’une machine frigorifique si l’objectif est de refroidir la source froide, d’une pompe à chaleur si on veut chauffer la source chaude. Inversement elle permet de convertir de la chaleur en travail dans le cas d’un moteur thermique. Une telle machine est caractérisée par son efficacité thermique, ou rendement : c’est le quotient de l’énergie utile par l’énergie dépensée. Dans le cas d’un moteur, l’énergie utile est l’énergie mécanique obtenue, tandis que l’énergie dépensée est l’énergie thermique fournie au cycle depuis l’extérieur. En termes de puissances, on a donc pour terme utile le travail cédé par la machine à l’extérieur et pour terme de dépense l’échange thermique net cédé sous forme de chaleur à la machine depuis l’extérieur.

Pour réaliser ces conversions d’énergie, un fluide qualifié de fluide de travail est soumis à des transformations cycliques en système fermé. Ainsi, le bilan de la variation d’enthalpie et d’entropie sur un cycle est nul ; sinon l’enthalpie ou l’entropie de l’ensemble du fluide travail augmenterait ou diminuerait à chaque cycle. Ainsi on peut retrouver l’inégalité de Clausius Carnot présenté en Équation (25), en égalisant l’Équation (18) à zéro, en y remplaçant l’entropie échangée par son expression en Équation (19) et en remarquant que l’entropie créée est positive, ou nulle dans un cas isentropique. ∑≤ 0(25)

Le cas d’égalité est théorique puisqu’il correspond à un cycle idéal sans entropie créée. Cependant, il permet d’obtenir l’efficacité de Carnot ; c’est l’efficacité thermique théorique maximale d’une machine thermique.

Pour illustrer, on prend le cas d’un moteur pour lequel le rendement s’exprime selon l’Équation (26). En effet, en termes de puissances, la valeur qui est utile est le travail mécanique fourni par le moteur à l’environnement tandis que la valeur que l’on doit fournir est la chaleur cédée par la source chaude au moteur. Par convention, le travail comme la chaleur sont reçus par le fluide. Ici le travail est perdu par le fluide tandis que la chaleur est cédée au fluide par la source chaude : le travail est donc négatif. | |− =| |= (26)

Une fois appliqué le 1er principe en système ouvert pour un cycle, donc avec une variation totale d’enthalpie nulle, on peut exprimer le travail en fonction des échanges thermiques avec la source chaude et la source froide et aboutir à l’Équation (27). =+ = 1 +(27)

Or, en appliquant l’inégalité de Clausius-Carnot en Équation (25) au cas du moteur, on peut écrire l’Équation (28) en séparant l’échange thermique avec la source chaude (indice c) de celui avec la source froide (indice f). ≤ −(28)
D’où finalement, dans le cas d’égalité, donc un cycle sans entropie créée, l’efficacité de Carnot du moteur présentée en Équation (29). Si on conserve l’inégalité, on constate que c’est l’efficacité maximale entre les deux températures données. = 1 − (29)

Conversions dynamiques

On présente ici trois solutions pour convertir l’énergie thermique de façon dynamique : les cycles de Stirling, Brayton et Rankine.

Le cycle Stirling n’utilise pas de turbine pour extraire le travail du fluide mais deux pistons. La configuration alpha utilise un cylindre chaud et un cylindre froid, les pistons font tourner un axe via des bielles. A l’état stationnaire en fonctionnement, le mouvement des pistons déplace le fluide du cylindre froid vers le cylindre chaud (A-B) d’où un échauffement du fluide. Puis une fois le cylindre chaud plein, le fluide se détend (B-C) et entre dans le cylindre froid en repoussant le piston froid. Ensuite, le mouvement des pistons pousse le fluide hors du cylindre chaud (C-D), le fluide se trouve dans le cylindre froid : il refroidit. Enfin, le fluide est comprimé par le retour du piston froid jusqu’au volume initial (D-A).

