EP4448967A1 - Utilisation d'un nouveau type d'ergol pour la propulsion electrique - Google Patents

Utilisation d'un nouveau type d'ergol pour la propulsion electrique

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Publication number
EP4448967A1
EP4448967A1 EP22850726.5A EP22850726A EP4448967A1 EP 4448967 A1 EP4448967 A1 EP 4448967A1 EP 22850726 A EP22850726 A EP 22850726A EP 4448967 A1 EP4448967 A1 EP 4448967A1
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EP
European Patent Office
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propellant
electric
propulsion
electric propulsion
thrusters
Prior art date
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Pending
Application number
EP22850726.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pascal LEMAIRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K3/00—Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/30—Materials not provided for elsewhere for aerosols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G43/00—Compounds of uranium
    • C01G43/04—Halides of uranium
    • C01G43/06—Fluorides
    • C01G43/063—Hexafluoride (UF6)

Definitions

  • the invention relates to the use of a new type of propellant for electric propulsion and, in particular, space electric propulsion.
  • propulsion is based on the exchange of momentum between an ejected material and the propulsion device, the ejected material being able to consist of:
  • Electric propulsion also called plasma propulsion or ion propulsion, makes it possible, thanks to a separation between the energy source and the material to be ejected, to reach a high ejection speed, which thus induces a very high propellant consumption. weak, unlike chemical propulsion.
  • electric propulsion is used in the space field and, more specifically, in the propulsion of satellites, it is thus possible to reduce the mass of the propelled satellites and, thus their cost of launch or, moreover, to lengthen the duration of a mission and increase its impact.
  • electric propulsion allows gains in capacity and costs and allows the performance of maneuvers and missions that would otherwise be difficult to achieve.
  • electric propulsion is provided mainly and operationally by two technologies relatively similar: electric thrusters with grids and Hall effect thrusters, these two technologies differing in the way of generating the electric field at the origin of the ion ejection, the electric field being generated thanks to two polarized grids for the electric thrusters grids and being generated by the combination of a magnetic field and an electrostatic potential difference between an anode and a cathode for Hall effect electric thrusters.
  • - rare gases such as xenon used mainly or krypton or argon;
  • - solid propellants such as iodine, magnesium or zinc.
  • Electric propulsion can also be provided, to date but still at the prototype stage, by thrusters known as “electronegative thrusters” consisting of using both positive ions and negative ions for thrust, which conventionally requires the management of two propellants, a propellant capable of generating positive ions (for example, argon) and a propellant capable of generating negative ions (for example, sulfur hexafluoride) under a similar pressure, the use of two types of propellant, however, resulting in excess weight that is detrimental to propulsion performance.
  • electronegative thrusters consisting of using both positive ions and negative ions for thrust, which conventionally requires the management of two propellants, a propellant capable of generating positive ions (for example, argon) and a propellant capable of generating negative ions (for example, sulfur hexafluoride) under a similar pressure, the use of two types of propellant, however, resulting in excess weight that is detrimental to propulsion performance.
  • the invention relates to the use of depleted uranium hexafluoride UFe, as propellant in an electric thruster and, more particularly, in an electric space thruster.
  • propellant corresponds to the notion known by the English terminology “propellent” which can also be designated by propellant gas.
  • depleted uranium hexafluoride corresponds to uranium hexafluoride whose uranium has an isotopic composition comprising a low abundance of light isotopes, and, more specifically between 0.2 and 0.4% of 235 U, depleted uranium hexafluoride originating, in particular, from spent fuel reprocessing channels.
  • depleted uranium hexafluoride being in particular available via the discharge from isotopic separation plants of fluorinated natural uranium (eg George Besse 2 (GBII) depleted uranium);
  • uranium hexafluoride is capable of producing both positive ions (in this case, UFs + ) and negative ions (in this case, Fj during the ionization process;

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Abstract

La présente invention a trait à l'utilisation de l'hexafluorure d'uranium UF6 appauvri comme ergol dans un propulseur électrique.

