GREP Midi-Pyrénées Cycle 2014 – 2015 « Le Nucléaire
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GREP Midi-Pyrénées Cycle 2014 – 2015 « Le Nucléaire » GREP Midi-Pyrénées Cycle 2014 – 2015 « Le Nucléaire » Atelier 3 – 6 février 2015 Les applications industrielles des radioéléments 1 – Quels sont les domaines techniques concernés ? 2 – Quels utilisateurs ? 3 – Statistiques d’utilisation en France 4 – Quelques informations relatives à la réglementation & à la sécurité 5 – Quelques exemples concrets d’utilisation Animateur : Jean Louis BOUTAINE 4 domaines d’applications : A - L’irradiation B - L’instrumentation de contrôle, de mesure ou d’analyse C – Les traceurs D – Les sources d’énergie Principaux domaines techniques d’utilisation A - L’irradiation - On met à profit les modifications induites par un rayonnement ionisant intense lorsqu’il interagit avec la matière - Ceci est réalisé dans des installations lourdes, chargées de sources scellées de cobalt 60 de très forte activité ou utilisant un accélérateur (faisceau d’électrons ou de rayonnement X ou de freinage) - Cela concerne la chimie sous rayonnement (modification de matériaux tels que plastiques, isolants, caoutchouc, peintures…), la stérilisation de produits médicaux à usage unique, la conservation de denrées alimentaires, la désinfestation de collections d’objets (musées, archives) B - L’instrumentation de contrôle, de mesure ou d’analyse On utilise les interactions d’un faisceau de rayonnement avec les constituants d’un objet, en détectant les rayonnements transmis ou secondaires L’instrumentation de contrôle, de mesure ou d’analyse Ceci concerne deux types d’activité : - La radiographie gamma (iridium 192, cobalt 60, sélénium 75), l’une des techniques majeures du contrôle non-destructif dans le génie civil, les industries pétrolières & gazières, l’aéronautique & l’aérospatial, la construction navale, la production électrique, l’automobile, la chaudronnerie, la fonderie… - L’instrumentation : - mesure de paramètres physiques en ligne sur chaîne de fabrication - jauges d’épaisseur, grammage, densité, niveau, taux de vide… dans la métallurgie, le papier, les plastiques, le bois, le caoutchouc, le textile… - analyse élémentaire en laboratoire de contrôle ou sur le terrain - instruments portables (humidimètres, densimètres) en génie civil ou agronomie - sondes de diagraphie dans les forages en prospection : pétrole, gaz naturel, charbon, minerais, ou géotechnique, hydrogéologie… C – Les traceurs On utilise la très grande sensibilité de détection d’un produit radioactif pour « tracer » des produits en mouvement (sédiments dans un chenal portuaire, sève dans un végétal, catalyseur dans une raffinerie de pétrole…) Les principaux domaines concernent : les études de synthèse en chimie ou pharmacie, l’optimisation ou la modélisation de procédés en génie chimique, les diagnostics de dysfonctionnement sur des installations industrielles, la détection de fuites, les études en agronomie, sédimentologie, hydrologie de surface ou souterraine, migration de polluants, pesticides, engrais... dans l’environnement. D – Les sources d’énergie L’énergie dégagée lors de la désintégration du radioisotope est utilisée comme source de chaleur, elle-même convertie en électricité. De tels générateurs radioisotopiques d’électricité, sont actuellement principalement utilisés pour l’alimentation de véhicules spatiaux à mission lointaine (panneaux solaires insuffisants), chargés de sources de plutonium 238 & probablement encore pour l’alimentation de balises sous marines militaires (chargées de sources de strontium-yttrium 90) Quels utilisateurs ? L’utilisation industrielle des radioéléments en France demeure importante, tant du point de vue quantitatif que du point de vue économique. Selon le rapport annuel 2012 de l’ASN, 5900 établissements industriels sont autorisés à