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Table des matières

Remerciements
Table des figures
Table des tableaux
I. Introduction
1. Cadre général
2. Objectifs de la thèse
a. Explorer une réponse fondée sur la technologie des RSF
b. Viser des performances autorisant des usages multiples
c. Prendre en compte les contraintes du domaine
3. Démarche suivie pour cette étude
II. Physiques, propriétés et méthodes
1. Neutronique des réacteurs
a. Rappels fondamentaux de neutronique
b. Notions de réactivité et de masse critique
c. Phénomènes de contre-réaction dans un réacteur à combustible liquide
d. Evolution des noyaux lourds et produits de fission
e. La technologie des réacteurs à sels fondus
2. Transport de l’énergie thermique
a. Mécanismes de transferts thermiques
b. Les caloducs capillaires
3. Conversion de l’énergie
a. Conversions statiques
b. Rappels fondamentaux de thermodynamique
c. Thermodynamique d’une machine thermique
d. Conversions dynamiques
e. Propriétés du mercure et du potassium
4. Eléments sur la propulsion nucléaire électrique
a. Description générale et caractéristiques
b. Radioprotection des réacteurs spatiaux
c. Ordres de grandeurs
5. Méthode d’optimisation par algorithme génétique
III. Eléments de contexte
1. Historique des réacteurs spatiaux
a. Réacteurs nucléaires spatiaux ayant volé
b. Projets de réacteurs spatiaux électrogènes non aboutis
2. Contexte spatial actuel
a. Innovation et sociologie de l’énergie
b. Dynamiques actuelles dans le secteur spatial
c. Réponses en développement aux Etats-Unis et en Russie
3. Historique et actualité des réacteurs à sels fondus
4. Considérations environnementales
IV. Conception et étude du cœur et du bouclier
1. Préconception du cœur
a. Choix du sel et du matériau réflecteur
b. Etude de sensibilité sur un pré-design intégrant les fonctions principales
c. Etude des contre réactions en température et du placement des barres
2. Prise en compte de différentes contraintes sur le cœur
a. Contraintes technologiques
b. Contraintes de sûreté
c. Choix sur les contraintes
d. Description générale du design
e. Etude paramétrique et sélection d’une version
3. Etude du contrôle de réactivité pour un démarrage autonome
4. Etude de la durée de vie sur le critère de réactivité
a. Etude dans le cas du design sélectionné
b. Etude sur un design modifié pour optimiser la durée de vie critique
5. Etude thermique du cœur
a. Cadre de l’étude : géométrie et source de puissance
b. Influence du débit de réfrigérant lithium
6. Etude de deux designs de bouclier
V. Elaboration et optimisation du système de conversion et sa source froide
1. Choix des technologies de conversion et de source froide
2. Elaboration de corrélations sur les propriétés du mercure et du potassium
3. Implémentation des méthodes de calculs de cycles
a. Implémentation d’une méthode de calcul de cycle de Brayton
b. Implémentation d’une méthode de calcul de cycle de Rankine
4. Evaluation du transfert thermique sur un radiateur simplifié
5. Méthode de recherche de combinaisons par optimisation génétique
6. Caractérisation de l’option utilisant un cycle de Brayton
7. Caractérisation des options utilisant un cycle de Rankine au mercure
8. Caractérisation des options utilisant un cycle de Rankine au potassium
a. Cas d’un radiateur à caloducs
b. Cas d’un radiateur à gouttelettes liquides-solides
VI. Conclusion
1. Remarques générales
a. Validation du positionnement en puissance par le contexte
b. Différents paramètres pour le design du cœur
c. L’importance de la source froide du point de vue de la masse
2. Limites de l’étude
a. Cœur du réacteur et bouclier anti radiations
b. Cycles de conversion et sources froides
3. Propositions de systèmes du réacteur à la source froide
a. Système le plus réalisable
b. Système le plus performant
c. Système de compromis
4. Perspectives et suites possibles
a. Etude chimique du cœur : corrosion et transitions de phases
b. Etude dynamique du cœur : couplage neutronique-thermohydraulique
c. Etude mécanique et thermique du cœur : dilatation, vibrations au lancement
d. Réalisation de méta modèle du cœur et du bouclier
e. Optimisation de la masse du système entier en utilisant les métas modèles
VII. Résumé général
1. Résumé en français
2. Résumé en anglais
VIII. Références
IX. Annexes
1. Premier principe de la thermodynamique en système ouvert
2. Calculs pour la recharge (ISRU) d’un vaisseau Starship
3. Graphite nucléaire, propriétés, applications
4. Script de calcul de composition de sel en at/b.cm pour TRIPOLI-4®
5. Guide pratique pour le calcul TRIPOLI-4® évoluant
6. Détails sur les scripts à l’étude thermohydraulique du cœur
a. Construction du maillage pour le calcul CFD
b. Modification du champ de taux de fission en champ de puissance volumique
7. Elaboration de corrélations sur les propriétés du mercure et du potassium
a. Expression de la température de saturation en fonction de la pression
b. Expression de l’entropie spécifique de la vapeur sèche
c. Expression de la masse volumique de la vapeur sèche
d. Expressions des entropies spécifiques du liquide et de la vapeur à la saturation pour le mercure e. Expression de l’enthalpie massique de vaporisation du mercure
8. Script de la méthode de calcul de cycle Brayton
9. Démonstration de l’expression de la surface rayonnante d’un radiateur dans le cas d’un refroidissement du fluide
10. Logigramme de l’algorithme de calcul de cycle Rankine
11. Prise en main de PYMOO