1 - DOMAINES D’APPLICATION ET GAMMES DE PUISSANCE DES GENSF

• 1.1 - Missions à la surface de la Lune et de Mars
• 1.2 - Missions d’exploration robotiques lointaines
  Tableau 1
• 1.3 - Missions de défense
• 1.4 - Missions de logistique de transport spatial par propulsion nucléaire électrique

2 - SPÉCIFICITÉS DES GENSF PAR RAPPORT AUX APPLICATIONS TERRESTRES

• 2.1 - Emport par un lanceur
• 2.2 - Fonctionnement thermique dans le vide spatial
• 2.3 - Protection dans le vide spatial vis-à-vis des rayonnements émis par le GENSF
• 2.4 - Fonctionnement en apesanteur ou sous très faible gravité
• 2.5 - Fonctionnement sous flux de micrométéorites
• 2.6 - Spécificités des missions spatiales
• 2.7 - Architecture générale d’un GENSF
  Figure 1 - Architecture typique d’un GENSF équipant un vaisseau spatial

3 - HISTORIQUE DU DÉVELOPPEMENT DES GENSF

• 3.1 - Les GENSF opérés ou testés en orbite
  Figure 2 - Le GENSF SNAP-10A de 500 We testé en orbite par les États-Unis en 1965 Figure 3 - GENSF BES-5 de ∼ 3 kWe utilisé en orbite entre 1967 et 1988 par l’Union soviétique Figure 4 - Illustration du GENSF TOPAZ I et de son élément combustible convertisseur thermoïonique constitué d’un empilement de 5 cellules
• 3.2 - Projets de GENSF ayant fait l’objet d’importants développements
  Figure 5 - Illustration du GENSF SP-100 de 100 kWe
• 3.3 - Projets de GENSF aux développements plus modestes
  Figure 6 - Illustrations du véhicule JIMO, de l’arrangement de son ensemble réacteur, bouclier de protection et système de conversion d’énergie dans sa configuration redondée, et de son réacteur nucléaire (adapté de [3]) Figure 7 - Concept de référence du GENSF du projet Fission Surface Power Figure 8 - Le GENSF Kilopower de 1 kWe
• 3.4 - Les études françaises et européennes
  Figure 9 - Vue générale de celui des concepts de GENSF ERATO de 200 kWe basé sur un réacteur nucléaire à crayons combustible UN refroidis au lithium
• 3.5 - Programmes/projets en cours de développement
  Figure 10 - Remorqueur spatial à propulsion nucléaire électrique Nuklon (alias Zeus)
• 3.6 - Les leçons de cet historique

4 - COMPOSANTS SPÉCIFIQUES AU GENSF : TECHNOLOGIES ET CONCEPTION

• 4.1 - Le radiateur
  Figure 11 - Évolution de la surface du radiateur en fonction de sa température Figure 12 - Exemple d’évolution de la surface du radiateur, du rendement de conversion et de la masse spécifique d’un GENSF de 100 kWe à conversion par cycle Brayton en fonction de la température d’entrée du compresseur (d’après [24]) Figure 13 - Photo du GENSF soviétique TOPAZ II montrant son radiateur à circulation directe Figure 14 - Schéma de principe d’un caloduc Figure 15 - Organisation typique d’un système radiateur à caloducs incluant panneaux radiatifs à caloducs et circuit pompé transférant aux évaporateurs des caloducs la chaleur rejetée par le système de conversion (d’après [34]) Figure 16 - Exemple de conception de la liaison thermique entre les évaporateurs des caloducs et les circuits à caloporteur NaK transférant la chaleur rejetée par le convertisseur d’énergie (d’après [34]) Figure 17 - Ilustration de deux approches d’intégration d’un caloduc dans la structure rayonnante du radiateur Figure 18 - Ilustration de trois architectures typiques de radiateur déployable, montrant les configurations sous coiffe et déployée Figure 19 - Principe du système de radiateur à gouttelettes (cas d’un radiateur constitué d’une paire de modules en série) Figure 20 - Schéma de principe d’un radiateur à membrane bulle rotative Tableau 2
• 4.2 - Le bouclier de protection
  Figure 21 - Arrangement du bouclier de protection dans un GENSF équipant un vaisseau spatial Figure 22 - Conception du bouclier de protection du réacteur SP-100 Figure 23 - Schéma montrant le cheminement des tuyauteries du circuit primaire du SP-100 (en jaune) intégrées dans le bouclier de protection à sa périphérie Tableau 3
• 4.3 - Les dispositifs de contrôle de la réactivité
  Figure 24 - Illustration des trois principaux types de dispositifs de pilotage de la réactivité d’un GENSF Tableau 4

5 - LES CHOIX CLÉS DE CONCEPTION

• 5.1 - Une optimisation globale multicritère
• 5.2 - Les technologies de conversion de l’énergie
  Figure 25 - Principe et rendement de la conversion d’énergie par effet thermoélectrique Figure 26 - Principe de fonctionnement d’un convertisseur thermoïonique Figure 27 - Vue d’ensemble de l’assemblage combustible thermoïnique du réacteur TOPAZ II (YENISEI) et détail en coupe verticale de sa partie courante Figure 28 - Diagramme température-entropie du cycle de Brayton (à gauche) et schéma de principe d’un turboconvertisseur Brayton (à droite) Figure 29 - Architecture et principe de fonctionnement d’un convertisseur Stirling à piston libre Figure 30 - Comparaison schématique des modes de conversion en termes de masse spécifique du GENSF en fonction de sa puissance électrique et de rendement de conversion en fonction de la température de source chaude (en sortie réacteur) et donc du type de matériau de structure requis (d’après [48]) Tableau 5
• 5.3 - Les technologies de réacteur nucléaire
  Figure 31 - Principe du réacteur à caloducs et illustration des architectures typiques de couplage de ces caloducs au système de conversion d’énergie Tableau 6 Tableau 7 Tableau 8

6 - LA MAÎTRISE DE LA SÛRETÉ NUCLÉAIRE DES GENSF

• 6.1 - Lignes directrices en matière de sûreté nucléaire des GENSF
• 6.2 - Problématiques de sûreté nucléaire des GENSF
• 6.3 - Accidents historiques et retour d’expérience
• 6.4 - L’exemple de la sûreté de conception du SP-100
  Figure 32 - Principaux dispositifs de sûreté du SP-100

7 - CONCLUSION

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES