Brevet FR2080868A1 — publié le 19711126

La présente invention concerne un appareil utilisant l'é-nergie rayonnante émise par des sources de radio-isotopes pour fournir de l'énergie électrique, par conversion tnermo-électrique de ladite énergie rayonnante. 5 Le besoin d'un groupe électrogène simple et sûr se fait sen tir depuis des années. De tels groupes sont nécessaires dans les endroits isolés ou se prêtant mal à l'entretien et à la surveillance, par exemple dans les installations marines telles que balises, bouées, phares et analogues* 10 Lorsqu'il comporte des sources de radio-isotopes, ce maté riel ne doit engendrer de dangers biologiques ni pendant le trans port, ni pendant le remplacement de la source. La présente invention permet de supprimer ces risques biologiques et de remplacer la source avec un maximum de commodité sans avoir à porter attein 15 te à l'étanchéité des groupes de conversion thermo-électriques ni des contacts thermiques associés. L'invention a donc pour objet une source d'énergie électrique de conception simple. A cette fin, l'invention a pour ob 55 On va maintenant décrire un : ode de réalisation préféré e l'invention en se référant aux dessine anr.exéa, sur lesquels : Fig. Fig. 2 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne 4-0 11-11 de la fig. 'I. 70 00038 2 2080868 Figo 3 est une vue en coupe horizontale suivant la ligne III-III de la figo 1. Fig0 4 est \me vue en "bout d'une cage à source, Fig. 5 est une vue en coupe verticale suivant la ligne Y-Y 5 de la fig. 4-> Fig» 6 est une vue en coupe verticale d'une cartouche de combustible. Fig, 7 est une vue en coupe verticale du groupe électrogène et du refroidisseur, et 10 Fig. 8 est une vue de profil avec coupe partielle de l'en semble de l'appareil. En se reportant aux dessins, on voit sur la fig. 1 la struc ture interne d'un générateur thermoélectrique désigné par la référence générale 1 » Ce groupe comporte au centre une cage à 15 source 102 en nickel pur (de nuance A.IoSoI» "200" étiré à froid) contenant jusqu'à sept cartouches 104-, qu'on décrira plus loin, qui renferment chacune un isotope de cobalt 60 radio-actif. La cage à source 102 est logée dans un tronçon de tube 106 formé par la paroi intérieure d'un bloc thermique 108 qui comporte une pa-20 roi périphérique 110, des bases extérieure 112 et intérieure 114 et une paroi supérieure annulaire 116. Toutes ces parois mais non le bloc thermique, sont formées de feuilles d'un alliage connu sous le hom commercial de "Deloro, C", contenant 17 % de Or, 5 % de W, 0,1 % de C, 55 # de Fi, 17% de Mo et 6 % de Fe. Le 25 bloc thermique 108 est rempli d'un alliage 118, en uranium appauvri à 8 % de molybdène. Un tampon 120 en matériau à haute densité convenable, par exemple en tungstène, surmonte la cage à source 102 . En considérant encore la fig. 1, et la fig. 2 qui est une 30 vue en coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1, on voit que six pans coupés 122A à 122F sont ménagés sur la face extérieure cylindrique du bloc thermique 110» Des thermopiles semi-conductri-ces à couches d'arrêt 124 sont réparties sur quatre étages comportant chacun six thermopiles portant par une face contre l'un 35 des pans coupés et par la face opposée contre un montant refroidisseur 126o Les thermopiles font l'objet des demandes de brevet déposées au Canada sous les N° et pour " dont; la Demanderesse est 1 'ayant-droLt. Les six montants refroi-40 disseurs 126 sont fournis d'un métal à haute conductibilité v:?o -, 70 00038 3 2080868 thermique tel que le cuivre; ils sont métallurgiquement liés avec les six pans coupés 122 A à 122F et sont maintenus assemblés avec les thermopiles au moyen de frettes 128 tendues par des manilles 130. 