Brevet FR2997787A1 — publié le 20140509

Générateur nucléaire à radioisotope DOMAINE TECHMIQUE La présente invention concerne un générateur nucléaire à radioi- sotope utilisé notamment dans le domaine spatial. ETAT DE LA TECHNIQUE Lors des missions spatiales, il est nécessaire de pouvoir produire de façon autonome de l'énergie électrique de manière à alimenter les différents instruments embarqués, mais également d'autres types d'énergie comme de l'énergie mécanique. Lors de certaines missions spatiales, la puissance solaire reçue par le véhicule spatial est trop faible pour pouvoir fournir l'énergie nécessaire via des panneaux solaires. Dans de telles situations, il est préférable d'utiliser des générateurs électriques nucléaires pour alimenter en électricité le véhicule spatial de fa- çon continue sur plusieurs années sans maintenance directe. Classiquement un générateur électrique nucléaire comporte une source chaude formée par une source à radioisotope dont la chaleur produite résulte de la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radioisotopes. La chaleur produite est convertie en électricité au moyen d'un convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique. La conversion de l'énergie thermique en énergie électrique est réali- sée via un flux de chaleur traversant le convertisseur circulant entre une source chaude et une source froide située de part et d'autre du convertis- seur. Le rendement de conversion de l'énergie thermique est directement lié à la différence de température entre la température chaude de la source chaude et la température froide de la source froide, c'est pourquoi il est né- cessaire de disposer d'une température froide la plus basse possible afin d'obtenir le meilleur rendement possible. Dans l'espace, la seule option de source froide est le rayonnement dans l'espace. Pour cela, il est connu d'utiliser des radiateurs à ailettes qui permettent d'évacuer la chaleur non utilisée lors de la conversion, par rayonnement dans l'espace ou encore par la circulation d'un fluide au moyen d'une boucle et d'un système de pompage. Cependant, les radiateurs à ailettes ont une efficacité qui est limitée par la conductivité du matériau utilisé (généralement à base d'aluminium ou de béryllium). Par conséquent la résistivité thermique du matériau ne permet pas d'abaisser significativement la température de ces radiateurs même si on augmente la taille de la surface de rayonnement des ailettes. Cette solution présente de plus l'inconvénient d'augmenter le poids et l'encombrement d'un tel système. L'utilisation d'une boucle de refroidissement impose l'utilisation d'un circuit de refroidissement, d'une pompe, d'un circuit de régulation, etc, et finalement d'un radiateur, ce qui induit une augmentation de la masse et une diminution de la fiabilité dans le temps du système de refroidissement de la source froide. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un générateur nucléaire comportant un système de refroidissement d'un convertisseur d'énergie thermique permettant d'abaisser significativement la température de la source froide du convertisseur de manière à augmenter le rendement de conversion. EXPOSE DE L'INVENTION A cette fin, l'invention a pour objet un générateur nucléaire comportant : une source chaude formée par une source à radioisotope ; une source froide ; un convertisseur d'énergie thermique agencé entre ladite source chaude et ladite source froide de manière à ce qu'un flux de chaleur traverse le convertisseur d'énergie thermique ; - une enceinte dans laquelle sont aménagés le convertisseur d'énergie thermique et la source chaude; ladite enceinte étant en contact avec la source froide ; le générateur étant caractérisé en ce que la source froide comporte au moins une ailette de refroidissement à plaque présentant une structure in- terne formant au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail. La structure interne de l'ailette formant au moins un réseau diphasique de type caloduc à l'intérieur d'une ailette de refroidissement permet d'augmenter significativement la conductivité thermique de l'ailette. En effet, la structure en caloduc de l'ailette de refroidissement va permettre une meilleure homogénéisation de la température à la surface de l'ailette, améliorant par conséquent sa capacité de rayonnement sur toute la longueur de l'ailette, y compris au niveau de son extrémité. Ainsi, grâce à l'invention, une augmentation de la surface de rayonnement de l'ailette devient intéressante puisque la température de l'ailette sera sensiblement homogène (à quelques degrés près) sur toute sa longueur. Ainsi, contrairement aux moyens de refroidissement de l'état de la technique, l'augmentation de la surface de rayonnement de l'ailette permet d'abaisser significativement la température de la source froide, et par conséquent per- met d'améliorer le rendement du convertisseur d'énergie thermique. La forme spécifique en plaque des ailettes de refroidissement permet de garantir le maximum de surface de rayonnement tout en minimisant l'encombrement des moyens de refroidissements. Pour rappel, les caloducs sont des moyens qui reposent sur le principe phy- sique d'un cycle