détenir & utiliser des radioéléments. Approximativement 2/3 des 100 plus grandes entreprises industrielles ont utilisé ou utilisent actuellement des radioéléments : Total (yc ELF), GDF-Suez, EDF, Peugeot-Citroën, Saint-Gobain, Véolia, Renault, Vinci, Sanofi-Aventis, Airbus (ex Aérospatiale), Air-France, Alstom, Dior, L’Oréal, LVMH, Lafarge, Michelin, Eiffage, L’Air Liquide, Colas, SafranSNECMA-Turbomeca, Esso-F, Bouygues, Areva (ex COGEMA + Framatome), Eurovia, Nexans… + Arcelor-Mittal, Constellium (ex Péchiney)… Parmi les organismes publics de recherche : CETIM, CNES, CNEXO (ex IFREMER), CTBA, CTIF, IFP, INRA, IRSID, LCPC, ONERA, STCAN, STCPMVN… Panorama mondial des constructeurs d’instrumentation mettant en oeuvre des radioisotopes Constructeurs d’instrumentation radioisotopique (enquête web novembre 2012) Type d’équipement Nombre Appareil de radiographie gamma 8 Analyseurs par fluorescence X (portable, laboratoire, contrôle en ligne – radioisotopique ou rayons X) 26 Autres analyseurs 2 Jauges en ligne (niveau, densité, grammage, épaisseur, épaisseur de revêtement, taux de vide, imageurs...) 40 Jauges de terrain - génie civil ou agronomie (humidité, humidité/densité) 6 Sondes de diagraphie (exploration pétrole, gaz, charbon, minerais) 10 Total 92 NB : basé sur une veille portant principalement sur Etats-Unis, Canada, Royaume-Uni, France, Allemagne, Afrique du Sud, Japon & Inde Entreprises autorisées à détenir & utiliser des radioéléments en France (rapport ASN 2012) Nombre d’entreprises utilisant des sources scellées Types d'utilisation 2006 2012 Irradiateurs industriels 6 7 Appareils de radiographie gamma (pétrole, génie civil, aéronautique) 140 106 Jauges de densité ou de pesage 289 138 Jauges d'épaisseur, de grammage ou d’épaisseur de revêtement 380 132 Indicateurs de niveau 289 78 Analyseurs par fluorescence X (mines, détection du plomb / habitat) 1848 3825 Autres analyseurs 80 51 Chromatographes à capture d'électrons 506 348 Mesureurs de concentration de poussières dans l'atmosphère 70 33 Jauges de terrain - densité, humidité (génie civil, agronomie) 269 240 Sondes de diagraphie (pétrole, gaz naturel, charbon, minerais, hydrogéologie) 13 15 Utilisations industrielles diverses 61 37 Etalonnage d'instrumentation 806 705 Recherche 19 30 Education, formation 133 160 Total 4903 5905 Nombre d’entreprises utilisant des sources non scellées (dont traceurs) 894 Quelques informations relatives à la sécurité en France - Décret n° 2003-296 du 31 mars 2003 relatif à la protection des travailleurs contre les dangers des rayonnements ionisants - Personne compétente en radioprotection - CAMARI – Certificat d’Aptitude à Manipuler les Appareils de Radiographie Industrielle - Conducteurs de transports radioactifs - Inspecteurs du travail - Sapeurs Pompiers - Rôle de l’ASN – Autorisations de distribuer des matériels mettant en œuvre des radioéléments & autorisations de détenir & manipuler des radioéléments - Rôle de l’ANDRA – Collecter & entreposer tous les déchets nucléaires (des domaines médical, industriel ou électronucléaire) Quelques exemples concrets d’utilisation Irradiation - Stérilisation d’articles médicaux ou chirurgicaux à usage unique - Ionisation des aliments - Désinfestation de collections (musées, archives…) - Plastiques thermorétractables, réticulation d’isolants de câbles électriques, durcissement de laques sur tôles - Parquet bois densifiés (Huot) - Procédé Nucléart Schéma d’une installation d’irradiation industrielle type Quelques informations sur le traitement des aliments par ionisation - En Europe : 8 000 tonnes d’aliments ont été traités en 2012 dans les pays de l’Union Européenne, principalement en Belgique (65 %), Pays-Bas (19 %) & France (8 %). 3 principaux produits : cuisses de grenouille (36 %), viande de volailles (35 %) & herbes séchées & épices (15 %) - Dans le reste du monde : 18 000 tonnes de fruits & légumes exportés par 6 pays : Mexique (56 %), Etats-Unis (31 %), Thaïlande (5 %), Vietnam (5 %), Australie (3 %) & Inde (1%). 