L’histoire de l’énergie nucléaire dans l’espace
Une étude qualitative de choix de couples redox basée sur des principes électrochimiques suivie d’une étude de faisabilité de conversion radiolytique de matière active est présentée. Un cadre pour une étude empirique des sources radioactives, des équipements et des doses, et des techniques de caractérisation des produits est discuté. La méthode proposée trouve une application dans l’utilisation du combustible nucléaire usé (en particulier les émissions gamma des produits de fission dans les premiers stades d’activité) comme source de rayonnement de radiolyse pour le chargement d’électrolyte. Nous présentons une perspective sur les futures investigations qui sont nécessaires pour exploiter l’énergie nucléaire pour charger les électrolytes et développer un système RFB autonome.
Introduction
Par conséquent, pour développer un cycle de charge assisté par l’énergie nucléaire pour les RFB, l’électrolyte déchargé doit subir une radiolyse en utilisant un rayonnement ionisant provenant d’une source radioactive dans laquelle les ions métalliques déchargés réagissent avec les intermédiaires radiolytiques pour générer des ions caractéristiques d’un système RFB entièrement chargé. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de charge pour les RFB qui exploite l’énergie des radio-isotopes pour ioniser l’électrolyte déchargé. Le texte suivant décrit notre approche proposée et l’investigation conséquente de l’idée.
Approche proposée pour un système RFB chargé radiolytiquement
Un RFB utilise des matériaux actifs redox tels que des ions et des espèces moléculaires pour subir des réactions redox (pendant la décharge) au niveau des électrodes, produisant ainsi de l’énergie électrique. Le choix des électrolytes RFB pour la méthodologie de charge assistée nucléaire est principalement basé sur la possibilité de régénération d’espèces ioniques (de l’électrolyte chargé) par la réaction d’espèces ioniques déchargées avec des intermédiaires radiolytiques. La figure 3 montre un schéma de la méthodologie de charge basée sur le rayonnement nucléaire pour un système RFB. Le catholyte et l’anolyte sont pompés dans des réservoirs pour un stockage temporaire afin de subir une radiolyse. L’exposition à un rayonnement ionisant amène les ions/complexes métalliques actifs déchargés du catholyte et de l’anolyte à subir respectivement une oxydation et une réduction, ce qui donne un système RFB chargé. 
Après la radiolyse, le catholyte et l’anolyte chargés sont pompés dans l’empilement de cellules pour la production d’énergie, fournissant ainsi un procédé de charge en cycle fermé pour le système RFB. Cette approche nécessite le développement d’une unité de charge (chambre d’ionisation) pour abriter la source radioactive et les réservoirs de stockage. Les unités de charge sont découplées de la pile de cellules pour loger la source radioactive. Les électrolytes déchargés doivent être stockés dans ces unités pendant des durées suffisantes pour faciliter la réaction de charge (oxydation/réduction du médiateur redox) et permettre aux intermédiaires de radiolyse de se stabiliser. L’utilisation de cette conception d’unités de charge séparées conduit à pomper un électrolyte chargé et stable dans la pile de cellules, ce qui n’endommagera pas la membrane et les composants de la cellule.
Résultats et discussion
La tension de cellule ouverte (OCV) d’un RFB est caractéristique de la chimie du système. Les systèmes d’ions métalliques/complexes de la série électrochimique sont étudiés pour identifier les chimies RFB réalisables. L’étude est basée sur le potentiel cellulaire réalisable et les preuves de la littérature de l’oxydation ou de la réduction des systèmes d’ions métalliques choisis lors de la radiolyse.