5 Comme le montre la fig. 3» trois autres thermopiles 132 sont montées sous la base 112 du bloc thermique et sont en contact mécanique et thermique avec une plaque d'amorçage modulaire 134, fixée par six vis 138 à un refroidisseur principal 140 qu'on décrira. Les montants refroidisseurs 126 sont thermiquement liés /]0 au refroidisseur principal 140 par des ensembles feuilletés 142, étroitement appliqués contre le refroidisseur principal 140, par exemple par des plaques de maintien 144 et par des boulons 146. Les thermopiles semi-conductrices à couches d'arrêt, telles que décrites dans les demandes de brevet précitées, sont conçues 15 et électriquement interconnectées de manière que leurs signaux de sortie électriques individuels, qui ont une puissance relativement faible, fournissent conjointement une tension intéressante et une intensité convenable* Pour éviter toute interaction entre la structure mécanique et thermique et les connexions électriques 20 à. établir, on isole chacune des thermopiles 124 et 132 de la strie ture à l'aide de feuilles très minces de matériau électriquement isolant à haute conductibilité thermique, par exemple en oxyde de béryllium ou en oxyde d'aluminium ou en aluminium fortement ano-disé, tel qu'indiqué en 125 sur les fig. 1 et 2. Pour simplifier 25 les dessins, on y a supprimé les conducteurs desservant les thermopiles. Toutefois, la fig. 7 montre un alésage hélicoïdal 1408 destiné à recevoir le conducteur de sortie. On va maintenant décrire en détail la cage à source 102, en se référant aux fig. 4 et 5» Cette cage, désignée par la réfé-30 rence générale 102 est formée d'un cylindre d'un seul tenant en nickel de nuance A.I.S.I 200 étiré à froid ou autre matériau ré-fractaire à haute conductibilité thermique résistant à l'oxyda- « tion, présentant six alésages longitudinaux 1022, répartis en hexagone, et un alésage central analogue 1024. Les sept alésages 35 vont d'une extrémité du cylindre au voisinage de l'extrémité opposée, où des alésages 1026 de plus petit diamètre forment des redans sur lesquels peuvent reposer des cartouches de combustible 104. Le débouché de l'alésage central 1026 est entouré par un é-videment 1028 destiné à recevoir un dispositif de télémanutention. 40 La fig. 6 représente en détail la cartouche de combustible, 1703/69 70 00038 4 2080868 désignée par la référence générale 104» Cette cartouche comprend des parois extérieure 1041 et intérieure 1042, et des capuchons inférieurs 1043 et 1044, et supérieurs 1045 et 1046. Le capuchon 1046 présente en 1047 un contre-alésage destiné à recevoir l'or-5 gane de fixation d'un outil de télémanutention permettant de char ger dans le groupe le combustible mis sous cartouche. La paroi intérieure 1042 peut être en tout matériau convenable résistant à la corrosion, compatible avec le radio-isotope combustible à la température de fonctionnement du dispositif et de préférence ac-10 ceptable pour irradiation dans un réacteur, par exemple du "Zircalloy-2 RM (alliage contenant 98% de Zr, 1,45% de Sn, 0,125% de Fe, 0,100 % de Cr, 0,050 % de Ni) ou éventuellement en acier inoxydable de nuance A.I.S.I. '^lô-L". La paroi extérieure 1041 et les capuchons d'extrémité 1043 à 1046 peuvent être en tout ma-15 tériau convenable, réfractaire et résistant à la corrosion choisi parmi les matériaux disponibles sur le marché sous les dénominations commerciales suivantes : "Deloro C", (alliage à 17% de Or, 5 % de W, 0,1 % de C, 55 % de Hi, 1?% de Mo et 6 % de Fe), 20 "Hastelloy C", (alliage à 15,5 % de Cr, 4 % de W, 0,06 % de C, 59% de Ni, 16 % de Mo, 5 % de le et 0,2 % de V), "Hastelloy X", (alliage à 0,1 % de C, 22 % de Cr, 1,5 % de Co, 9^ de Mo, 18 % de Fe, 0,6 % de W et 49 % de Ni) ou "Haines-25", (alliage à 20,45% de Cr, 15,10% de W, 1,95 % de Fe, 25 0,07 % de C, 0,07 % de Si, 9,93 % de Ni, 1,03 % de Al, 0,016 % de P, 0,011 % de S, 51,37 % de Co et 1 à 2 % de Mn) En se reportant de nouveau à la fig. 1, on voit que l'enceinte 1 est muni e au sommet d'un écran thermique formé d'une feuille 160 en "Hastelloy C", soudée aux parois 129 de l'encein-30 te 1. Le centre de la feuille 160 est maintenu fermement appliqué contre la plaque supérieure annulaire 116 par une couronne 161 et par des vis à tête 162, la feuille étant soudée entre des anneaux plats 