3 principaux produits : goyave (50 %), patate douce (29 %) & citron (3 %) Symbole du traitement des aliments par ionisation Liste des produits agroalimentaires autorisés en France (secs - frais – congelés) Objectif Dose légale (en kGy) Date autorisation Stérilisation 25 - 40 17/10/1975 Épices et aromates Débactérisation 11 01/09/1982 Aulx, oignons et échalotes Anti-germination 0,15 21/06/1984 Viande de volaille Décontamination 5 06/02/1985 Légumes déshydratés Débactérisation 10 17/05/1985 Gomme arabique Débactérisation 9 17/05/1985 Flocons et germes de céréales Débactérisation 10 17/05/1985 Aseptiser 10 12/08/1986 Stérilisation 25 12/08/1986 Sang, plasma, cruor déshydratés Débactérisation 10 19/11/1986 Légumes et fruits secs Désinsectisation 1 06/01/1988 Cuisses de grenouilles congelées Décontamination 4 03/05/1988 Débactérisation 5 04/11/1988 Prolongation de la conservation 3 29/12/1988 Débactérisation 10 15/05/1990 Viande de volaille hachée broyée ou morcelée Décontamination 5 27/08/1990 Blanc d’œuf liquide déshydraté ou congelé Décontamination 4 01/10/1990 Crevettes décortiquées ou étêtées congelées Décontamination 5 02/10/1990 Caséine et caséinate Débactérisation 6 17/07/1991 Fruits secs (abricots, figues, raisins, dattes) Débactérisation 6 17/07/1991 Colostrum bovin congelé Débactérisation 10 09/01/1992 Camembert au lait cru Décontamination 2,25 - 3,5 23/03/1993 Abats de volailles fraîches Décontamination 1,5 - 3 30/05/1997 Produits Aliments pour animaux de laboratoires Emballages « Bag in box » Emballages « Bag in box » si demande à DGCCRF Farine de riz Fraises Herbes aromatiques surgelées Exemples de produits de la chimie sous rayonnement Manchons thermorétractables (Raychem (USA), Acome (FR)) Quelques œuvres désinfectées par irradiation Pieta XV ème, bois avec traces de polychromie, Saint-Aupre près de Voiron (Isère), Musée Dauphinois Grenoble, stérilisation par irradiation, puis présentation en vitrine étanche Quelques œuvres consolidées par le procédé Nucléart Arceau de selle XI ème , bouleau, 190x290 mm, Charavines (Isère), Musée Dauphinois Grenoble Vierge XIV ème, bois, Flavigny sur Ozerain (Côte d’Or) Quelques œuvres consolidées par le procédé Nucléart Parquet du Musée Stendhal (Grenoble) Quelques réalisations de parquets en bois densifiés Quelques exemples concrets d’utilisation Radiographie, jauges, analyse, diagraphie Quelques exemples de sources radioisotopiques scellées Américium 241, fenêtre mince, gamma mou, jauges Iridium 192 ou cobalt 60, double capsule, gamma dur, radiographie Américium 241-béryllium, double capsule, neutrons, diagraphie forage Radiographie La radiographie gamma (iridium 192, cobalt 60, sélénium 75), est l’une des techniques majeures du contrôle non-destructif dans le génie civil, les industries pétrolières & gazières, l’aéronautique & l’aérospatial, la construction navale, la production électrique, l’automobile, la chaudronnerie, la fonderie… Radiographie Selon l’épaisseur, la densité, la nature du ou des matériaux constitutifs de l’objet à contrôler on peut mettre en œuvre différentes sources : - les particules pour les feuilles de papier, - les rayons X dits « mous » (HT < 100 kV) pour les objets minces légers (aluminium, bois, plastiques, céramiques…), - les rayons X dits « durs » (100 kV < HT < 450 kV) pour les objets plus absorbants d’épaisseur moyenne (aciers, bronze, pierres, béton…), - les rayons (sélénium 75, iridium 192, cobalt 60) pour les objets très absorbants de forte épaisseur (aciers, bronze, pierres, béton…), - les accélérateurs (linéaires ou bêtatrons) pour les objets très absorbants de très forte épaisseur (aciers, bronze, pierres, béton, propulseurs solides spatiaux…), - les neutrons, pour les matériaux