La propulsion nucléaire spatiale : comment et pourquoi faire ?
Les systèmes de propulsion nucléaire spatiale

L’idée d’utiliser l’énergie nucléaire pour propulser un véhicule spatial a émergé peu de temps après la découverte de la radioactivité : on la doit à un Français, Robert Esnault-Pelterie, le père de l’industrie aéronautique française. En 1912, il prononça une conférence devant la Société française de physique  où il montrait que, pour des raisons de densité d’énergie, la seule solution pour réaliser des voyages interplanétaires était d’utiliser l’énergie « infra-atomique ». Il prenait comme exemple le contenu énergétique d’un kilogramme de radium qui, pendant sa vie entière, libère par désintégration radioactive spontanée près d’un million de fois plus d’énergie que la combustion d’un kilogramme de mélange hydrogène-oxygène. Il émettait aussi une réserve : encore fallait-il trouver le moyen de libérer cette énergie « infra-atomique » beaucoup plus rapidement que par désintégration radioactive spontanée, et de façon contrôlée, pour qu’elle puisse être utilisable en propulsion spatiale (car celle-ci requiert non seulement densité d’énergie suffisamment grande mais aussi densité de puissance élevée). Ce moyen, la réalisation d’une réaction de fission nucléaire en chaîne autoentretenue et contrôlée, sera démontré en 1942, dans la Chicago Pile-1. Les premières études de « moteurs fusées nucléaires » débutèrent dans la foulée, dès la fin de la Seconde Guerre mondiale, en parallèle avec celles sur les moteurs fusées chimiques de forte puissance ; elles étaient alors toutes deux motivées par des besoins de défense (missiles balistiques intercontinentaux). Elles s’inscrivirent initialement dans le large cadre du programme Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft avant de faire l’objet, à partir de 1955, d’un projet dédié de grande ampleur à finalité duale, civile et militaire : le Project Rover. Au sein de ce programme débuta en 1961 le programme NERVA de développement technologique et d’ingénierie de « moteurs nucléaires pour applications aux véhicules fusées ». Les importants développements réalisés dans ce cadre jusqu’en 1972, ainsi qu’en Union soviétique jusque dans le milieu des années 1980, ont démontré que les systèmes de propulsion nucléaire thermique répondaient à toutes les exigences requises pour un système de transport vers la Lune ainsi que pour des missions habitées vers Mars. Avec la chute de l’Union soviétique et le recentrage de l’exploration habitée de l’espace sur l’orbite terrestre et la Station spatiale internationale, de tels systèmes n’étaient plus nécessaires.

Aujourd’hui, les technologies utilisées pour la propulsion dans l’espace, technologies chimique (thermique) et solaire électrique, approchent de leurs limites physiques au-delà desquelles toute amélioration de leurs performances est impossible. Ce qui explique que l’ouverture d’une nouvelle ère d’exploration habitée de l’espace, avec notamment le programme Artemis visant le retour d’astronautes sur la surface de la Lune pour préparer une première mission habitée vers Mars avant 2040, ainsi que le fort regain des tensions géopolitiques ayant également des retombées dans le domaine de l’utilisation militaire de l’espace cislunaire, aient conduit à une forte relance des programmes de développement de nouveaux systèmes de propulsion nucléaire dans l’espace : propulsion nucléaire thermique et propulsion nucléaire électrique. Ces systèmes permettent en effet de s’affranchir des limites physiques de performance des technologies existantes. Certains de ces programmes, aux États-Unis et en Russie, visent de premières démonstrations dans l’espace d’ici la fin de la décennie 2020.

Cet article aborde d’abord le principe des deux types de systèmes de propulsion nucléaire spatiale en cours de développement, thermique à combustible nucléaire solide et électrique, leurs performances potentielles comparées aux technologies actuelles de propulsion, et les applications/missions pour lesquelles elles peuvent présenter des avantages déterminants. La seconde partie de l’article est consacrée aux problématiques de conception et de développement des moteurs de propulsion nucléaire thermique. Y sont successivement traitées les spécifications de performance auxquelles ces moteurs doivent répondre, qui expliquent la spécificité des technologies nucléaires à mettre en œuvre ; l’état de l’art de ces moteurs au travers d’une revue des programmes de développement passés et en cours ; leurs grandes options de conception et les défis technologiques associés : configuration réacteur, matériau combustible, turbopompe et son cycle, bouclier de protection radiologique ; la problématique des essais nucléaires du moteur pour son développement et sa qualification ; et les considérations de sûreté nucléaire associées à leur usage. Le lecteur qui s’engage dans des travaux sur la propulsion nucléaire spatiale trouvera de nombreuses références bibliographiques lui permettant d’approfondir chacun des points traités dans cet article. S’agissant de la propulsion nucléaire électrique, qui est basée sur des propulseurs électriques alimentés par des générateurs électronucléaires spatiaux, les problématiques de conception et de développement de ces derniers sont abordées dans un autre article de la même collection : [BN 3 143] Les générateurs électronucléaires spatiaux à fission.