Radioisotope thermoelectric generators or RTGs are great machines to obtain a modest amount of electric power (and a lot more heat) in remote areas with no maintenance, but the output cannot be modulated and the fuel pellets are radioactive from the start.

I imagined a controllable variant based on pyroelectric fusion where a pyroelectric crystal is heated to generate high voltages, accelerating deuterium ions into a target also containing deuterium with sufficient kinetic energy to cause nuclear fusion.

The neutrons produced by fusion will activate radioisotope precursors which will then generate beta radiation that can be exploited as a source of non-thermal energy. I used a 1960 report on radioisotope selection for RTGs (PDF) to narrow down the usable precursors to gaseous krypton or solid tin, but other elements are possible like bismuth-209 which produces Polonium-210.

Les générateurs radio-isotopiques thermoélectriques (RTG en anglais) sont très bien pour obtenir une quantité modeste de courant (et bien plus de chaleur) dans des régions reculées sans possibilité de maintenance, but le courant en sortie n'est pas modulable et les isotopes sont radioactifs dès le départ, ce qui complique le transport.

J'ai imaginé une version contrôlable basée sur la fusion pyroélectrique où un cristal pyroélectrique est chauffé pour générer une haute tension qui sert à accélérer des ions deutérium vers une cible contenant aussi du deutérium avec suffisamment d’énergie cinétique pour causer une fusion nucléaire. Les neutrons produits par fusion vont activer des précurseurs de radio-isotopes qui vont ensuite générer des rayons bêta (électrons énergétiques) qui peuvent be exploités comme source d'énergie non-thermique.

J'ai employé un rapport de 1960 sur la sélection des isotopes pour les RTGs pour filtrer les précurseurs utilisables au krypton gazeux ou à l'étain solide, mais d'autres éléments sont possibles comme le bismuth-209 qui donne du Polonium-210.

This concept is based on the LOPO/HYPO/SUPO experiments (PDF) in the 1940s, using a aqueous solution of uranium as the fuel. In this case, the fuel is pressurized in order to increase its boiling temperature and thus the efficiency of the thermodynamic cycle, but only in the core to minimize the amount of high-pressure steel required.

Ce concept est basé sur les réacteurs expérimentaux LOPO/HYPO/SUPO construits dans les années 1940, qui utilisaient une solution aqueuse d'uranium comme carburant. Dans le cas présent, la solution est pressurisée pour augmenter sa température d’ébullition et donc l’efficacité du cycle thermodynamique, mais seulement dans le cœur pour réduire la quantité nécessaire d'acier à haute-performance.

This fusion power concept is a direct derivative of the Gradient Field Imploding Liner space propulsion system studied by NASA.

If you need to launch 10 fusion pellets per second for hours, the first off-the-shelf system I think of is the Vickers machine gun... But you need another acceleration system to reach the 10-20 km/s needed for fusion. The internal piston in the cartridge avoids contamination of the vacuum chamber by the powder residues and allows to reach higher speeds thanks to the helium.

Ce concept de réacteur à fusion est un dérivé direct du système de propulsion spatiale Gradient Field Imploding Liner de la NASA.

Quand on doit lancer 10 billes de matériau fusible par seconde pendant des hors, le premier système existant qui m'est venu à l'esprit est la mitrailleuse Vickers... mais il faut un autre système d'accélération pour atteindre les 10 à 20 km/s nécessaires pour obtenir la fusion. Le piston interne dans la cartouche sert à éviter la contamination de l'enceinte sous vide par des résidus de poudre et à augmenter la vitesse en sortie de canon grâce à l'emploi de l'hélium.

Transportable nuclear reactors for remote power applications were build during the Cold War by both the United States and the Soviet Union, with more recent projects underway. The combination of a nuclear heat source, heat pipe and Stirling engine has been tested at small scale with the DUFF (Desktop Using Flattop Fissions) experiment in 2012.

This version uses a liquid moderator, communicating vessels and an air pump to regulate the criticality of the core. If the scram valve is opened, the air pressure equalizes and the moderator drains into the reserve tank.

Les États Unis et l'Union Soviétique ont construit durant la guerre froide des réacteurs nucléaires transportables pour la production d'énergie dans des régions reculées, et des projets plus récents sont en cours de développement. La combinaison d'une source de chaleur nucléaire, d'un conduit caloporteur et d'un moteur Stirling a été testée à petite échelle avec l’expérience DUFF (Desktop Using Flattop Fissions) en 2012.

Cette version emploie un modérateur liquide, le principe des vases communicants et une pompe à air pour réguler la criticité du cœur. Si la valve d'urgence est ouverte, la pression de l'air s’égalise et le modérateur s'écoule dans le réservoir de réserve.

One almost unknown variant of reactor is the nuclear piston engine, where a gaseous mix of enriched uranium hexafluoride and helium is used as the fuel and working fluid in a piston engine of conventional design. It was the subject of a numerical simulation PhD thesis (PDF) in 1976 but was not built to my knowledge. The drawing shows a opposed-piston version which increases efficiency, taking inspiration from early aircraft engines driving contra-rotating propellers directly like the Dutheil-Chalmers Éole.

Une variante presque oubliée de réacteur nucléaire est le moteur nucléaire à piston, où un mélange gazeux d'hexafluorure d'uranium enrichi et d'hélium est employé comme combustible et caloporteur dans l'équivalent d'un moteur à combustion interne. Ce type de moteur a fait l'objet en 1976 d'une thèse de doctorat en simulation numérique mais n'a pas été testé à ma connaissance. Le dessin présente une version à pistons opposés qui améliore l’efficacité, en prenant inspiration du moteur Dutheil-Chalmers Éole qui entraînait directement des hélices contra-rotatives.