thermodynamique (condensation-évaporation) en boucle fermée d'un fluide à saturation dans une enceinte close avec des échanges de chaleur par changement de phase. Les caloducs permettent d'obtenir des gradients de température faible sur la longueur de caloduc par rapport aux puissances thermiques échangées. Le système selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circu- lation et la condensation d'un fluide de travail est un caloduc ; - ledit caloduc est un caloduc à capillarité ; - ladite au moins une ailette de refroidissement est solidaire de ladite enceinte ; - ladite au moins une ailette de refroidissement à plaque présente une structure interne formant un réseau de caloducs ; - la source froide comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement dont la structure interne forme au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail; - ladite enceinte est en contact avec la source froide par l'intermédiaire d'au moins une paroi de ladite enceinte, ladite paroi présentant une structure interne formant un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail ; - ladite enceinte comporte un matériau thermiquement isolant entourant ladite source chaude à radioisotopes et ledit convertisseur d'énergie thermique ; - ledit convertisseur d'énergie thermique est un convertisseur thermoélectrique ou un convertisseur thermomécanique ou un convertisseur thermo-acoustique. - L'invention a également pour objet un satellite comportant un générateur nucléaire selon l'invention. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clai- rement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nul- lement limitatif, en référence aux figures suivante : La figure 1 illustre une vue schématique d'une générateur nucléaire selon l'invention. La figure 2 illustre une vue schématisée de la structure interne d'une ailette de refroidissement du générateur nucléaire illustré à la figure 1. 137.SCF:IPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALIS;JION En référence à la figure 1, le générateur nucléaire 10 est un générateur électrique nucléaire à source radioisotopique. Le générateur nucléaire 10 comporte : - une enceinte 16 dans laquelle sont aménagés une source à radioi- sotope 11 formant une source chaude dont la chaleur produite résulte de la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radioisotope et un convertisseur d'énergie thermique 12 apte à trans- former la chaleur en énergie électrique ; - des moyens de refroidissement 20 formés par au moins une ailette de refroidissement 21 formant une source froide. Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, plusieurs ailettes de refroidissement 21 sont réalisées ; toutefois l'invention est également applicable avec une unique ailette de refroidissement. Les ailettes de refroidissement 21 sont solidaires de la paroi 14 de l'enceinte 16. Avantageusement, la paroi 14 de l'enceinte 10 est une paroi métallique de sorte qu'elle participe avec les ailettes 21 au refroidissement du générateur électrique nucléaire 10. Les ailettes de refroidissement 21 peuvent être solidarisées à la surface de la paroi 14 ou bien encastrée partiellement dans la paroi 14 de manière à améliorer la robustesse de l'ensemble. Le convertisseur d'énergie thermique 12 est agencé entre la source radioisotopique 11 (source chaude) et la paroi 14 de l'enceinte 16 formant, avec les ailettes de refroidissement 21, la source froide. De cette manière un flux de chaleur, symbolisé par la référence 15, traverse le convertisseur d'énergie thermique 12. Le flux de chaleur est concentré et dirigé vers le convertisseur d'énergie thermique 12 par l'utilisation d'un matériau isolant 13à faible conductivité thermique à l'intérieur de l'enceinte 10 et autour de la source à radioisotope et de du convertisseur d'énergie thermique 12. Les ailettes de refroidissement 21 permettent d'évacuer la chaleur non transformée dans l'espace par rayonnement. Les ailettes de refroidissement 21 forment des plaques avec une hauteur plus faible que la longueur et la largeur. A titre d'exemple, les ailettes de refroidissement à plaque 21 présentent une épaisseur de l'ordre d'un milli- mètre pour une longueur dépendante de la puissance du générateur et de la température froide visée, dont l'ordre de grandeur est la dizaine de centimètres en largeur ainsi qu'en en hauteur. Les ailettes de refroidissement 21 présentent une structure permettant de former au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circula- tion et la condensation d'un fluide de travail de type caloduc à l'intérieur de l'ailette 21. Ainsi, la plaque formant l'ailette forme l'enveloppe extérieure du caloduc qui est gravé directement dans la plaque. Selon une variante de réalisation de l'invention, chaque ailette de refroidissement 21 présente un réseau de caloducs, qui peuvent être disposés de manière parallèle. Les ailettes de refroidissement 21 sont par exemple réalisées en matériau conducteur thermiquement tel que l'aluminium par exemple. La figure 2 illustre plus particulièrement la structure interne d'une ailette de refroidissement 21 formant un caloduc. Le caloduc fonctionne sur le principe de transferts par chaleur latente grâce