Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente les types de missions spatiales pour lesquels les générateurs électronucléaires spatiaux à fission (GENSF) présentent des avantages avérés ou potentiels par rapport aux technologies alternatives. Il expose les spécifications propres au spatial auxquelles les GENSF doivent répondre. Il passe en revue les principaux programmes de développement passés et en cours, les caractéristiques des GENSF objets de ces développements, les résultats obtenus, et les leçons qui peuvent en être tirées. Il présente ensuite les mérites et limites des différentes options de conception et technologiques envisageables pour les principaux sous-systèmes constituant un GENSF. La maîtrise de la sûreté de ces GENSF durant les phases de lancement et d’exploitation dans l’espace est abordée.
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Eric PROUST : Diplômé de Supelec, Diplômé en Génie Atomique de l’INSTN - Président de la section technique Nucléaire Spatial de la Société Française de l’Énergie Nucléaire, Président du Haut Conseil Scientifique de l’European Nuclear Society, Conseiller scientifique pour les applications spatiales de l’énergie nucléaire à la Direction des Énergies du CEA
INTRODUCTION
L’utilisation de générateurs électronucléaires à fission pour fournir de l’électricité dans l’espace a été envisagée dès l’aube de l’ère nucléaire et a donné lieu dans les années 1960-1980 à des développements de grande ampleur. Ces générateurs électronucléaires spatiaux à fission (GENSF) furent monnaie courante dans les décennies 1970-1980 : ils équipaient les satellites soviétiques militaires RORSAT d’observation des mouvements maritimes. Mais depuis 1988, plus aucun GENSF n’a été lancé dans l’espace et le dernier programme « historique » d’ampleur de développement de GENSF s’est achevé prématurément aux États-Unis en 1993. Les générateurs photovoltaïques, qui avaient fait de grands progrès, répondaient en effet aux besoins d’alimentation électriques des satellites devenus moins gourmands en énergie (toujours grâce aux progrès technologiques) ; les générateurs radioisotopiques thermoélectriques de quelques centaines de We suffisaient aux missions d’exploration scientifique que le photovoltaïque ne pouvait assurer ; et les missions spatiales ambitieuses requérant des GENSF nécessitaient des budgets qui n’étaient plus à l’ordre du jour. Deux évolutions majeures sont en train de changer la donne : l’ouverture d’une nouvelle ère d’exploration humaine de l’espace, avec notamment le programme Artemis avec pour cible d’abord la Lune puis Mars ; et le fort regain des tensions géopolitiques qui a des retombées dans les domaines tant de l’exploration spatiale que de l’utilisation militaire de l’espace cislunaire. Ainsi, assiste-t-on depuis 2010, à une relance progressive de programmes de développement de GENSF, principalement aux États-Unis, en Russie et en Chine. Les principales applications civiles visées sont l’alimentation de bases lunaires (et à terme martiennes) pour laquelle une première démonstration à la surface de la Lune est envisagée à l’horizon 2030 dans le cadre Artemis, et la propulsion nucléaire électrique avec au même horizon, selon l’agence spatiale russe, la démonstration en vol d’un remorqueur spatial doté de propulseurs électriques alimentés par un GENSF.
Cet article est destiné aux ingénieurs curieux de comprendre en quoi consistent ces GENSF, à quels besoins potentiels ils répondent, dans quelle mesure leur problématique de conception et de sûreté diffère de celle des microréacteurs nucléaires terrestres (les différences sont substantielles), quelles sont les options technologiques envisageables et quels challenges elles présentent. Ceux qui s’engagent dans des travaux sur le sujet y trouveront de nombreuses références bibliographiques leur permettant d’approfondir chacun des points abordés.
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MOTS-CLÉS
générateurs électronucléaires spatiaux à fission propulsion nucléaire électrique spatiale réacteurs nucléaires spatiaux systèmes nucléaires spatiaux
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Présentation
Sigles, notations et symboles7. Conclusion
Si des efforts de grande ampleur ont été consacrés, aux États-Unis et en Union soviétique, au développement de générateurs électronucléaires spatiaux à fission (GENSF) jusqu’au début des années 1990, si plus d’une trentaine de GENSF ont été déployés en orbite terrestre basse dans les années 1970-1980 par l’Union soviétique, plus aucun GENSF n’a été lancé depuis 1988. L’effondrement de l’Union soviétique, la priorité donnée à la présence humaine permanente en orbite terrestre avec la Station spatiale internationale et les progrès réalisés dans les technologies photovoltaïques pour le spatial ne justifiaient plus la poursuite de ces efforts coûteux. Ainsi, les besoins en alimentation électrique des systèmes spatiaux (satellites, véhicules orbitaux, stations spatiales, sondes d’exploration, rovers) sont aujourd’hui largement assurés par les technologies photovoltaïques via des panneaux solaires associés à des batteries. Et lorsque l’énergie solaire fait défaut, des générateurs radioisotopiques, d’une puissance limitée à quelques centaines de We ont suffi jusqu’à présent à répondre aux besoins des sondes d’exploration de l’espace lointain ou des rovers martiens.
Aujourd’hui, les grandes ambitions d’exploration humaine de l’espace sont de retour (le retour d’êtres humains sur la Lune, pour y rester et pour préparer les premières missions habitées vers Mars) avec le programme international Artemis conduit par les Américains et son équivalent « concurrent » emmené par la Chine associée à la Russie. Les grandes tensions géopolitiques sont également de retour. Ce sont les deux drivers fondamentaux de la relance des programmes de développement des GENSF. Par ailleurs, la fermeture des installations historiques de production de 238Pu a conduit à une situation de pénurie en radioisotopes qui limite fortement le recours aux générateurs radioisotopiques, ouvrant l’alternative des GENSF de très faible puissance (de 1 à quelques kWe). Enfin, le contexte a également changé aux plans technique et technologique avec les progrès considérables des outils de modélisation et de simulation numérique et l’avènement de nouvelles technologies de fabrication qui réduisent les coûts de développement, avec le développement de microréacteurs terrestres innovants qui...
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BIBLIOGRAPHIE
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(5) - BLACK (G.) et al - Prospects for Nuclear Microreactors – A Review...
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