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1949 .: Les débuts incontrôlés :: 1963 :: L'accalmie et les RTG :: 2000 :: La reprise fulgurante :. 2007
       
 
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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.