Les nouvelles perspectives ouvertes par les techniques de propulsion nucléaire

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Ouverture de ce sujet qui passionne pas mal de contributeurs et démarre souvent dans des Fils consacrés à des missions et techniques plus modestes en cours - ou en projet rapproché - sur la décennie à venir.
Ce sera aussi plus facile de procéder à des recherches ultérieurement.

PS : Evidemment du travail pour les modos qui devront faire des transferts (notamment à partir du Fil de la mission JUICE). Merci à eux pour leur dévouement au bon fonctionnement du forum.
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Bonne idée, mais avouons qu'en dix ans il n'y a pas eu grand chose de neuf. J'ai compilé depuis des années toute une série de documents à cette adresse.
Malheureusement les différentes voies possibles restent :

  • soit la propulsion nucléothermique en phase solide qui ne permet pas des Isp ni des indices structurels mirobolants,
  • soit la propulsion nucléothermique en phase gazeuse impossible à tester sur la Terre pour cause de poussée d'Archimède dans le cœur du réacteur,
  • soit les réacteurs électronucléaires à fission qui (même en phase gazeuse) ne permettent des rapports puissance / masse satisfaisants qu'aux très gros dimensionnements (très gros vaisseaux, donc courbe d'apprentissage très abrupte)
  • soit les dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires traditionnels qui souffrent du même inconvénient de dimensionnement que les réacteurs électronucléaires avec en plus l'inconvénient d'être très agressifs pour les constellations satellitaires dans la banlieue terrestre,
  • soit les dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires miniaturisés qui seraient les plus intéressants en termes d'Isp, de courbes d'apprentissage et de rapports puissance / masse, mais qui sont couverts par le secret militaire (et politiquement tabous) pour d'évidentes raisons diplomatiques (personne ne voudrait avouer qu'il sait faire des dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires sub-sub-kilotonique ayant un bon rendement et pouvant donc être utilisés dans un conflit régional...)

Les autres technos envisageables : fusion pure par confinements inertiel ou magnétique, antimatière couplée à la fusion, etc. sont encore bien trop immatures aujourd'hui et rien ne permet de penser qu'elles seraient miniaturisables pour les dimensionnements "normaux".

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@Henri a écrit:
Bonne idée, mais avouons qu'en dix ans il n'y a pas eu grand chose de neuf. J'ai compilé depuis des années toute une série de documents à cette adresse.
Malheureusement les différentes voies possibles restent :

  • soit la propulsion nucléothermique en phase solide qui ne permet pas des Isp ni des indices structurels mirobolants,
  • soit la propulsion nucléothermique en phase gazeuse impossible à tester sur la Terre pour cause de poussée d'Archimède dans le cœur du réacteur,
  • soit les réacteurs électronucléaires à fission qui (même en phase gazeuse) ne permettent des rapports puissance / masse satisfaisants qu'aux très gros dimensionnements (très gros vaisseaux, donc courbe d'apprentissage très abrupte)
  • soit les dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires traditionnels qui souffrent du même inconvénient de dimensionnement que les réacteurs électronucléaires avec en plus l'inconvénient d'être très agressifs pour les constellations satellitaires dans la banlieue terrestre,
  • soit les dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires miniaturisés qui seraient les plus intéressants en termes d'Isp, de courbes d'apprentissage et de rapports puissance / masse, mais qui sont couverts par le secret militaire (et politiquement tabous) pour d'évidentes raisons diplomatiques (personne ne voudrait avouer qu'il sait faire des dispositifs explosifs nucléaires/thermonucléaires sub-sub-kilotonique ayant un bon rendement et pouvant donc être utilisés dans un conflit régional...)

