vignette|Photo du générateur à radio-isotope de la sonde Cassini.
Un générateur thermoélectrique à radio-isotope (en abrégé GTR ; en anglais , RTG) est un générateur électrique nucléaire de conception simple, produisant de l'électricité à partir de la chaleur résultant de la désintégration radioactive de matériaux riches en un ou plusieurs radio-isotopes, généralement du sous forme de dioxyde de plutonium . Aujourd'hui, la chaleur est convertie en électricité par effet Seebeck à travers des couples thermoélectriques : les générateurs produits au utilisaient des matériaux silicium-germanium ; ceux produits actuellement mettent en œuvre plutôt des jonctions PbTe/TAGS, leur efficacité énergétique n'atteignant jamais 10 %. Pour améliorer ces performances, les recherches actuelles s'orientent vers des convertisseurs thermoïoniques et des générateurs Stirling à radio-isotope, susceptibles de multiplier le rendement global par quatre.
De tels générateurs sont mis en œuvre en astronautique pour l'alimentation électrique des sondes spatiales, et plus généralement pour alimenter en électricité des équipements requérant une source d'énergie stable et fiable capable de fonctionner de façon continue sur plusieurs années sans maintenance directe — par exemple pour des applications militaires, sous-marines, ou en milieu inaccessible ; on avait ainsi conçu des générateurs miniatures pour stimulateurs cardiaques au 238Pu, aujourd'hui remplacés par des technologies reposant sur des batteries lithium-ion, et de tels générateurs de conception plus simple fonctionnant au ont été utilisés par le passé pour l'éclairage de certains phares isolés sur les côtes de l'URSS.
Principe de fonctionnement vignette|Schéma du GPHS-RTG des sondes Ulysses, Galileo, Cassini-Huygens et New Horizons. vignette|Rougeoiement d'une pastille de sous l'effet de sa propre désintégration radioactive.
En comparaison avec d'autres équipements nucléaires, le principe de fonctionnement d'un générateur à radio-isotope est simple. Il est composé d'une source de chaleur constituée 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. L'énergie thermique traversant les thermocouples est transformée en énergie électrique. Les thermocouples forment un module thermoélectrique, 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.
Choix des éléments radioactifs
Le radio-isotope retenu doit avoir une demi-vie assez courte, afin de fournir une puissance suffisante. On choisit des demi-vies de l'ordre de quelques dizaines d'années. Il s'agit le plus souvent de , sous forme de dioxyde de plutonium , un puissant émetteur de dont la période radioactive (demi-vie) est de (). Cet isotope est de loin le plus utilisé parce que, outre sa demi-vie particulièrement bien adaptée, il émet tout son rayonnement sous forme de , plus efficacement converties en chaleur que les et a fortiori que les .
Le premier radio-isotope utilisé a été le , en raison de sa période plus courte (seulement ) et donc de sa très grande puissance de rayonnement, tandis que l' offre une alternative moins puissante mais cinq fois plus pérenne que le en raison de sa période de (environ ) :
+ Variation dans le temps de la puissance d'un générateur thermoélectrique (GTR) pour trois radio-isotopes. Radioisotope 241Am 238Pu 210Po Période radioactive 432,2 ans 87,74 ans 138,38 jours Puissance spécifique 106 W/kg 567 W/kg Matériau radioactif à 75 % de 238Pu Po à 95 % de 210Po Puissance initiale 97 W/kg 390 W/kg Après 1 mois 97 W/kg 389 W/kg Après 2 mois 97 W/kg 389 W/kg Après 4,5 mois Après 6 mois 97 W/kg 388 W/kg Après 1 an 97 W/kg 387 W/kg Après 2 ans 97 W/kg 384 W/kg Après 5 ans 96 W/kg 375 W/kg 14 W/kg Après 10 ans 95 W/kg 364 W/kg 0 W/kg Après 20 ans 93 W/kg 333 W/kg 0 W/kg Après 50 ans 89 W/kg 263 W/kg 0 W/kgAprès 87,74 ans 195 W/kgAprès 432,2 ans 48 W/kg
Les isotopes 242Cm et 244Cm ont également été proposés sous forme 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 radio-isotope à « double détente » puisque son produit de désintégration est à son tour utilisable comme source d'énergie pour générateur à radio-isotope ; le curium 244 donne du plutonium 240 par désintégration α avec une période de 18,10 ans.
Avec une puissance spécifique respectivement de pour le et de pour le , 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 et 1,4 par désintégration α, ce qui nécessite un blindage plusieurs dizaines de fois plus lourd qu'avec le .
Conversion en électricité
Thermoélectricité
Les éléments thermoélectriques actuellement utilisés pour convertir en électricité le gradient de température généré par la désintégration des radio-isotopes sont particulièrement peu efficaces : entre 3 et 7 % seulement, n'atteignant jamais 10 %. Dans le domaine astronautique, ces « thermocouples » ont longtemps été réalisés en matériaux silicium-germanium, notamment dans les GPHS-RTG des sondes Ulysses, Galileo, Cassini-Huygens et .
La nouvelle génération, introduite par le MMRTG pour la mission Mars Science Laboratory, fonctionne avec une jonction dite PbTe/TAGS, c'est-à-dire tellurure de plomb PbTe / tellurures d'antimoine , de germanium GeTe et d'argent . L'empilage de plusieurs thermo-éléments permet de faire fonctionner chacun d'entre eux dans la plage de température où son rendement (facteur de mérite) est le meilleur.