Most nuclear reactors are operated in steady-state, but some can be pulsed without meltdown like the TRIGA research reactor. This pulsed operation principle is pushed further in the Pulsed Solid-core Nuclear Thermal Rocket proposal, where the neutron pulses heat the propellant directly through collisions rather than heat transfer. This allows the propellant to get hooter than the reactor, but additional cooling is required to avoid fuel meltdown. The idea to employ internally-cooled hollow fuel rods came from the use of sodium-filled valves in some aircraft/motorcycle engines during the interwar period.

La plupart des réacteurs nucléaires fonctionnent en régime stationnaire, mais certains peuvent être pulsés sans se mettre à fondre comme le réacteur de recherche TRIGA. Ce principe de fonctionnement pulsé est poussé encore plus loin dans le projet de Fusée Nucléaire Thermique Pulsée à cœur solide, où les impulsions de neutrons chauffent le gas propulseur directement par collisions plutôt que par transfert de chaleur. Cela permet au gas propulseur de devenir plus chaud que le réacteur, mais du refroidissement additionel est requis pour éviter la fonte du combustible. L'idée d'utiliser des éléments de combustible creux avec un canal de refroidissement interne provient de l'emploi de valves remplies de sodium dans certains moteurs d'avion/moto durant la période de l'entre-deux-guerres.

Radioisotope thermoelectric generators (RTG) are used for low-power applications in remote and harsh environments during extended periods of time. They generate electricity from the heat of radioactive source via a series of thermocouples, with a conversion efficiency around 5%.

One possible way to boost the output of a RTG is to use a thermoacoustic heat engine, where the temperature difference generates sound waves which are converted into electricity by a microphone. Their conversion efficiency is about 20-30%.

One interesting possibility is the use of Chargeable Atomic Batteries (CAB) as the heat source. They are capsules of non-radioactive precursors which are activated inside a nuclear reactor just prior to assembly, making them cheaper and safer than conventional radioactive sources.

Un Générateur Radioisotopique Thermoélectrique (RTG en anglais) est employé pour des applications de faible puissance à longue durée dans des environnements reculés et difficiles. Il génère de l’électricité à partir de la chaleur d'une source radioactive via une séries de thermocouples, avec une efficacité de conversion d'environ 5%.

Une manière d'augmenter la puissance d'un RTG est d'utiliser un moteur thermoacoustique, où la différence de température crée des ondes sonores qui sont converties en électricité par un microphone. Son efficacité de conversion est d'environ 20 à 30%.

Une possibilité intéressante est l'emploi de Batteries Atomiques Chargeables comme source de chaleur. Ce sont des capsules de précurseurs non-radioactifs qui sont activés dans un réacteur nucléaire juste avant l'assemblage, ce qui les rend moins chères et moins dangereuses que les sources radioactives conventionnelles.

This concept came from a reflection on the minimal tech level needed for a nuclear powerplant. Using natural uranium as fuel restricts the moderator to graphite or heavy water and the coolant to (heavy) water or gas. I selected a graphite-air combination, but was not sure how to best employ the heat generated.

Then I read the following article on the Pennsylvania Railroad S1 locomotive, which used for static exhibition a display stand with electric generators under the drive wheels (third photo at the link).

Combining the two ideas gives you a relatively simple powerplant where the locomotive generates electricity with the hot air coming from the reactor. The locomotive can be easily disconnected and moved for maintenance or upgrade. Or course, you could use a non-nuclear source of heat like oil, (bio)diesel, biogas or concentrated solar.

Ce concept vient d'un réflexion sur le niveau minimal de technologie nécessaire pour une centrale nucléaire. Utiliser de l'uranium naturel limite le modérateur au graphite ou à l'eau lourde et le refroidissement à l'eau (lourde) ou au gaz. J'avais sélectionné une combinaison graphite-air, mais je n'étais pas sûr du meilleur moyen d'utiliser la chaleur générée.

Puis j'ai lu un article sur la locomotive Pennsylvania Railroad 6-4-4-6 S1, où on voit une locomotive perchée sur un stand spécial avec des générateurs électriques sous les roues motrices.

Combiner les deux idées me donne une centrale relativement simple, où la locomotive génère de l'électricité à partir de l'air chaud venant du réacteur. La locomotive peut être facilement déconnectée et déplacée pour maintenance ou amélioration. Bien sûr, on peut employer une source non-nucléaire de chaleur pour générer l'air chaude, comme le pétrole, le (bio)diesel, le biogaz ou le solaire à concentration.

This idea came after watching a good introductory video about thermoacoustics, a field of thermodynamics about the conversion of a heat difference into sound waves and vice-versa. It lead me into a rabbit hole where I found a paper (PDF) proposing thermoacoustic generators for space missions, one being powered by a radio-isotopic heat source.

I wonder if a small modular nuclear reactor using thermoacoustics to extract useful work could be designed and built. However current thermoacoustic heat engines are rather small, so large-scale tests with a non-nuclear heating equivalent must be conducted.

Cette idée m'est venue après avoir visionné une bonne vidéo d'introduction à la thermoacoustique, un domaine de la thermodynamique qui s’intéresse à la conversion d'une différence de température en ondes sonores et vice-versa. J'ai ensuite trouvé un papier proposant plusieurs générateurs thermoacoustiques pour des missions spatiales, dont l'un d'entre eux utilise une source de chaleur radio-isotopique.

Je me demande si un petit réacteur nucléaire modulaire pourrait utiliser un système thermoacoustique pour extraire du travail utile de la chaleur produite par le cœur. Les moteurs thermoacoustiques existants sont cependant très modestes, donc des tests à grand échelle avec un équivalent non-nucléaire du cœur seront nécessaires.