Les autres technos envisageables : fusion pure par confinements inertiel ou magnétique, antimatière couplée à la fusion, etc. sont encore bien trop immatures aujourd'hui et rien ne permet de penser qu'elles seraient miniaturisables pour les dimensionnements "normaux".
J'ajouterais

  • direct drive ou fusion a cœur ouvert qui consiste a démarré un réacteur a fusion et a laisse fuité en permanence une partie du combustible qui s’échapperait a des vitesse relativiste .  https://www.nextbigfuture.com/2014/03/direct-drive-nuclear-fusion-propulsion.html
  • le moteur zubrin. c'est une mixte entre une moteur nucleotermique et a propulsion nucleaire pulsé. le carburant (monoergol) serait de l'eau dans lequel serait intégré des éléments fissile stocké dans des tuyaux en graphite afin de ne pas enclenché la réaction nucléaire. par contre le monoergol serait injecté dans une tuyère en réflecteur neutronique. au niveau du col de la tuyère, la pression et la réflexion de neutron fait que le combustible passe le point critique et on a une explosion nucléaire continu qui propulse l'eau a 66km/s. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket
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Il y a bien un flux continu de nouvelles propositions de systèmes nucléaires, qui se répartissent globalement dans les grandes catégories indiquées par Henri.
"immature" est un terme diplomatique indiquant que la physique n'est parfois même pas prouvée, et donc que ça pourrait même ne jamais marcher, quelque soient les moyens engagés.
Il peut être utiles de définir des catégories de faisabilité (un peu sur le modèle des TRL) :
A : physique prouvée. On sait dans ce cas qu'à budget illimité et en l'absence de contraintes réglementaires, il est quasiment certain que ça fonctionne.
C'est le cas des moteurs nucléo-thermiques (cf Nerva), construits et testés au sol, et des générateurs électriques à fission (qui ont même été lancés dans l'espace).
On saurait aussi faire exploser des bombes H derrière un vaisseau, et on maitrise même la production industrielle des bombes H (j'avais vu un chiffre de 100000 fabriquées pendant la guerre froide, Astro-notes a peut-être des chiffres plus précis).
Ca ne se fait pas pour des raisons diverses, coûts astronomiques, impossibilité à tester sur Terre, sécurité, etc.
B : physique robuste, mais faisabilité quand même déjà plus aléatoire
C : physique non prouvée. Même à budget illimité, il n'est pas certain que ça puisse fonctionner. Rentrent dans cette catégorie la plupart des systèmes à fusion en confinement magnétique, hors Tokamaks.
D : remise en cause de lois physiques fondamentales, hors sujet ici.

D'une façon générale, les systèmes à fission tombent dans ces catégories A et B.
Les systèmes à fusion pure tombent le plus souvent en C. En fait, il n'y a que les tokamaks brûlant D-T qui atteindraient B et éventuellement A. Les caractéristiques sont plutôt défavorables pour en dériver un système de propulsion spatiale, mais la porte n'est quand même pas fermée. Ne pas trop y compter quand même à court terme.