hydrogénés à l’intérieur de structures métalliques Exemples de bêtagraphie de manuscrits sur papier vergé filigrané (début XVIIème) mettant en évidence la texture du papier & le filigrane (source plaque 14C) Timbres Royal Mail de Victoria à Elizabeth II Photographie & bêtagraphie – A. Lemonnier (CEA – Saclay) Schéma de prise d’un cliché radiographique conventionnel Radiographie gamma Exemples de clichés radiographiques de référence en contrôle de soudure Fissure transversale Fissure longitudinale Radiographie gamma (iridium 192) du Masque d’or de Toutankhamon, à l’occasion de l’exhibition «Toutankhamon et son temps» - Petit Palais Paris (1967) - © SGS - Qualitest “La Nature se dévoilant à la Science” (1899), Louis Ernest Barrias (1841 – 1905), Musée d’Orsay, Paris Marbre & onyx polychrome d’Algérie, socle en granite, scarabée en malachite, ruban en lapis-lazuli (H. 200 ; L. 85 ; P. 55 cm) - Examen avant restauration radiographie gamma au cobalt 60 (1,3 MeV) - Collaboration C2RMF Versailles & CEA - Saclay (2003) Radiographie au défilement avec accélérateur (qq MV) Détection de stupéfiants et/ou d’explosifs dans les véhicules ou les conteneurs par le procédé PFNA Tomographie (ou tomodensimétrie) Le Poids aux Léopards de Shahi Tump L’objet a été découvert dans une tombe, dans la vallée du Kech, au Balouchistan, au Sud du Pakistan. Il appartient à la civilisation dite Shahi Tump – Makran (fin du 4ème millénaire – début du 3éme millénaire BC) - hauteur : 200 mm ; masse : 13.5 kg. La coquille (e = 3 mm) a été réalisée par fonderie à la cire perdue d’un alliage à base de cuivre (12.6 % Pb, 2.6 % As), puis remplie par une coulée de plomb (99.5 %). Elle est incrustée de léopards chassant des chèvres sauvages, réalisés en fragments de coquillages polis. Aucune identification de l’usage de l’objet n’a été donnée. Le Poids aux Léopards de Shahi Tump - Photographie Le Poids aux Léopards de Shahi Tump – Coupe tomodensimétrique réalisée avec un accélérateur de 8 MV (© CEA Grenoble) L’instrumentation (dite nucléonique ou radiométrique) : - mesure de paramètres physiques en ligne sur chaîne de fabrication - jauges d’épaisseur, grammage, densité, niveau, taux de vide… dans la métallurgie, le papier, les plastiques, le bois, le caoutchouc, le textile… - analyse élémentaire en laboratoire de contrôle ou sur le terrain - instruments portables (humidimètres, densimètres) en génie civil ou agronomie - sondes de diagraphie dans les forages en prospection : pétrole, gaz naturel, charbon, minerais, ou géotechnique, hydrogéologie… Instrumentation en ligne Applications Overview Applications Overview Thickness and Profile Measurement Hot Strip Mills Hot Plate Mills Cold Mills Process Lines Contrôleur de niveau de remplissage à cadence rapide – application sur chaîne de production de briquets jetables – absorption 90Sr-90Y Contrôleur de niveau de »restes » sur chaîne de remplissage de bouteilles de GPL – rétrodiffusion neutrons 252Cf Jauge de mesure de taux de résine sur rubans de préimprégnés composites (fibres de bore, carbone, kevlar, verre) – rétrodiffusion 241Am Jauge de mesure de masse surfacique de pâte de nickel enduite sur feuillard métallique – fabrication d’accumulateurs – absorption 90Sr-90Y Tomodensimètre (2D) par transmission ou X Analyseurs par fluorescence X Analyseur par fluorescence X de nodules polymétalliques sous-marins embarqué à bord du navire océanographique du CNEXO (IFREMER) Analyse automatique séquentielle de [Cr], [Mn], [Fe], [Co], [Ni] Analyseurs par fluorescence X portatifs Principaux emplois: - analyse de minerais sur site - tri de produits métalliques sur parc - détection du plomg dans l’habitat Analyseurs par fluorescence (,X) dans la recherche spatiale Lune - Mission Apollo 15 – module LRV Missions de Mars Surveyor 5, Mars Pathfinder à Philae - APXS Analyseur en ligne par gamma prompts (n,) – Application