à un fluide à saturation 22 enfermée dans l'ailette 21. Le fluide à saturation 22 est en équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur et sert de moyen de transport de la chaleur entre la zone chaude du caloduc ZE et la zone froide du caloduc ZC. La zone chaude ZE du caloduc, dite zone d'évaporation, est une zone très réduite située au niveau de l'extrémité de l'ailette 21 qui se trouve au contact avec la paroi 14 de l'enceinte 16. La zone froide ZC, dite zone de condensation, est une zone très étendue couvrant au moins les 2/3 de la surface de l'ailette 21. Ainsi, la chaleur reçue par le liquide 22 au niveau de la zone d'évaporation ZE le fait changer de phase (passage de la phase liquide à la phase va- peur), la vapeur ainsi créée se déplace dans un canal central 23 jusqu'à la zone de condensation ZC, où elle se condense. Le fonctionnement en boucle fermée est assuré par le retour du liquide 22 de la zone de condensation ZC vers la zone d'évaporation ZE par capillarité, par l'intermédiaire d'une structure capillaire 24 située à la périphérie du canal 23 et étendue sur la longueur de l'ailette 21. Ainsi, la structure en caloduc de l'ailette de refroidissement 21 permet une meilleure homogénéisation de la température à la surface de l'ailette 21, améliorant par conséquent sa capacité de rayonnement sur l'ensemble de la longueur et de la largeur de l'ailette, y compris au niveau de son extrémité libre. Avantageusement, la structure interne de l'ailette 21 présente un réseau de caloducs de manière à améliorer l'évacuation de la chaleur et à diminuer la température de l'ailette formant la source froide du convertisseur d'énergie thermique 12. Le fluide de travail dépend de la température froide visée. Ce peut être de l'eau ou du méthanol ou un autre fluide. Selon une variante de réalisation, la paroi 14 sur laquelle les ailettes 21 sont fixées peut également présenter une structure interne formant un caloduc ou un réseau de caloducs. L'invention a été particulièrement décrite avec une pluralité d'ailettes de refroidissement agencées sur une unique paroi 14 de l'enceinte 10. Il est bien évident que chaque paroi de l'enceinte peut présenter une ou une pluralité d'ailettes de refroidissement selon l'invention de manière à optimiser l'évacuation de la chaleur en fonction de la conception du générateur, de sa puissance, du type de convertisseur d'énergie thermique et d'autres paramètres. L'invention a été particulièrement décrite avec un convertisseur thermoélectrique, toutefois, il est bien évident que l'invention est également applicable avec un convertisseur thermo-acoustique, un convertisseur thermoméca- nique. REVENDICATIONS1. Générateur nucléaire (10) comportant : une source chaude formée par une source à radioisotope(11) ; une source froide ; un convertisseur d'énergie thermique (12) agencé entre ladite source chaude et ladite source froide de manière à ce qu'un flux de chaleur traverse le convertisseur d'énergie thermique ; une enceinte (16) dans laquelle sont aménagés le convertisseur d'énergie thermique (12) et la source chaude (11); ladite enceinte (16) étant en contact avec la source froide ; le générateur étant caractérisé en ce que la source froide comporte au moins une ailette de refroidissement (21) à plaque présentant une structure interne formant au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail. 2. Générateur nucléaire(10) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit au moins un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail est un caloduc. 3. Générateur nucléaire(10) selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit caloduc est un caloduc à capillarité. 4. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite au moins une ailette de refroidissement (21) est solidaire de ladite enceinte (16). 5. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes 30 caractérisé en ce que ladite au moins une ailette de refroidissement (21) à plaque présente une structure interne formant un réseau de caloducs. 6. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la source froide comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement (21) dont la structure interne forme au moins un ré- 5 seau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensa- tion d'un fluide de travail. 7. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite enceinte (16) est en contact avec la source 10 froide par l'intermédiaire d'au moins une paroi (14) de ladite enceinte (16), ladite paroi (14) présentant une structure interne formant un réseau diphasique permettant l'évaporation, la circulation et la condensation d'un fluide de travail. 8. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite enceinte (16) comporte un matériau thermiquement isolant entourant ladite source chaude à radiosisotope et ledit convertisseur d'énergie thermique. 9. Générateur nucléaire(10) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit convertisseur d'énergie thermique est un convertisseur thermoélectrique ou un convertisseur thermomécanique ou un convertisseur thermo-acoustique. 10. Satellite caractérisé en ce qu'il comporte un générateur nucléaire (10) selon l'une des revendications 1 à 9.