La puissance électrique fournie par le système décroît au cours du temps pour deux raisons : d'une part, le radioélément voit sa puissance thermique diminuer suivant la loi classique : Pth = Ptho × 0,5(t / Θ) ; avec Pth : la puissance thermique, et Θ : la période du radionucléide ; d'autre part, l'écart de température entre la jonction chaude (au contact du radionucléide) et la jonction froide des thermocouples (au contact du radiateur) diminue de façon proportionnelle à la puissance thermique (loi de la conduction de la chaleur) ; le rendement des thermocouples est sensiblement proportionnel à l'écart de température entre les jonctions.
Il résulte de cela une évolution de la puissance électrique égale au comme le carré de la puissance thermique fournie par le radionucléide. En termes de puissance électrique tout se passe comme si la période du radionucléide était divisée par deux : Pe = Peo × 0,5(2 × t / Θ) ; avec Pe : la puissance électrique. Ceci renforce l'intérêt des radionucléides à période assez longue comme le plutonium 238 ou le strontium 90 (le 90Sr émetteur bêta pur lié à l'90Y est presque aussi performant que le 238Pu pour un coût nettement inférieur).
Autres modes de conversion
Des technologies plus novatrices reposant sur les convertisseurs thermoïoniques permettraient d'atteindre une efficacité énergétique comprise entre 10 et 20 %, tandis que des expériences recourant à des cellules thermophotovoltaïques, disposées à l'extérieur du générateur à radio-isotope classique équipé d'éléments thermoélectriques, pourraient théoriquement permettre d'atteindre des rendements proches de 30 %.
Les générateurs Stirling à radio-isotope (GSR, ou SRG en anglais), utilisant un moteur Stirling pour générer le courant électrique, permettraient d'atteindre une efficacité de 23 %, voire davantage en amplifiant le gradient thermique. Le principal inconvénient de ce dispositif est de comporter des pièces mécaniques en mouvement, qui sont sujettes à l'usure et causent des vibrations. Dans la mesure où cette technologie permettrait néanmoins de multiplier par quatre le rendement des GTR actuels, elle fait l'objet de recherches menées conjointement par le département de l'Énergie des États-Unis et la NASA en vue de développer un générateur Stirling à radio-isotope avancé (ASRG). Un ASRG a été proposé pour la sonde . (proposée pour amerrir sur Titan en 2023), par la NASA pour la mission TSSM dans le cadre de son programme .
Utilisations
Usage spatial vignette|Vue de l'assemblage de la sonde New Horizons au « PHOTO NO: KSC-05PD-2411 », NASA Kennedy Space Center Multimedia Gallery, 4 novembre 2005. intégrant un modèle grandeur nature du GTR, remplacé par le vrai générateur peu avant le lancement du .
La puissance reçue du Soleil décroît rapidement — selon une loi en 1/r2 — à mesure qu'on s'éloigne du centre du système solaire, ce qui rend très insuffisants les panneaux solaires sur les sondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radio-isotope afin de prendre le relais des panneaux solaires au-delà de l'orbite de Mars, comme les sondes Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, ou encore . Ces générateurs permettent également aux robots déposés en surface des planètes de fonctionner la nuit, lorsque les panneaux solaires sont dans l'obscurité : les six Apollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur la Lune utilisaient des GTR, comme les deux sondes martiennes Viking 1 et 2.
Un générateur thermoélectrique à radio-isotope est particulièrement bien adapté à la production d'une alimentation électrique stable, sur une longue durée, et pour maintenir opérationnels pendant plusieurs années les instruments embarqués dans les sondes interplanétaires. Ainsi, le générateur embarqué sur la sonde New Horizons est capable de fournir une alimentation électrique stable de sur plus de . Au bout de deux siècles, la puissance tombe à . Cependant, en raison du présent dans un GTR spatial, tout échec au décollage des lanceurs utilisés pour propulser la sonde présente un risque environnemental.
+ Principales caractéristiques des générateurs thermoélectriques à radioisotope de la NASA Caractéristique SNAP-19 SNAP-27 MHW-RTG GPHS-RTG MMRTGEn production non non non non oui Énergie électrique 40 W 70 W 157 W 285 W 120 WÉnergie thermique W 1430 W 2243 W 4215 W 2000 WMasse totale 15,2 kg 20 kg 38 kg 56 kg 45 kgMasse plutonium 3,8 kg 4,5 kg 7,6 kg 4,8 kgThermo-couples PbTe/TAGS Silicium-germanium Silicium-germanium PbTe/TAGSTempératures jonctions chaude/froide ? ? 1000°C-300°C 1000°C-293°C ? - 210°CRatio énergie/masse 2,6 W. 3,5 W 4,2 W 5,1 W 2,8 WRendement 4,9% 6,5% 6,3% Dimensions extérieures 46 cm x ∅ 41 cm 58 cm x ∅ 40 cm 114 cm x ∅ 42 cm 67 cm x ∅ 64 cmExemples de mission Pioneer 10 et 11 (1972), Viking 1 et 2 (1975) Apollo 12 à 17 (1969-1972) Voyager 1 et 2 (1977) Galileo (1989), Cassini-Huygens (1997) Mars Science Laboratory (2011), Mars 2020 (2020), Dragonfly (2028)
Usage terrestre