en cimenterie Mesure de teneur en poussières dans l’atmosphère par absorptiométrie Humidimètres-densimètres (n,n) & (,) de terrain Utilisation en génie civil Utilisation en agronomie Suivi du profil hydrique de sols cultivables Jauges utilisées en sédimentologie dynamique – gestion des estuaires & des chenaux d’accès portuaires – gestion des barrages Jauge à diffusion utilisée en point fixe pour établir des profils de turbidité Jauge à transmission tractée selon un mouvement sinusoïdal pour établir une cartographie de la turbidité dans une zone navigable ou en divers points d’une retenue Chasses de barrage DemiFond-CEA DemiFond-CREPE DemiFond-PYCNO Comparaison mesures CNR/CEA 30 25 concentration (g/l) 20 15 10 5 Station de mesure – vanne de fond 0 19/05/2003 00:00 20/05/2003 00:00 21/05/2003 00:00 22/05/2003 00:00 23/05/2003 00:00 temps (date heure) Station de mesure – mi profondeur canal de décharge Méthode Water + MES Source Détecteur ou générateur X CaF2 / NaI(Tl) NaI(Tl) 24/05/2003 00:00 25/05/2003 00:00 26/05/2003 00:00 27/05/2003 0 Chasses de barrage Vue du barrage en aval Jauge immergée – JTT4 Am 241- 11 GBq Domaine de mesure : 1 to 300 g/l ±1g/l Mesure sur circuit dérivé Jauge – SERES Am 241- 3.7 GBq Jauge pour déterminer le suivi de la saturation en pétrole & en saumure de carottes de roches pétrolifères : absorptiométrie dichromatique ( ou X) – problème inverse de l’ostéodensimètre) Carottes de roches pétrolifères - Photographie de coupes longitudinales - Coupes tomodensimétriques transversales Sondes de diagraphie (pétrole, gaz naturel, charbon, minerais, hydrogéologie…) Cartographie de densité, porosité, interfaces de couches géologiques, saumure/pétrole, teneur de minerais… Critères de choix d’un traceur radioactif : 1 - être représentatif du produit ou de la phase que l’on veut »tracer » dans une installation de laboratoire , une installation pilote ou dans une installation industrielle en fonctionnement ou encore un cours d’eau, une retenue de barrage, un estuaire, une nappe phréatique, un gisement pétrolier… 2 – être aisément détectable & donc mesurable 3 – avoir une période radioactive (demi-vie), ni trop courte, ni trop longue (typiquement qq h à qq j) 4 – être disponible à un coût acceptable en fonction des enjeux 5 - être sous la forme physique désirée (gaz, liquide, ou soluble dans l’eau, ou soluble dans l’huile, ou encore solide pulvérulent). Parfois on active superficiellement la pièce mécanique à étudier Si le composé n’est pas lui-même activable, on dispose d’une palette de substitution : - principaux traceurs gazeux : 41A, 85Kr, CH382Br, 133Xe… - principaux traceurs en phase liquide : 24Na, 99mTc, 113mIn, 131I… - principaux traceurs solides : poudres de verre dopé à 198 Au, 51Cr… Utilisation de traceurs en hydrologie - mesure de débit de cours d’eau, - détermination des échanges entre cours d’eau & nappe phréatique, - détection, localisation & quantification des fuites sur retenues de barrage - étude de la circulation de l’eau souterraine & des polluants éventuels dans les zones karstiques, - détermination préventive de la diffusion des polluants dans les périmètres urbains protégés (délai d’apparition, temps & concentration maximale en pic de pollution…) Utilisation de traceurs en sédimentologie dynamique - étude des transports sédimentaires en suspension & par charriage dans les fleuves, les estuaires, les lacs, les zones côtières, - étude de la stabilité des côtes, - optimisation des dragages des chenaux d’accès portuaires, - étude d’impact préalable à la création de ports artificiels ou d’aéroports gagnés sur la mer & les conséquences sur la stabilité du littoral, - étude des échanges eau salée/eau douce/vases dans les estuaires, Utilisation de traceurs en sédimentologie dynamique Quelques « chantiers » significatifs En France : - Extension des ports de Marseille-Fos, Le