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Space TRIPS

Contexte du projet

Depuis 2010, le SERAS contribue au projet Space TRIPS (Thermoacoustic Radio-Isotopic Power Source), financé au niveau européen par le Septième Programme-Cadre (FP7).

Il s’agit de développer un système capable de convertir directement l’énergie thermique en énergie électrique, perspective intéressante lorsqu’il faut alimenter en électricité des systèmes en site isolé. Pour des applications spatiales notamment, pour des missions trop éloignées du Soleil, ce procédé constitue une alternative à l’énergie photovoltaïque.

L’une des clés du dispositif est l’absence de pièces mécaniques en mouvement, ce qui minimise le risque d’avaries et le rend particulièrement adapté au cas d’application envisagé.

Chaîne de conversion d’énergie du système Space TRIPS

Ce projet fait intervenir plusieurs partenaires européens :

CNRS (SIMaP, Institut Néel / SERAS, G2Elab)
Areva TA
IPUL (Institute of Physics at the University of Latvia)
Thalès Alenia Space
Hekyom
HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)

Dans le cadre de cette collaboration, le SERAS a en charge la conception de la boucle thermoacoustique et du générateur MHD.

La première étape du projet vise à réaliser un prototype de laboratoire, non spatialisable en l’état, afin de valider le fonctionnement d’un tel dispositif et d’évaluer son rendement.

La boucle thermoacoustique (TAc)

La boucle thermoacoustique est un générateur d’ondes de pression. Elle se compose d’une enceinte de confinement contenant une source chaude, de type radioisotopique (atomes aux noyaux instables qui rayonnent en se désintégrant), et de 2 boucles acoustiques sous 40 bars d’argon, reliées par le générateur MHD.

La boucle thermoacoustique

Vue en coupe des échangeurs chauds (rouge)
et froids (bleu)

La source chaude élève la température de deux échangeurs chauds à plus de 1100K. La présence d’un échangeur froid génère un gradient de température de 700K. Ce gradient engendre une différence de pression qui se propage en ondes progressives.

A partir des raccords en T jusqu’au générateur MHD, la pression oscille ensuite à 40 bars ±7 bars sous la forme d’ondes stationnaires, en opposition de phase dans chaque raccord.

Cette pression alternative est transmise au générateur MHD.

Le générateur MHD

Le générateur magnétohydrodynamique (MHD) est situé en bout de chaine de conversion. Il permet la production d’énergie électrique à partir du mouvement d’un volume de sodium liquide.

La première étape du projet vise à réaliser un prototype de laboratoire, non spatialisable en l’état, afin de valider le fonctionnement d’un tel appareil et d’évaluer son rendement.

Schéma de fonctionnement du générateur MHD

Le canal dans lequel circule le sodium liquide à 200°C est immergé dans le champ magnétique permanent d’un aimant. Sous l’effet du mouvement oscillatoire du sodium à 45Hz autour d’une pression moyenne de 40 bars, il se crée un champ magnétique induit pulsant, qui est alors « capté » par des bobines conductrices. Il en résulte un courant électrique alternatif, qui peut être relié à la charge électrique.

Vue écorchée du générateur MHD

Instrumentation

Au niveau de la boucle thermoacoustique :

Au moins 12 thermocouples, dont 8 implantés via des passages étanches, permettent de contrôler la température au niveau des échangeurs.
8 capteurs de pression dynamique mesurent la pression du gaz en mouvement, et la progression des ondes.

Au niveau du générateur MHD :

Deux thermocouples, implantés via des passages étanches, donnent accès à la température.
Deux sondes de pression compatibles sodium sont mises en place aux extrémités de la partie active, sur les couvercles inox.
Un débitmètre électromagnétique est implanté à l’extérieur du générateur.

Simulation numérique

Concernant la partie MHD, les calculs ont été réalisés à l’aide du logiciel SAMCEF Bacon sur un modèle 2D axisymétrique. Les calculs thermomécaniques ont permis le redimensionnement de certaines pièces, plusieurs changements de matériaux ainsi que la détermination des jeux entre les différentes pièces.

Calcul thermomécanique 2D axisymétrique des composants MHD, déplacements globaux en mm.

Calcul thermomécanique 3D du connecteur en titane, contraintes de Von Mises en MPa

Calcul thermomécanique 3D de la bride interne en titane, contraintes de Von Mises en MPa.

Pour la partie thermoacoustique, une première étude vibratoire à l’aide des logiciels CATIA V5 et SAMCEF Bacon a permis d’identifier les premiers modes de vibration de la structure. Les fixations ont été définies de sorte que la structure ne vibre pas aux alentours de 45Hz afin d’éviter tout risque de résonance.

Par la suite, des modélisations thermomécaniques avec rayonnement ont été conduites à l’aide du logiciel SAMCEF Field. Elles ont mené au redimensionnement et au changement de matériau de plusieurs pièces.