Générateur thermoélectrique à radioisotope - Définition
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Introduction
Un générateur thermoélectrique à radioisotope (GTR ; en anglais RTG : Radioisotope thermoelectric generator) est un générateur électrique nucléaire de conception simple, produisant de l'énergie électrique à partir de chaleur émise par désintégration radioactive.
De tels systèmes utilisent des matériaux radioactifs (comme le plutonium 238) qui, par rayonnement dans des matériaux non radioactifs, génèrent de la chaleur. La chaleur est alors convertie en électricité par des modules thermoélectriques, en utilisant l'effet thermoélectrique. Les radioisotopes les plus performants pour ce type d'applications sont ceux qui émettent toute leur énergie de désintégration sous forme de particules α, ces dernières étant les plus facilement absorbées par des matériaux denses — leur énergie cinétique est alors convertie en chaleur — tandis que les électrons (particules β-) sont moins efficaces et les rayons γ n'interagissent pas suffisamment avec les matériaux pour que leur énergie soit efficacement convertie en chaleur.
La principale application des générateurs à radioisotope est l'alimentation des sondes spatiales, ainsi que des équipements d'accès difficile ou impossible requérant une source d'énergie fiable sur une longue période de temps. On a ainsi conçu des générateurs miniatures pour stimulateurs cardiaques à base de plutonium 238, aujourd'hui remplacés par des technologies plus « vertes » reposant sur des batteries lithium-ion, et de tels générateurs de conception plus simple à base de strontium 90 ont été utilisés par le passé pour l'éclairage de certains phares isolés sur les côtes de l'URSS.
Les générateurs à radioisotope sont fondamentalement différents des générateurs bêtavoltaïques annoncés récemment, qui représenteraient une technologie alternative, encore largement exploratoire, aux mêmes types d'applications, mais reposant sur l'émission d'électrons par désintégration β- du tritium générant une force électromotrice au sein d'un matériau semiconducteur tel que le carbure de silicium SiC.
Conception
En comparaison d'autres équipements nucléaires, le principe de fonctionnement d'un générateur à radioisotope est simple. Il est constitué d'un conteneur blindé rempli de matière radioactive, percé de trous où sont disposés des thermocouples, l'autre extrémité des thermocouples étant reliée à un radiateur. Les calories traversant les thermocouples sont transformées en électricité. Un module thermoélectrique est un dispositif constitué de deux sortes de métaux conducteurs, qui sont connectés en boucle fermée. Si les deux jonctions sont à des températures différentes, un courant électrique est généré dans la boucle.
Le radioisotope retenu doit avoir une demi-vie assez courte, afin de pouvoir produire suffisamment d'énergie. On choisit des demi-vies de l'ordre de quelques dizaines d'années. Il s'agit le plus souvent de plutonium 238, sous forme de dioxyde de plutonium 238PuO2, un puissant émetteur α dont la période radioactive est de 87,74 ans (32 046 jours). Le premier radioisotope utilisé a été le polonium 210 en raison de sa période plus courte (seulement 138,38 jours) et donc de sa très grande puissance de rayonnement, tandis que l'américium 241 offre une alternative moins puissante mais cinq fois plus pérenne en raison de sa période de 432,2 années (environ 157 850 jours) :
| Radioisotope | 241Am | 238Pu | 210Po |
|---|---|---|---|
| Période radioactive | 432,2 ans | 87,74 ans | 138,38 jours |
| Puissance spécifique | 106 W/kg | 567 W/kg | 140 000 W/kg |
| Matériau radioactif | 141AmO2 | PuO2 à 75 % de 238Pu | Po à 95 % de 210Po |
| Puissance initiale | 97,0 W/kg | 390,0 W/kg | 133 000 W/kg |
| Après 1 mois | 97,0 W/kg | 389,7 W/kg | 114 190 W/kg |
| Après 2 mois | 97,0 W/kg | 389,5 W/kg | 98 050 W/kg |
| Après 6 mois | 96,9 W/kg | 388,5 W/kg | 53 280 W/kg |
| Après 1 an | 96,8 W/kg | 386,9 W/kg | 21 340 W/kg |
| Après 2 ans | 96,7 W/kg | 383,9 W/kg | 3 430 W/kg |
| Après 5 ans | 96,2 W/kg | 374,9 W/kg | 14 W/kg |
| Après 10 ans | 95,5 W/kg | 360,4 W/kg | 0 W/kg |
| Après 20 ans | 93,2 W/kg | 333,0 W/kg | 0 W/kg |
| Après 50 ans | 89,5 W/kg | 262,7 W/kg | 0 W/kg |
Les isotopes 242Cm et 244Cm ont également été proposés sous forme Cm2O3 en raison de leurs propriétés particulières :
-
- Le curium 242 donne du plutonium 238 par désintégration α avec une période radioactive de 162,79 jours, ce qui en fait potentiellement un radioisotope à « double détente » puisque son produit de désintégration est à son tour utilisable comme source d'énergie pour générateur à radioisotope.
- Le curium 244 donne du plutonium 240 par désintégration α avec une période de 18,10 ans.
Avec une puissance spécifique respectivement de 98 kW/kg pour le 242Cm2O3 et de 2,27 kW/kg pour le 244Cm2O3, ces céramiques présentent néanmoins l'inconvénient d'émettre un flux important de neutrons en raison d'un taux de fission spontanée respectivement de 6,2 × 10-6 et 1,4 × 10-6 par désintégration α, ce qui nécessite un blindage plusieurs dizaines de fois plus lourd qu'avec le 238PuO2.
