Brevet FR2999775A1 — publié le 20140620

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de la propulsion spatiale et notamment celui de la propulsion nucléaire électrique pour des engins spatiaux. ETAT DE LA TECHNIQUE La propulsion spatiale permet de déplacer un engin spatial dans l'espace. Pour des missions de plus en longues et lointaines, la propulsion nucléaire électrique est avantageuse. Elle permet de fournir de l'énergie à l'engin pendant une durée élevée, indépendamment du flux solaire. Un propulseur nucléaire électrique est notamment constitué d'un réacteur nucléaire qui sert de source d'énergie pour chauffer un fluide, fluide chauffé qui va passer au travers d'un convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique afin d'alimenter un propulseur électrique De manière connue en soi, le chauffage du fluide est obtenu par une réaction en chaine de fission à partir d'éléments combustibles en contact avec le fluide à chauffer. Ainsi, le réacteur comprend plusieurs éléments combustibles en 20 contact avec un fluide l'ensemble étant logé de manière étanche dans le réacteur. Pour que la réaction en chaine soit possible le réacteur doit contenir une masse critique de combustible. Ceci n'est pas sans risque notamment au lancement de l'engin 25 spatial ; en cas d'accident, la réaction en chaine pourrait démarrer avec des conséquences qui peuvent être désastreuses. Pour pallier ce risque, un réacteur constitué de plusieurs parties indépendantes peut être envisagé. Un tel réacteur présente l'avantage de pouvoir se fragmenter de sorte qu'en cas d'incident la masse critique de 30 combustible n'est plus présente en un seul endroit. Une telle solution peut toutefois être complexe et implique de prévoir des dispositifs particuliers pour assurer la fragmentation (moyens pyrotechnique par exemple). De même, il est possible d'insérer des absorbants neutroniques dans le coeur, interdisant ainsi la réaction en chaîne et de ne les retirer qu'au moment du démarrage de l'installation. Cette solution présente l'inconvénient d'augmenter la masse du système par l'intégration d'éléments non nécessaires à son fonctionnement normal. Il existe par conséquent un besoin de solution performante permettant d'avoir un réacteur d'un système de propulsion nucléaire électrique qui ne présente aucun danger, notamment en cas d'accident au lancement de l'engin spatial. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention répond à ce besoin et propose un réacteur nucléaire d'un engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprenant une cuve logeant de manière étanche une pluralité d'éléments combustibles primaires en contact direct avec un fluide à chauffer, et au moins un logement configuré pour loger un élément combustible secondaire qui n'est pas en contact direct avec le fluide, mais couplé neutroniquement de manière qu'au cours d'une réaction nucléaire initiée, le fluide est chauffé d'une part par convection à partir d'au moins un élément combustible primaire, et d'autre part par rayonnement d'au moins un élément combustible secondaire logé dans un logement vers la paroi du logement refroidie par le fluide logé dans la cuve. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la cuve est cubique ou cylindrique ; - le logement est un évidement pratiqué sur une hauteur de la cuve ; - il comprend en outre un support configuré pour supporter l'élément combustible secondaire et pour l'insérer dans le logement et en outre maintenir en position l'élément combustible secondaire dans le logement ; - la masse d'éléments combustibles primaires et la masse d'éléments combustibles secondaires est égale à la masse critique d'éléments combustibles nécessaire à une réaction nucléaire en chaine. L'invention concerne également un engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprenant un réacteur nucléaire selon l'invention. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un engin spatial conforme à l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent des vues en coupe d'une cuve d'un réacteur nucléaire conforme à un mode de réalisation de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On entend ici par élément combustible un crayon d'Uranium enfilé dans un tube en alliage ou encore plusieurs pastilles, aiguilles, billes d'Uranium disposées dans un tube en alliage (ou gaine) dont la composition dépend de la température de fonctionnement du réacteur. Un élément combustible a par conséquent une forme cylindrique allongée de type crayon. En relation avec la figure 1, un engin spatial à propulsion nucléaire électrique est représenté. L'engin spatial comprend un réacteur 1 dans lequel une réaction nucléaire en chaine est initiée. La réaction nucléaire en chaine est initiée dès lors qu'une quantité de combustible fissile, appelée masse critique, est présente dans le réacteur en 5 même temps qu'une certaine quantité de neutrons. Le réacteur nucléaire permet de chauffer un fluide qui permet de transporter une certaine quantité de chaleur qui est transformée en énergie électrique par un convertisseur 2 d'énergie thermique en énergie électrique qui alimente un propulseur électrique 3 connecté à une source 4 d'ergol. Le 10 convertisseur 2 d'énergie thermique en énergie électrique permet aussi d'alimenter des composants électroniques 5 et la charge utile 7 de l'engin