Série électrochimique et critère de réaction cellulaire réalisable
La série électrochimique est un arrangement de divers éléments dans l’ordre décroissant de leur potentiel de réduction standard. Le potentiel de réduction standard d’un système d’électrodes (élément en contact avec ses ions) est mesuré par rapport à une électrode de référence standard (par exemple, électrode standard à hydrogène (SHE), électrode au calomel) dont le potentiel d’électrode est attribué à zéro par convention. Le système avec un potentiel de réduction négatif subit une oxydation spontanée et agit comme une anode lorsqu’il est connecté à SHE. De même, celui avec un potentiel de réduction positif subit une réduction spontanée et agit comme une cathode par rapport à SHE. La différence de potentiel est calculée à l’aide de l’équation
L’histoire de l’énergie nucléaire dans l’espace
L’énergie du Plutonium
Malgré ce que vous voyez dans les films et les émissions de télévision, il n’y a que deux façons pratiques de fournir de l’énergie électrique pour des missions spatiales pluriannuelles : les rayons du soleil ou la chaleur générée par la désintégration radioactive naturelle. Les systèmes d’alimentation à radio-isotopes – qui convertissent directement la chaleur générée par la désintégration du plutonium-238 en énergie électrique – utilisent cette dernière et sont essentiels pour les longues missions dans des parties éloignées du système solaire, où les voyages spatiaux à énergie solaire peuvent être peu pratiques ou impossible.
Le plutonium-238 fonctionne bien comme source d’énergie spatiale pour plusieurs raisons. Il a une demi-vie de 88 ans, ce qui signifie qu’il faut autant de temps pour que sa production de chaleur soit réduite de moitié. Il est stable à haute température ; peut générer une chaleur substantielle en petites quantités ; et émet des niveaux de rayonnement relativement faibles qui sont facilement protégés, de sorte que les instruments et équipements essentiels à la mission ne sont pas affectés. Ce type de plutonium est différent de ceux utilisés pour les armes nucléaires ou les réacteurs des centrales nucléaires.
Dans un système d’alimentation à radio-isotopes, communément appelé «batterie spatiale», le plutonium est transformé en une forme céramique – similaire au matériau de votre tasse de café du matin. Tout comme une tasse brisée, il se brise en gros morceaux au lieu d’être vaporisé et dispersé, évitant ainsi de nuire aux personnes et à l’environnement dans le cas peu probable d’un lancement ou d’un accident de rentrée. Pendant plus de 50 ans, chaque système d’alimentation radio-isotopique lancé dans l’espace a fonctionné en toute sécurité et exactement comme prévu.
Les premiers systèmes d’énergie nucléaire spatiale
En 1961, le satellite de navigation Transit 4A de l’US Navy est devenu le premier vaisseau spatial américain à être propulsé par l’énergie nucléaire. Le Transit 4A était alimenté par un générateur thermoélectrique à radio-isotopes, ou RTG, développé par la Commission de l’énergie atomique, le prédécesseur du Département de l’énergie. Depuis lors, huit autres générations de systèmes d’alimentation à radio-isotopes ont été développées par le Département de l’énergie pour être utilisées dans l’espace par la NASA, l’US Navy et l’US Air Force. Sans pièces mobiles, les RTG convertissent la chaleur de la désintégration du plutonium-238 en électricité à l’aide de dispositifs appelés thermocouples. Le RTG du satellite Transit 4A de la Marine produisait 2,7 watts d’énergie électrique. Transit 4A détenait le record du plus ancien vaisseau spatial de diffusion pour sa première décennie en orbite, période au cours de laquelle il a parcouru près de 2 milliards de miles et a fait le tour de la Terre plus de 55 000 fois. En 1969, la NASA a lancé le Nimbus III, alimenté par RTG, le premier satellite météorologique américain à mesurer la pression atmosphérique, le rayonnement ultraviolet solaire, la couche d’ozone et la banquise de jour comme de nuit. Nimbus comprenait également des capteurs infrarouges embarqués qui prenaient les premières photographies satellites de la Terre. Outre ses RTG, Nimbus a également tiré de l’énergie de 10 500 cellules solaires intégrées.
Les missions Apollo sur la Lune comprenaient des packages expérimentaux appelés ALSEP – pour Apollo Lunar Surface Expriment Package – contenant des instruments scientifiques qui ont été laissés sur la Lune par des astronautes américains pour renvoyer des données sur Terre. Le premier ensemble était alimenté à l’énergie solaire, mais reposait sur deux unités de chauffage à radio-isotopes (RHU) de 15 watts pour maintenir ses instruments suffisamment chauds pour fonctionner. Les colis suivants étaient chacun alimentés par des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes SNAP-27 de 70 watts. Les ALSEP ont contribué à une quantité importante de ce que nous savons maintenant sur la lune – y compris des données sur le vent et le rayonnement solaires, et l’observation que la lune est géologiquement active. Les cinq stations ALSEP ont été fermées en 1977.