164 et 166; l'anneau inférieur 166 porte contre un joint torique 168 (rondelle "0"). Le pourtour extérieur de la 35 feuille 160 est soudé entre des brides inférieure 170 et supérieu re 172.. Pour éviter des pertes calorifiques à partir du sommet du combustible et de l'enceinte 1, on enferme une garniture 182 en isolant thermique dans une enveloppe métallique étanche comportant un évidement central 181, une feuille 183 en "Hastelloy Cf* 40 formant écran thermique et une section supérieure 180. La feuille 1703/69 70 00038 5 2080868 183 est fixée à l'évidement central ' On notera que, pour accéder à la source, on dépose le tampon-écran principal 1430 et l'assemblage d'isolation thermique 10 qui lui est fixé, ainsi que le tampon 120. Il n'est pas nécessaire de casser le vide établi dans l'enceinte 1 pendant le remplacement de la source. On se reportera maintenant à la fig. 7» qui montre l'enceih te 1 fixée au refroidisseur principal en cuivre 140 par une bri-15 de 1402 et par des vis 1404, un joint torique 1406 étant prévu au niveau du joint. Le refroidisseur principal 140 présente un a-lésage hélicoïdal 1408 par lequel peuvent passer des conducteurs électriques 1410 et 1412. La fig. 8 montre l'enceinte 1 insérée dans un récipient 20 biologique. Ce dernier comprend une masse 1414 de plomb ou d'allia ge d'uranium à 8 % de molybdène enfermée entre des parois extérieures en acier 1416, une plaque inférieure 1420 et une plaque supérieure 1421. Des ailettes 1418 font partie d'un montage de radiateur de refroidissement préfabriqué sur une embase 1422, la-25 quelle repose sur des gouttières 1424 et sur des fers en U 1426. L'ensemble de la structure est recouvert au sommet par un couvercle 1428 de protection contre les intempéries. Une partie du blindage est réalisée sous la forme d'un tampon 1430, muni d'un oeillet de levage 1432. 3C On décrira maintenant l'assemblage du groupe électrogène. On serre les thermopiles modulaires 124 contre les pans cou pés 122A, 122B etc., du bloc thermique 110 à l'aide des montants refroidisseurs 126, des frettes 128 et des manilles 130. On place sur le tampon inférieur en cuivre 134 les piles thermoélectri-35 ques 132 disposées sous le bloc thermique. On serre ensuite les ense-nbles feuilletés ■"42 de transmission de chaleur, contre le refroidisseur 140, à l'aide des vis de serrage 146. On comble ensuite tous les espaces vides à l'aide d'isolant thermique microporeux de haute nualité tel que le matériau "Mi-40 crotherm" (nom commercial d'un produit vendu par la Spectar 17c?/'" 9 70 00038 6 2080868 Engineering Ltd., Kidderminster, Angleterre), On sente ensuite l'enceinte sous vide renfermant les thermopiles, désignée par la référence générale '1, après avoif posé le joint torique 14-06, puis on la fixe au refroidisseur 140 à l'aide des vis Î404. A ce 5 stade, on fixe aussi les feuilles circulaires 164 et 166 au sommet du bloc thermique 110, à l'aide de la couronne de serrage 161 On assure ensuite la mise et le maintien sous vide de la chambre thermoélectrique, à travers l'alésage hélicoïdal 1408 et le tube métallique 1409» On opère alors les essais préliminaires pour étu 10 dier les caractéristiques thermodynamiques de l'assemblage. Au cours de ces essais, on place dans le bloc thermique la cage à source en nickel 102, dans laquelle on dispose des radiateurs électriques. On pose autour du groupe électrogène 1*écran biologique ^5 principal, sauf le tampon supérieur 1430, puis on met ce tampon en place. On évacue alors les vides entourant la zone de combustible, puis on les remplit d'hélium, après quoi on détermine à l'aide des radiateurs électriques la quantité de chaleur à appliquer pour obtenir le fonctionnement désiré. 20 retire ensuite le tampon supérieur 1430 et l'assemblage d'écran thermique 182, puis on charge dans le bloc thermique une dose choisie de radio-isotope sous cartouches, à l'aide d'un, ma-téiiel de télémanutention blindé. On remet finalement en place l'assemblage d'écran thermique 182 et le tampon supérieur 1430. 