L'énergie nucléaire dans l'espace - Nuclear power in space

Le moteur de fusée thermique nucléaire KIWI A prime
Le rover Mars Curiosity alimenté par un RTG sur Mars. Un RTG blanc avec des ailerons est visible de l'autre côté du rover.

L'énergie nucléaire dans l'espace est l'utilisation de l'énergie nucléaire dans l' espace , généralement soit de petits systèmes à fission , soit une désintégration radioactive pour l'électricité ou la chaleur. Une autre utilisation est l'observation scientifique, comme dans un spectromètre Mössbauer . Le type le plus courant est un générateur thermoélectrique à radio-isotope , qui a été utilisé sur de nombreuses sondes spatiales et sur des missions lunaires avec équipage. De petits réacteurs à fission destinés aux satellites d'observation de la Terre, tels que le réacteur nucléaire TOPAZ , ont également été pilotés. Une unité de chauffage à radio-isotopes est alimentée par la désintégration radioactive et peut empêcher les composants de devenir trop froids pour fonctionner, potentiellement sur une période de plusieurs décennies.

Les États-Unis ont testé le réacteur nucléaire SNAP-10A dans l'espace pendant 43 jours en 1965, le prochain test d'un système d'alimentation de réacteur nucléaire destiné à une utilisation spatiale ayant lieu le 13 septembre 2012 avec le test DUFF (Demonstration Using Flattop Fission) du Kilopower réacteur.

Après un essai au sol du réacteur expérimental Romashka de 1965 , qui utilisait de l'uranium et une conversion thermoélectrique directe en électricité, l'URSS a envoyé environ 40 satellites électronucléaires dans l'espace, principalement alimentés par le réacteur BES-5 . Le réacteur TOPAZ-II, plus puissant, produisait 10 kilowatts d'électricité.

Des exemples de concepts qui utilisent l'énergie nucléaire pour les systèmes de propulsion spatiale comprennent la fusée électrique nucléaire ( propulseur d'ions à propulsion nucléaire ), la fusée à radio- isotope et la propulsion électrique à radio-isotope (REP). L'un des concepts les plus explorés est la fusée nucléaire thermique , qui a été testée au sol dans le cadre du programme NERVA . La propulsion nucléaire par impulsion était le sujet du projet Orion .

Réglementation et prévention des risques

Après l'interdiction des armes nucléaires dans l'espace par le Traité sur l'espace extra-atmosphérique en 1967, l'énergie nucléaire a été discutée au moins depuis 1972 comme une question sensible par les États. En particulier, ses dangers potentiels pour l'environnement terrestre et donc également pour l'homme ont incité les États à adopter à l' Assemblée générale des Nations Unies les principes relatifs à l'utilisation de sources d'énergie nucléaires dans l'espace extra-atmosphérique (1992), introduisant notamment des principes de sécurité pour les lancements et pour gérer leur trafic .

Avantages

Les atterrisseurs Viking 1 et Viking 2 utilisaient des RTG pour alimenter la surface de Mars. (Véhicule de lancement Viking sur la photo)

Alors que l'énergie solaire est beaucoup plus utilisée, l'énergie nucléaire peut offrir des avantages dans certains domaines. Les cellules solaires, bien qu'efficaces, ne peuvent fournir de l'énergie aux engins spatiaux que sur des orbites où le flux solaire est suffisamment élevé, comme une orbite terrestre basse et des destinations interplanétaires suffisamment proches du Soleil. Contrairement aux cellules solaires, les systèmes d'énergie nucléaire fonctionnent indépendamment de la lumière du soleil, ce qui est nécessaire pour l'exploration de l'espace lointain . Les systèmes nucléaires peuvent avoir une masse inférieure à celle des cellules solaires de puissance équivalente, ce qui permet des engins spatiaux plus compacts, plus faciles à orienter et à diriger dans l'espace. Dans le cas des vols spatiaux avec équipage, les concepts d'énergie nucléaire pouvant alimenter à la fois les systèmes de survie et de propulsion peuvent réduire à la fois les coûts et le temps de vol.

Les applications et/ou technologies sélectionnées pour l'espace comprennent :

Les types

Ce tableau est un extrait de Générateur thermoélectrique à radio-isotope § Systèmes d'énergie nucléaire dans l'espace [ modifier ]
Nom et modèle Utilisé sur (nombre de RTG par utilisateur) Puissance maximale Radio-
isotope 		Carburant max
utilisé (kg) 		Masse (kg) Puissance/masse (électrique W/kg)
Électrique ( W ) Chaleur (W)
MMRTG MSL/ rover Curiosity et rover Persévérance / Mars 2020 c. 110 c. 2000 238 Pu c. 4 <45 2.4
GPHS-RTG Cassini (3) , Nouveaux Horizons (1) , Galilée (2) , Ulysse (1) 300 4400 238 Pu 7.8 55,9–57,8 5.2–5.4
MHW-RTG LES-8/9 , Voyager 1 (3) , Voyager 2 (3) 160 2400 238 Pu c. 4.5 37,7 4.2
SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7 52,5 238 Pu ? 2.1 1.3
SNAP-9A Transit 5BN1/2 (1) 25 525 238 Pu c. 1 12.3 2.0
SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pionnier 10 (4) , Pionnier 11 (4) 40.3 525 238 Pu c. 1 13,6 2.9
SNAP-19 modifié Viking 1 (2), Viking 2 (2) 42,7 525 238 Pu c. 1 15.2 2.8
SNAP-27 Apollo 12-17 ALSEP (1) 73 1 480 238 Pu 3.8 20 3,65
(réacteur à fission) Buk (BES-5) ** US-As (1) 3000 100 000 235 U hautement enrichi 30 1000 3.0
(réacteur à fission) SNAP-10A*** SNAP-10A (1) 600 30 000 235 U hautement enrichi 431 1.4
ASRG **** conception de prototype (non lancé), programme de découverte c. 140 (2x70) c. 500 238 Pu 1 34 4.1