Les RTG ont également propulsé des missions pour explorer d’autres planètes. En 1989, Galileo est devenu le premier vaisseau spatial à orbiter autour de Jupiter. Galilée a montré la présence d’un océan d’eau liquide sur Europe, l’une des lunes de Jupiter, et de volcans sur Io, une autre lune ; et a pris les premières photos en gros plan d’un astéroïde et les premières photos d’une comète entrant en collision avec une planète, lorsque Shoemaker-Levy 9 a frappé Jupiter. L’orbiteur Galileo était propulsé par deux RTG et comprenait 120 RHU pour assurer le bon fonctionnement de ses instruments scientifiques. La mission Ulysse pour étudier l’héliosphère – la partie de l’espace qui est affectée par le champ magnétique du Soleil – lancée en 1990, alimentée par un générateur thermoélectrique à radio-isotope à source de chaleur à usage général, ou GPHS-RTG. Il a fonctionné pendant environ deux décennies avant d’être mis hors tension, période pendant laquelle le vaisseau spatial Ulysses a survolé Jupiter et a effectué trois orbites polaires complètes du soleil. Ulysse a recueilli des données jusque-là inconnues sur les tempêtes solaires, le vent solaire, les particules de poussière interstellaires et le rayonnement cosmique.
Atteindre l’espace interstellaire
Pioneer 10 et Pioneer 11, lancés au début des années 1970, étaient les précurseurs des missions Voyager qui ont suivi. Les engins spatiaux ont été conçus pour voyager loin – chacun alimenté par quatre RTG et maintenu au chaud par 12 RHU – et pour résister au rayonnement intense des planètes plus éloignées dans le système solaire. Les systèmes d’alimentation de Pioneer 10 ont été conçus pour durer au moins cinq ans, mais ont fonctionné pendant plus de trois décennies avant que les communications ne cessent. Pendant ce temps, c’était le premier vaisseau spatial à survoler Mars, visiter (et photographier) Jupiter, traverser la ceinture d’astéroïdes et transmettre des données sur les particules interplanétaires. Pioneer 11 a pris les premières photos de près de Saturne, a découvert deux nouvelles lunes et un anneau supplémentaire autour de la planète, et a découvert que Saturne émettait plus de deux fois plus de chaleur qu’elle n’en recevait du Soleil. La mission a duré 22 ans avant que les communications ne cessent ; maintenant, Pioneer 10 et 11 se dirigent vers le bord du système solaire, portant des plaques avec un message pour les êtres intelligents qu’ils pourraient rencontrer .
Voyager 1 et 2 construits sur l’héritage de Pioneer à la fin des années 1970. Ensemble, ces deux missions ont donné lieu à certaines des découvertes les plus importantes de l’histoire de l’exploration spatiale américaine. Chaque vaisseau spatial utilise neuf RHU pour rester au chaud et tire son énergie de trois générateurs thermoélectriques à radio-isotopes de plusieurs centaines de watts, ou MHW-RTG – un type de système d’alimentation spécifique à ces deux missions. Les systèmes électriques fonctionnent toujours aujourd’hui, plus de 35 ans après leur déploiement. Alors que le vaisseau spatial Voyager perd lentement de la puissance, les contrôleurs de mission de retour sur Terre peuvent éteindre les instruments un par un pour conserver l’énergie aussi longtemps que possible. Voyager 1 a survolé Jupiter et Saturne et est récemment entré dans l’espace interstellaire. En cours de route, il a photographié la Terre – apparaissant comme un point bleu pâle – à 4 milliards de kilomètres de distance. Voyager 2 est le seul vaisseau spatial à étudier les quatre planètes géantes – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – de près. Il a découvert des lunes jusque-là inconnues autour de Neptune et d’Uranus, ainsi que des geysers d’azote liquide sur Triton, l’une des lunes de Neptune, et a retransmis des centaines d’images inédites.