25 En fonctionnement, le rayonnement émis par la source, en 60 général formée de Co , est atténué par le bloc thermique, en alliage d'uranium appauvri à 8 % de molybdène de 25 mm d'épaisseur. Du fait que le bloc thermique est thermiquement isolé du refroidisseur par l'isolant thermique microporeux et par les 50 thermopiles à couches d'arrêt, un gradient thermique apparaît entre le bloc thermique et le refroidisseur, de sorte que les thermopiles semi-conductrices à couches d'arrêt, mécaniquement in terposées entre ce bloc et le refroidisseur et en contact thermoconducteur avec eux subissent ce gradient thermique. Les thermo-35 piles de l'autre ensemble, disposées entre la face inférieure du bloc thermique et le tampon inférieur en cuivre, fonctionnent de la même manière. L'invention offre les avantages suivants : (a) on peut accéder au combustible sans toucher en rien au 40 montage de thermopiles ni interrompre le trajet principal d'éva- i 70 00038 7 2080868 cuation de la chaleur» En conséquence, on peut assembler avec précision les piles et les essayer en régime inactif et on n'a pas à les surveiller en régime actif? de plus, lorsqu'on ouvre le dispositif pour vérier ou pour remplacer le combustible, les 5 pertes calorifiques ont tendance à s'accélérer, de sorte que les surfaces chaudes des thermocouples ne sont pas portées au delà de leur température nominale de fonctionnement ; (b) la liaison souple établie avec le tampon inférieur protège les thermopiles de toutes contraintes indésirables qui pour- 10 raient résulter de dilatations thermiques ou de défauts mécaniqtES d'ajustement ; (c) le rechargement en combustible peut s'opérer sur place, ce qui supprime la nécessité d'utiliser lors du chargement initial une cellule de télémanutention blindée et permet d'opérer 15 un rechargement sur place après fonctionnement prolongé, sans a-voir à renvoyer l'ensemble du dispositif au fabricant. Le technicien pourra apporter au mode de réalisation décrit diverses modifications et variantes, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, défini par les revendications annexées. 1703/69 70 00038 8 2080868 betembxoaiiohs 1. Groupe électrogène à radio-isotopes caractérisé en ce qu'il comprend : (a) une enceinte de réception de source destinée à recevoir au moins une cartouche étanche d'isotope radio-5 actif, (b) un moyen d'atténuation des rayonnements, entourant complètement l'enceinte (a),-ce moyen subissant en service une hausse de température résultant d'un processus d'atténuation qui y prend place (c) un certain nombre de moyens refroidisseurs entourant au moins partiellement le moyen (b) à une certaine dis-10 tance, (d) un certain nombre de thermopiles semi-conductrices à couches d'arrêt interconnectées, présentant chacune une surface de réception de chaleur en contact thermique avec le moyen (b) et une surface d'évacuation de chaleur en contact thermique avec les moyens (c), chaque thermopile étant soumise en service à un 15 gradient thermique, et (e) une enveloppe, susceptible d'être mise sous vide, recevant les éléments (a), (b), (c) et (d) et qu'au moins l'une desdites cartouches étanches est susceptible d'etre retirée sans porter atteinte au vide établi dans l'enveloppe (e). 20 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte encore un refroidisseur principal en liaison thermique avec les moyens (c) pour en recevoir de la chaleur et la dissiper» 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 qu'au moins l'une desdites cartouches de radio-isotope étanches est susceptible d'être retirée sans porter atteinte aux contacts thermiques des thermopiles (d). 4-, Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte encore un assemblage d'écran thermi-30 que amovible recouvrant ladite enveloppe sous vide. 5» Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les cartouches étanches de la source et une partie dudit moyen d'atténuation de rayonnement peuvent être retirées à l'aide d'un matériel de télémanutention.