Pour les exemples donnés par Phenix :
"direct drive fusion" -> C. Sans hésitation.
moteur de Zubrin : hésitation entre A et B
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En réponse à lambda0, et de mémoire, je me fie aux lectures des document ayant participé à instruire les accords de désarmement et de limitation des armements STAR et avant SALT, cela avait porté sur 35000 armes (nucléaires et thermonucléaires) avec pour moitié stockée dans des arsenaux et l'autre partie sur les vecteurs militaires. Mais si on ajoute les probables montages expérimentaux depuis 1952 on doit avoisiner les 70000 pions thermonucléaires et nucléaires (ce n'est qu'une estimation empirique) elle regroupe tous les acteurs USA, URSS, UK, Fr, Chine, Israel, Afrique du Sud, Inde, Pakistan, Corée du Nord, et non testée mais probablement en kit sur une étagère l'Iran. :affraid:
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Ah, merci pour cette précision ;)
Le chiffre que j'avais vu incluait peut-être en effet des engins expérimentaux, et des engins démantelés/recyclés.
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Aujourd'hui, des projets de réacteurs embarqués comme Kilopower et Megapower permettent d'envisager d'alimenter de GROS moteurs ioniques ou plasmiques, voire un VASIMR si on arrive à le mettre au point.
On atteindrait alors à des ISP de plusieurs milliers.
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Les moteurs plasmiques, et en particulier le VASIMR, sont bien en avance sur les développements de générateurs électro-nucléaires spatiaux de haute puissance.
Et donc les gens de la propulsion électrique ont pris quelques distances ces dernières années par rapport aux sources d'énergie nucléaire, pour plutôt compter sur le solaire dans leurs études, au moins à court terme.
Mais c'est sûr que disposer d'un générateur électronucléaire à fission embarqué de 5 à 10 MW ouvrirait de bonnes perspectives pour les vols habités interplanétaires.
La combinaison générateur électronucléaire + moteur plasmique tombe bien dans la catégorie A définie plus haut.
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@montmein69 a écrit:PS : Evidemment du travail pour les modos qui devront faire des transferts (notamment à partir du Fil de la mission JUICE). Merci à eux pour leur dévouement au bon fonctionnement du forum.

Partageons le boulot. Tu nous identifies les messages à déplacer, on les déplace. C'est équitable non ? :D

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@lambda0 a écrit:Les moteurs plasmiques, et en particulier le VASIMR, sont bien en avance sur les développements de générateurs électro-nucléaires spatiaux de haute puissance.
Et donc les gens de la propulsion électrique ont pris quelques distances ces dernières années par rapport aux sources d'énergie nucléaire, pour plutôt compter sur le solaire dans leurs études, au moins à court terme.
Mais c'est sûr que disposer d'un générateur électronucléaire à fission embarqué de 5 à 10 MW ouvrirait de bonnes perspectives pour les vols habités interplanétaires.
La combinaison générateur électronucléaire + moteur plasmique tombe bien dans la catégorie A définie plus haut.

Le kilopower ou KRUSTY est déjà bien avancé et un prototype fonctionne déjà : Krusty
Le Megapower est clairement sur la bonne voie : Megapower
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@GNU Hope a écrit:
@lambda0 a écrit:Les moteurs plasmiques, et en particulier le VASIMR, sont bien en avance sur les développements de générateurs électro-nucléaires spatiaux de haute puissance.
Et donc les gens de la propulsion électrique ont pris quelques distances ces dernières années par rapport aux sources d'énergie nucléaire, pour plutôt compter sur le solaire dans leurs études, au moins à court terme.
Mais c'est sûr que disposer d'un générateur électronucléaire à fission embarqué de 5 à 10 MW ouvrirait de bonnes perspectives pour les vols habités interplanétaires.
La combinaison générateur électronucléaire + moteur plasmique tombe bien dans la catégorie A définie plus haut.

Le kilopower ou KRUSTY est déjà bien avancé et un prototype fonctionne déjà : Krusty
Le Megapower est clairement sur la bonne voie : Megapower

J'avais bien ça dans mes tablettes.
Pour l'instant, Megapower est une étude papier, comme il en est produit régulièrement...
Et l'usage primaire est plutôt d'alimenter une base, pour de la propulsion il faudrait ensuite en dériver une version embarquée.

Analyse ici :
https://www.osti.gov/servlets/purl/1413987
(rapport de fin 2017)

En page 28 :

- Reactor core design is so finely optimized and the excess reactivity so small that even very small lattice pitchincreases cause the core excess reactivity to drop precipitously. Web thicknesses,therefore,cannot be easily increased, fuel clad cannot easily be accommodated, and pre-fabricated heat pipes cannot be inserted directly into the steel monolith without significant reactivity loss and core re-design to avoid sub-criticality.
- Fast reactor U-235nuclear reaction cross sections have uncertainties that lead to k-effective uncertainty on the order of the beginning-of-life excess reactivity.