Description

UTILISATION D'UN NOUVEAU TYPE D'ERGOL POUR LA PROPULSION ELECTRIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte à l'utilisation d'un nouveau type d'ergol pour la propulsion électrique et, en particulier, la propulsion électrique spatiale.
De manière générale, la propulsion s'appuie sur l'échange de quantité de mouvement entre une matière éjectée et l'engin à propulsion, la matière éjectée pouvant consister en :
-des gaz chauds résultant d'une réaction exothermique de combustion d'un ergol comprenant un carburant et un comburant, ces gaz étant éjectés par détente à haute température à travers une tuyère, ce cas de figure correspondant à de la propulsion chimique ; ou
-des particules chargées issues d'un plasma généré à partir d'un ergol, l'énergie pour créer le plasma et accélérer les ions de ce plasma en vue d'une éjection étant une énergie d'origine électrique, ce cas de figure correspondant ainsi à de la propulsion électrique.
La propulsion électrique, encore appelée propulsion à plasma ou propulsion ionique, permet grâce à une séparation entre la source d'énergie et la matière à éjecter, d'atteindre une grande vitesse d'éjection, ce qui induit ainsi une consommation d'ergol très faible, contrairement à la propulsion chimique. Lorsque la propulsion électrique est utilisée dans le domaine spatial et, plus spécifiquement, dans la propulsion des satellites, il est ainsi possible de réduire la masse des satellites propulsés et, ainsi leur coût de lancement ou, par ailleurs, allonger la durée d'une mission et en accroître son impact. Ainsi, en dépit d'un faible niveau de poussée et inférieur à celui de la propulsion chimique, la propulsion électrique permet des gains en capacité et en coûts et permet la réalisation de manœuvres et de missions difficilement réalisables autrement.
Actuellement, la propulsion électrique est assurée principalement et de manière opérationnelle par deux technologies relativement proches : les propulseurs électriques à grilles et les propulseurs à effet Hall, ces deux technologies différant dans la manière de générer le champ électrique à l'origine de l'éjection ionique, le champ électrique étant généré grâce à deux grilles polarisées pour les propulseurs électriques à grilles et étant généré par la combinaison d'un champ magnétique et d'une différence de potentiel électrostatique entre une anode et une cathode pour les propulseurs électriques à effet Hall.
Différents types d'ergols peuvent être utilisés dans ces propulseurs électriques et, en particulier :
-des gaz rares, tels que le xénon utilisé majoritairement ou encore le krypton ou l'argon ;
-des ergols solides, tels que du diiode, du magnésium ou du zinc.
La propulsion électrique peut être également assurée, à ce jour mais au stade encore de prototypes, par des propulseurs dits «propulseurs électronégatifs» consistant à utiliser à la fois des ions positifs et des ions négatifs pour la poussée, ce qui nécessite classiquement la gestion de deux ergols, un ergol apte à générer des ions positifs (par exemple, de l'argon) et un ergol apte à générer des ions négatifs (par exemple, de l'hexafluorure de soufre) sous une pression similaire, l'utilisation de deux types d'ergol engendrant toutefois un surpoids néfaste aux performances de propulsion.
Au vu de ce qui existe déjà, les inventeurs de la présente invention se sont fixé pour objectif de proposer un nouvel ergol pouvant être utilisé efficacement dans le cadre de la propulsion électrique et, plus particulièrement, de la propulsion électrique spatiale, en remplacement des ergols déjà utilisés dans ce domaine et, plus précisément, pouvant être utilisé dans tous types de propulseurs électriques, notamment dans les propulseurs électriques électronégatifs, sans nécessiter l'utilisation de deux ergols distincts. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ainsi, l'invention a trait à l'utilisation de l'hexafluorure d'uranium UFe appauvri, comme ergol dans un propulseur électrique et, plus particulièrement, dans un propulseur électrique spatial.
La notion d'ergol correspond à la notion connue sous la terminologie anglaise « propellant » pouvant être également désignée par gaz propulseur.
Classiquement, l'hexafluorure d'uranium appauvri correspond à de l'hexafluorure d'uranium dont l'uranium présente une composition isotopique comportant une faible abondance des isotopes légers, et, plus spécifiquement comprise entre 0,2 et 0,4 % de 235U, l'hexafluorure d'uranium appauvri provenant, en particulier, des filières de retraitement du combustible usé.
L'hexafluorure d'uranium appauvri comme ergol dans la propulsion électrique présente les avantages suivants :
-une tension de vapeur avec une limite de sublimation à température et pression quasi-ambiantes ;
-une bien meilleure poussée à puissance fixée, du fait que le gaz UFe est nettement plus lourd (352 g/mole) par rapport au xénon (131 g/mol) ;
-une gestion par la température uniquement de la densité de l'hexafluorure d'uranium propulsé, du fait que l'hexafluorure d'uranium très stable se sublime à des températures courantes permettant, ainsi, son transport sous forme cristallisée et n'impliquant ainsi plus une gestion de gaz liquéfiés ou cryogéniques ;
-des tests au sol simplifiés avec un vide dans l'enceinte d'essai obtenu par cryogénie et non pompage, la gestion de l'hexafluorure d'uranium étant bien connue des acteurs du cycle du combustible nucléaire ;
-un coût bien inférieur et une disponibilité bien supérieure à ceux du xénon, l'hexafluorure d'uranium appauvri étant en particulier disponible via le rejet des usines de séparation isotopique de l'uranium naturel fluoré (par exemple, l'uranium appauvri de George Besse 2 (GBII));
-une possibilité d'utilisation dans tous types de propulseurs électriques et notamment dans les propulseurs électriques électronégatifs, du fait que l'hexafluorure d'uranium est susceptible de produire tant des ions positifs (en l'occurrence, UFs+) que des ions négatifs (en l'occurrence, Fj lors du processus d'ionisation ;
-la possibilité d'être utilisé pour tous types de vols spatiaux, hormis ceux à forte gravitation et, en particulier, pour les vols spatiaux destinés à un changement d'orbite, une réorientation d'un satellite, un voyage interplanétaire, un évitement d'objets.
L'invention va maintenant être décrit au regard de l'exemple qui suit.
DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PARTICULIER
EXEMPLE
Un essai a été réalisé avec succès, en utilisant l'hexafluorure d'uranium dans un propulseur électrique à effet Hall d'une puissance de l'ordre du kilowatt. Par ailleurs, la section efficace d'ionisation particulièrement élevée peut s'accommoder de la large gamme de puissances disponible des propulseurs à effet Hall du marché.

Claims

5 REVENDICATIONS
1. Utilisation de l'hexafluorure d'uranium UFe appauvri comme ergol dans un propulseur électrique.
2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle le propulseur électrique est un propulseur électrique spatial.
EP22850726.5A 2021-12-17 2022-12-16 Utilisation d'un nouveau type d'ergol pour la propulsion electrique Pending EP4448967A1 (fr)

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