Bibliographie & annexes
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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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Spécificités des GENSF par rapport aux applications terrestres1. Domaines d’application et gammes de puissance des GENSF
Les générateurs électronucléaires spatiaux à fission (GENSF) sont des microréacteurs nucléaires électrogènes d’une puissance de quelques kWe à quelques MWe conçus pour fonctionner dans l’espace extra-atmosphérique ou à la surface de corps célestes (la Lune, Mars…). Ils exploitent donc l’énergie libérée par les réactions de fission des noyaux de 235U par les neutrons, énergie qui est convertie en énergie électrique.
Les domaines d’application des GENSF sont ceux où ces systèmes présentent des avantages, notamment en termes de masse et d’encombrement, par rapport aux générateurs solaires photovoltaïques couplés à des batteries rechargeables ou à des piles à combustibles régénératives (cf. [BN 3 122]). C’est le cas lorsque l’illumination solaire est insuffisante du fait de l’éloignement du Soleil (exploration de l’espace profond) ou de son occultation pendant de longues durées (comme à la surface de la Lune ou de Mars). C’est également le cas lorsque le niveau de puissance à fournir excède les limites pratiques, en termes de surface, des panneaux solaires (missions de transport spatial par propulsion électrique). La plus grande compacité des GENSF est également d’intérêt pour certaines missions de défense.
1.1 Missions à la surface de la Lune et de Mars
La Lune est redevenue un enjeu de souveraineté pour les grandes puissances. La NASA a lancé en 2017 le programme Artemis dont le but est de poser des humains sur la Lune à la mi-2027 et d’établir une présence humaine durable sur et autour de la Lune à partir de 2029 via la construction d’une station en orbite lunaire, la Lunar Gateway, et d’une base à la surface lunaire près de son pôle sud. L’objectif ultime est de préparer les futures missions habitées vers Mars, à l’horizon 2040, en expérimentant les technologies requises sur la Lune. La Chine quant à elle, ambitionne de faire atterrir sur la Lune de premiers taïkonautes avant la fin de la décennie 2020 et s’est alliée à la Russie dans le cadre du programme International Lunar Research Station (ILRS) dans le but de construire une base...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SOWERS (G.F.) - A cislunar transportation system fueled by lunar resources. - Space Policy, 37 (2016), p. 103-109, http://dx.doi.org/10.1016/j.spacepol.2016.07.004
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(2) - CASANI (J.R.) et al - Kilopower – Nuclear Electric Propulsion for Outer Solar System Exploration (NEP Benefits Study), A Joint Study by Glenn Research Center, Jet Propulsion Laboratory, and Los Alamos National Laboratory. - Rapport JPL D-103385, Rev. A CL#20-0649 (2020) https://dataverse.jpl.nasa.gov/file.xhtml ?fileId=58236&version=3.0
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(3) - TAYLOR (R.) - Project Prometheus Final Report. - Rapport NASA JPL 982-R120461 (2005) https://dataverse.jpl.nasa.gov/dataset.xhtml ?persistentId=hdl :2014/47279#
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(4) - OLESON (S.) - 1,9 MWe Nuclear Electric Propulsion-Chemical Propulsion Piloted Mars Opposition Vehicle. - In : Proceedings of Nuclear and Emerging Technologies for Space (NETS 2022), Cleveland, OH, USA, May 8-12, pages 240-248 (2022), The American Nuclear Society. https://ntrs.nasa.gov/citations/20220004673
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(5) - BLACK (G.) et al - Prospects for Nuclear Microreactors – A Review...
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