Missions vers Mars
Viking 1 et 2, lancés séparément en 1975, étaient le premier effort de la NASA pour récolter des données directement à partir de la surface de la planète rouge. Chaque mission comportait deux parties : un orbiteur et un atterrisseur. Les deux missions Viking ont renvoyé des photographies de la surface de la planète rouge et ont aidé les scientifiques de retour sur Terre à en savoir plus sur les éléments qui y sont présents (carbone, azote, hydrogène, oxygène et phosphore – tous essentiels à la vie sur notre propre planète). Les deux RTG de 42,6 watts sur Viking 1 et 2 ont été conçus pour durer au moins 90 jours, mais ont duré respectivement six et quatre ans. Fait intéressant, Viking 1 n’a pas été le premier vaisseau spatial à atterrir sur Mars, bien qu’il ait été le premier à réussir. Une mission soviétique ratée a atterri sur la surface martienne en 1971 mais n’a survécu que quelques secondes avant de perdre la communication. Entre Viking 1 et 2, plus de 55 000 images de Mars ont été transmises à la Terre, y compris le premier « selfie » spatial sur Mars, pris par Viking 2 lui-même. L’image est l’une des images les plus célèbres de l’histoire du programme spatial américain.
La NASA a poussé l’exploration de Mars un peu plus loin en 1996, en lançant le rover Mars Pathfinder de la taille d’un four à micro-ondes. Conçue pour durer sept jours, la mission a duré 12 fois plus longtemps, démontrant ainsi un moyen rentable d’envoyer une mission scientifique sur la planète rouge. Pathfinder a utilisé des panneaux solaires pour l’alimentation électrique et s’est appuyé sur trois RHU pour garder ses instruments scientifiques au chaud. En 2003, la NASA a lancé séparément les rovers jumeaux Spirit et Opportunity, conçus pour rechercher sur Mars des preuves de l’eau, des changements climatiques et d’autres indices que la planète aurait pu autrefois soutenir la vie. Les deux rovers utilisaient des panneaux solaires pour l’alimentation et des RHU pour prendre en charge les instruments scientifiques embarqués. Spirit a exploré la planète rouge pendant six ans – trouvant des preuves solides qu’à un moment donné, Mars était beaucoup plus humide qu’elle ne l’est maintenant – avant qu’elle ne reste coincée dans le sable et n’aille plus loin. Opportunity a survécu, étudiant les couches rocheuses et renvoyant de superbes photographies du paysage martien.
La dernière mission spatiale à propulsion nucléaire à avoir été lancée en 2011 était Curiosity, qui tweete depuis l’espace. Pour la chaleur et l’électricité, Curiosity s’appuie sur un seul générateur thermoélectrique à radio-isotopes multi-missions qui a été construit, assemblé et testé par le Département de l’énergie et les laboratoires nationaux de l’Idaho, d’Oak Ridge, de Los Alamos et de Sandia. Ce rover de la taille d’un SUV contient de nombreux instruments scientifiques et a été envoyé sur Mars pour étudier les couches rocheuses et le climat, déterminer si des conditions favorables à la vie n’y ont jamais existé et ouvrir la voie à une future exploration humaine. Curiosity est bien plus puissant que ses prédécesseurs sur la planète rouge et devrait durer au moins deux ans – probablement en forant et en analysant des échantillons de roche dans une gamme sans précédent. La NASA prévoit de renvoyer un rover similaire sur Mars en 2020. Le rover est basé sur la conception de Curiosity, mais cette fois-ci, il transportera une perceuse pour prélever des échantillons de roches et de sol martiens. La mission devrait être lancée en juillet 2020 et atterrir sur Mars en février 2021. Le RTG est actuellement construit, assemblé et testé par les laboratoires nationaux de l’Idaho, d’Oak Ridge, de Los Alamos et de Sandia.
Batterie radioélectrique
En 1951, la première batterie pour convertir l’énergie radioactive en électricité a été annoncée. Inventé par Philip Edwin Ohmart de Cincinnati, Ohio, il se composait de deux électrodes électro chimiquement dissemblables séparées par un gaz de remplissage qui était ionisé par exposition à l’énergie nucléaire pour produire du courant électrique. Ohmart a obtenu une efficacité emf de 0,01 % sur une cellule utilisant du dioxyde de magnésium et du dioxyde de plomb avec de l’argon comme gaz et de l’Ag110 comme source radioactive.
https://www.energy.gov/articles/history-nuclear-power-space