Havre-Antifer, Bordeaux-Le Verdon - Etude de la dynamique des estuaires de la Seine, de la Loire & de la Gironde - Modélisation de la « pollution mécanique » des rivières sujettes à l’extraction de sables & graviers - Contrôle de l’impact des chasses décennales des grands barrages de la CNR sur le Rhône -A l’étranger : - Construction du port artificiel de Zeebrugge (Belgique) - Construction de l’Aéroport de Changi (Singapour) - Extension du port de Belawan (Sumatra – Indonésie) - Modification du littoral, suite au tremblement de terre de Valdivia (Chili) - Gestion des sédiments dans le Tonlé Sap (Cambodge) - Formation d’équipes dans ce domaine au Brésil, Uruguay, Chili, Canada, Algérie, Maroc, Inde, Pakistan, Sri Lanka, Singapour, Indonésie, Albanie, Bulgarie, Turquie… Aéroport de Changi (Singapour) Utilisation de traceurs en génie chimique Les grands utilisateurs : - pétrole, pétrochimie, chimie - cimenterie - métallurgie - traitement des eaux usées, des effluents Utilisation de traceurs en génie chimique Schéma de principe de l’étude in situ d’un écoulement par injection & détection d’un traceur (radioactif ou autre) Utilisation de traceurs en génie chimique 1 – Schéma de principe 2 – Courbe de sortie 3 – Détermination de la distribution des temps de séjour : piston parfait, mélangeur parfait, échangeur imparfait & malaxeur imparfait Montage de 6x6 détecteurs pour tomographie d’émission (SPECT) Quelques exemples d’utilisation de traceurs & de modélisation en mécanique des fluides pour étudier les mouvements dans les réacteurs chimiques Traceurs en génie mécanique Utilisation de l’activation superficielle pour mesurer l’usure de pièces mécaniques sur banc d’essais Montage sur un moteur 4 cylindres Diesel Peugeot Exemple d’utilisation de traceur en agronomie Autoradiographie montrant le métabolisme de deux engrais dans des feuilles de courgettes Quelques exemples concrets d’utilisation Sources d’énergie SNAP 27 - Apollo 12 à 17 Isotaaf Marguerite 20 Tristan Voyager Stimulateur cardiaque SNAP-27 - alimentation électrique de l’ Apollo Lunar Surface Experiment Package (ALSEP). Déployé lors des missions Apollo 12, 14, 15, 16 & 17 Caractéristiques : puissance électrique 70 W en début de mission. Durée de vie nominale 2 ans. Les 5 unités ont, en fait, fonctionné entre 5 & 8 ans ISOTAAF Générateur thermoélectrique terrestre Concepteur : CEA Réalisation mécanique : ACB – SICN – CEA Module thermoélectrique Bi2Te3 – Alcatel Source scellée 90Sr-90Y - CEA Puissance thermique : 65 W Puissance électrique : 3 W (EOL) Installation sur l’île des Pétrels (Terre Adélie) Application : alimentation d’une station de télémesure du Groupe de Recherche Ionosphérique de l’Institut de Physique du Globe (mesure des champs magnétiques conjugués Pôle Nord (Nouvelle Zemble – Russie) / Pôle Sud (Antarctique) MARGUERITE 20 Générateur thermoélectrique sous-marin Concepteur : SNECMA Module thermoélectrique Ge-Si - CSF Source scellée : 90Sr-90Y - CEA Puissance thermique : 550 W Puissance électrique : 20 W (EOL) Couplage avec batteries Cd-Ni SAFT Installation dans le champ pétrolier de Zakum au large d’Abou-Dhabi (Golfe Arabo-Persique) Application : alimentation des électrovannes d’une tête de puits pétrolier (CFP-Total) TRISTAN Générateur thermoélectrique sous-marin Concepteur : MBB (Messerschmidt-Bölkow-Blohm) Module thermoélectrique en cascade Ge-Si/Bi2Te3 – Siemens Source scellée : 90Sr-90Y - CEA Puissance thermique : 250 W Puissance électrique : 20 W (EOL) Installation au large de l’île de Helgoland (Mer du Nord) Application : alimentation d’équipements océanographiques et/ou pétroliers en off-shore profond Stimulateur cardiaque Medtronic-Alcatel-CEA mis au point & implanté par le Prof. Laurens en 1980 à l’Hôpital Broussais. Générateur thermoélectrique GIPSIE, 200 W, alimenté par une source scellée de Pu 238 Merci pour votre attention !