Traduction libre : dans sa conception actuelle, théoriquement, il n'est pas sûr que le réacteur démarre, et s'il démarre, il peut facilementdevenir sous-critique accidentellement.
Il doit y avoir encore quelques années de boulot pour traiter tous les points listés, avant même de penser à construire un prototype.
L'INL, auteur de ce rapport, propose deux conceptions alternatives, au stade du principe.
Intéressant, à suivre du coin de l'oeil, et surveiller la progression tous les 2-3 ans, si ce projet atteint le stade du prototype.
lambda0
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A propos des utilisations des réacteurs nucléaires, pourrait -on envisager des réacteurs polyvalents fournissant l’énergie pour la propulsion pendant le voyage, puis à destination pour les habitats et la production d’ergols pour le retour ?

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@Giwa a écrit:A propos des utilisations des réacteurs nucléaires, pourrait -on envisager des réacteurs polyvalents fournissant l’énergie pour la propulsion pendant le voyage, puis à destination pour les habitats et la production d’ergols pour le retour ?

Ca doit être compliqué de poser un réacteur qui a fonctionné pendant des semaines, et qui est chargé de produits de fission, et puis il faudrait redéployer pas mal de trucs au sol (bouclier anti-radiations, dissipateurs, etc.).
Par contre, j'ai déjà vu des études où le réacteur de la propulsion reste sur orbite à l'arrivée et alimente un LASER ou un émetteur micro-ondes pour envoyer de l'énergie au sol. Même si le rendement de toute la chaine est déplorable, si on dispose de mégawatts au départ, c'est quand même intéressant de récupérer des dizaines de kW pour les besoins d'une expédition.
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D’accord poser un réacteur ayant déjà fonctionné et chargé de produits de fission, ce serait complexe. D’un autre côté ce serait sur une planète inhabitée ou presque où les risques sont limités.
D’autre part il ne s’agirait pas de repartir avec ce réacteur qui resterait sur place, le retour s’effectuant avec les propergols produits sur place. De plus pour l’entrée atmosphérique, on peut séparer préalablement le réacteur du vaisseau habité et bien sûr en arrêtant sa divergence.
De plus ce réacteur pourrait supporter des conditions pour cette entrée, plus drastiques que l’équipage

Giwa
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En gros, poubelle jaune pour le papier, poubelle violette pour le cesium 137, ... :evil:   :iout:
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Il ne s’agit pas de ramener sur notre planète ce césium 137 dont d’ailleurs la décroissance radioactive est assez rapide avec d’ailleurs une demi-vie assez courte de 20 ans.

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@Giwa ah, zut je n'avais pensé à consulter les demi vies, il y avait bien mieux, tant pis !  :oops:
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@GNU Hope a écrit:Aujourd'hui, des projets de réacteurs embarqués comme Kilopower et Megapower permettent d'envisager d'alimenter de GROS moteurs ioniques ou plasmiques, voire un VASIMR si on arrive à le mettre au point.
On atteindrait alors à des ISP de plusieurs milliers.

De plus ces réacteurs pourraient être la source directe des ions ou plasma des moteurs d'un tel système, avec peut-être une meilleure efficacité énergétique que le détour via l'électricité. ?
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Les russes du bureau d'études KB Arsenal (concepteurs/constructeurs des satellites d'écoute électronique installés à Saint-Petersbourg) développent sans doute un satellite expérimental utilisant un réacteur nucléaire (fission) produisant au moins 30 kW électrique dans le cadre d'un projet secret défense (Ekipazh ). Il existe également un projet beaucoup moins avancé de réacteur d'un mégawatt TEM, porté directement par Roscosmos avec Rosatom qui avait été officiellement annoncé par Medvedev en 2009.