spatial. Des radiateurs 6 permettent de refroidir un fluide afin de créer une source froide pour que la chaleur puisse être convertie en énergie électrique. En outre, l'engin spatial comprend un bouclier 8 qui permet de 15 protéger les éléments en aval de ce dernier, de l'émission des neutrons et des rayons gamma inhérents à la réaction nucléaire. On a illustré sur les figures 2 et 3 une coupe d'une cuve d'un réacteur nucléaire conforme à un mode de réalisation de l'invention. Le réacteur nucléaire se présente sous la forme d'une cuve 10 logeant 20 de manière étanche une pluralité d'éléments combustibles 11 primaires en contact direct avec un fluide 13 à chauffer. La cuve est de préférence cylindrique mais d'autres formes peuvent être envisagées, par exemple cubique. La cuve 10 comprend en outre plusieurs logements 120 configurés 25 pour loger un élément combustible 12 secondaire. Un élément combustible secondaire ne sera pas en contact direct avec le fluide à chauffer. Le fluide 13 est par exemple un mélange He-Xe. Le logement 120 se présente sous la forme d'un évidement pratiqué dans la cuve sur une hauteur h. L'évidement assure l'étanchéité de la cuve. Il 30 permet d'insérer un élément combustible secondaire 12 au milieu des éléments combustible primaires 11. Le matériau de la cuve doit permettre le couplage neutronique des éléments primaires et secondaires. On entend par couplage neutronique le fait que les neutrons issus des fissions se produisant dans les éléments primaires interagissent avec les noyaux des éléments secondaires, en en provoquant la fission, et réciproquement. Les éléments combustibles primaires et secondaires peuvent être de dimensions, poids, égaux. Afin qu'une réaction nucléaire puisse être initiée dans la cuve, les éléments combustibles primaires et secondaires sont en quantité suffisantes pour atteindre la criticité. Comme on le comprend, la masse critique est séparée en deux masses subcritiques par l'utilisation d'éléments combustibles primaires et secondaires. Ainsi, au cours du lancement d'un engin spatial pour une mission donnée, les éléments combustibles secondaires ne sont pas insérés dans le réacteur. Ils sont transportés à l'extérieur, il est même possible de les transporter par un autre lancement. Dans le cas où les éléments secondaires sont transportés avec le réacteur, ils sont disposés de manière à ce qu'ils ne puissent être insérés par accident, que ce soit par insertion intempestive ou par modification de la géométrie du réacteur due à un accident. Dans le cas d'un deuxième lancement, on procède d'abord au lancement de l'engin spatial avec la cuve 10 puis au lancement des éléments combustibles secondaires. Pour ce faire, les éléments combustibles secondaires sont fixés à un support 14 dirigeable. Un « rendez-vous » entre le support 14 supportant les éléments combustibles secondaires et l'engin spatial est réalisé pour venir placer les éléments combustibles secondaires dans les logements 120. Dans les deux cas un dispositif de support et de chargement des éléments secondaires est nécessaire. Cette machine de chargement est sécurisée contre toute insertion non commandée. Elle assure le guidage et l'insertion des éléments secondaires dans leur logement. Une fois l'assemblage effectué, une réaction nucléaire est initiée. Les éléments primaires et secondaires participent à la réaction en chaîne car ils sont couplés neutroniquement. Le chauffage du fluide 13 est obtenu d'une part par convection à partir des éléments combustibles 11 primaires, et d'autre part par rayonnement des éléments combustibles 12 secondaires logés dans les logements 120 sur la paroi des logements. REVENDICATIONS1. Réacteur nucléaire d'un engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprenant une cuve (10) logeant de manière étanche une pluralité d'éléments combustibles (11) primaires en contact direct avec un fluide (13) à chauffer, et au moins un logement (120) configuré pour loger un élément combustible (12) secondaire qui n'est pas en contact direct avec le fluide (13), mais couplé neutroniquement de manière qu'au cours d'une réaction nucléaire initiée, le fluide est chauffé d'une part par convection à partir d'au moins un élément combustible (11) primaire, et d'autre part par rayonnement d'au moins un élément combustible (12) secondaire logé dans un logement (120) vers la paroi du logement (120) refroidie par le fluide (13) logé dans la cuve (10). 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, dans lequel la cuve est cubique ou cylindrique. 3. Réacteur nucléaire selon l'une des revendications précédentes, dans zo lequel le logement est un évidement pratiqué sur une hauteur de la cuve. 4. Réacteur nucléaire selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un support configuré pour supporter l'élément combustible secondaire et pour l'insérer dans le logement et en outre 25 maintenir en position l'élément combustible secondaire dans le logement. 5. Réacteur nucléaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la masse d'éléments combustibles primaires et la masse d'éléments combustibles secondaires est égale à la masse critique d'éléments 30 combustibles nécessaire à une réaction nucléaire en chaine. 6. Engin spatial à propulsion nucléaire électrique comprenant un réacteur nucléaire selon l'une des revendications précédentes.