Source : Enfilade Nasaspaceflight forum

Pline

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@Pline a écrit:
Les russes du bureau d'études KB Arsenal (concepteurs/constructeurs des satellites d'écoute électronique installés à Saint-Petersbourg) développent sans doute un satellite expérimental utilisant un réacteur nucléaire (fission) produisant au moins 30 kW électrique dans le cadre d'un projet secret défense (Ekipazh ). Il existe également un projet beaucoup moins avancé de réacteur d'un mégawatt TEM, porté directement par Roscosmos avec Rosatom qui avait été officiellement annoncé par Medvedev en 2009.  

Source : Enfilade Nasaspaceflight forum

La nouvelle sur Air & Cosmos : Un remorqueur spatial russe inédit
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@Arès F a écrit:
@GNU Hope a écrit:Aujourd'hui, des projets de réacteurs embarqués comme Kilopower et Megapower permettent d'envisager d'alimenter de GROS moteurs ioniques ou plasmiques, voire un VASIMR si on arrive à le mettre au point.
On atteindrait alors à des ISP de plusieurs milliers.

De plus ces réacteurs pourraient être la source directe des ions ou plasma des moteurs d'un tel système, avec peut-être une meilleure efficacité énergétique que le détour via l'électricité. ?
Arès F, tu m'ôtes les mots de la bouche !

Je n'ai pas pris le temps de développer cette possibilité. En effet, il est très certainement possible de réchauffer les ergols tout en les utilisant pour refroidir le réacteur. On atteindra pas la température finale mais on économisera une partie de l'électricité nécessaire à cet effet.

Par contre, l'article sur la propulsion nucléaire dans Numérama contient toujours la même erreur grossière. Raccourcir la durée du voyage Terre Mers n'améliore pas la sécurité, loin de là.
En effet, il n'existe que deux trajectoires, dites de libre retour, une de 9 mois et une de 6 mois. Ces trajectoires permettent un retour balistique vers la Terre en cas de problèmes. En cas d'échec de la mise en orbite autour de Mars, une trajectoire de 4 mois conduit à la perte irrémédiable de l'équipage. Bref, ce n'est pas sécuritaire du tout.
Par contre, un propulseur nucléaire permet, à masse de combustible identique, d'envoyer un masse beaucoup plus importante en orbite martienne. Ça, c'est un sérieux avantage.
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Un autre article au sujet du DFD de Princeton (c'est + ou - le même avec quelques développement en + dans l'article il me semble)

   https://dailygeekshow.com/propulsion-nucleaire-vaisseaux/


  Et surtout, une vidéo présentant le concept du DFD (moteur a fusion nucléaire/plasma) :


    


   Le principe étant l'utilisation de la fusion nucléaire pour faire chauffer un plasma de gaz propulsif qui va se réchauffer autour du coeur de fusion du système d'embouteillage magnétique et donc y accumuler de la vitesse d'éjection maximisée

    Selon les tenants du projet, les temps de transit moyens connus avec la propulsion classique + utilisation des frondes gravitationnelles seraient divisés par 2 grace au DFD ou ils évaluent par exemple un voyage vers Pluton qui a mis près de 10 ans dans le cas de New Horizon (avec une vitesse acquise d'environ 50 km/s) serait divisé par 2 avec l'usage du DFD

    Ce qui peut probablement se résumer a une vitesse acquise espérée d'environ 100 km/s , ce qui est dans les normes de ce qu'évaluait la Nasa début des années 2000 dans le rapport HOPE si la propulsion par fusion nucléaire était développée pour accéder a Jupiter avec une mission lourde d'environ 1500-2000t : Ils tablaient sur du 100 km/s environ a l'époque (voir 150 éventuellement selon architecture du système)

    A cela il faut rajouter la possibilité éventuelle d'en faire un réacteur de production d'électricité (ou même les 2 a la fois ?) en tablant sur un réacteur qui pourrait devenir un générateur après un usage propulsif , jusqu'a 10 mégawatt thermique sur le modèle étudié de la taille d'un fourgon et pesant environ 20t


   Une autre vidéo ou les scientifiques s'expliquent :


  

Argonaute

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