Systèmes de radio-isotopes

SNAP-27 sur la Lune

Depuis plus de cinquante ans, les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG) sont la principale source d'énergie nucléaire des États-Unis dans l'espace. Les RTG offrent de nombreux avantages ; ils sont relativement sûrs et sans entretien, sont résistants dans des conditions difficiles et peuvent fonctionner pendant des décennies. Les RTG sont particulièrement souhaitables pour une utilisation dans les parties de l'espace où l'énergie solaire n'est pas une source d'énergie viable. Des dizaines de RTG ont été mis en œuvre pour propulser 25 engins spatiaux américains différents, dont certains fonctionnent depuis plus de 20 ans. Plus de 40 générateurs thermoélectriques à radio-isotopes ont été utilisés dans le monde (principalement aux États-Unis et en URSS) pour des missions spatiales.

Le générateur de radio-isotopes avancé de Stirling (ASRG, un modèle de générateur de radio-isotopes de Stirling (SRG)) produit environ quatre fois la puissance électrique d'un RTG par unité de combustible nucléaire, mais les unités prêtes au vol basées sur la technologie Stirling ne sont pas attendues avant 2028. NASA prévoit d'utiliser deux ASRG pour explorer Titan dans un avenir lointain.

Diagramme en coupe du générateur avancé de radio-isotopes Stirling.

Les générateurs de radio-isotopes comprennent :

Les unités de chauffage à radio-isotopes (RHU) sont également utilisées sur les engins spatiaux pour réchauffer les instruments scientifiques à la bonne température afin qu'ils fonctionnent efficacement. Un modèle plus grand de RHU appelé General Purpose Heat Source (GPHS) est utilisé pour alimenter les RTG et l'ASRG.

Des radio-isotopes à désintégration extrêmement lente ont été proposés pour une utilisation sur des sondes interstellaires avec des durées de vie de plusieurs décennies.

À partir de 2011, une autre direction de développement était un RTG assisté par des réactions nucléaires sous-critiques.

Systèmes de fission

Les systèmes d'alimentation à fission peuvent être utilisés pour alimenter les systèmes de chauffage ou de propulsion d'un engin spatial. En termes de besoins en chauffage, lorsque les engins spatiaux nécessitent plus de 100 kW pour l'alimentation, les systèmes à fission sont beaucoup plus rentables que les RTG.

Au cours des dernières décennies, plusieurs réacteurs à fission ont été proposés et l' Union soviétique a lancé 31 réacteurs à fission de faible puissance BES-5 dans ses satellites RORSAT utilisant des convertisseurs thermoélectriques entre 1967 et 1988.

Dans les années 1960 et 1970, l'Union soviétique a développé des réacteurs TOPAZ , qui utilisent à la place des convertisseurs thermoioniques, bien que le premier vol d'essai n'ait eu lieu qu'en 1987.

En 1965, les États - Unis lancèrent un réacteur spatial, le SNAP-10A , qui avait été développé par Atomics International , alors une division de North American Aviation .

En 1983, la NASA et d'autres agences gouvernementales américaines ont commencé le développement d'un réacteur spatial de nouvelle génération, le SP-100 , en passant un contrat avec General Electric et d'autres. En 1994, le programme SP-100 a été annulé, en grande partie pour des raisons politiques, avec l'idée de passer au système de réacteur russe TOPAZ-II . Bien que certains prototypes TOPAZ-II aient été testés au sol, le système n'a jamais été déployé pour des missions spatiales américaines.

En 2008, la NASA a annoncé son intention d'utiliser un petit système d'alimentation à fission à la surface de la Lune et de Mars, et a commencé à tester des technologies « clés » pour qu'il se concrétise.

Les engins spatiaux et les systèmes d'exploration proposés pour le système d'alimentation à fission comprenaient le SP-100 , la propulsion électrique nucléaire JIMO et la Fission Surface Power .

SAFE-30 petit réacteur expérimental

Un certain nombre de types de microréacteurs nucléaires ont été développés ou sont en cours de développement pour des applications spatiales :

Les systèmes de propulsion nucléaire thermique (NTR) sont basés sur la puissance de chauffage d'un réacteur à fission, offrant un système de propulsion plus efficace qu'un système alimenté par des réactions chimiques. La recherche actuelle se concentre davantage sur les systèmes électriques nucléaires en tant que source d'énergie pour fournir une poussée pour propulser des engins spatiaux déjà dans l'espace.

D'autres réacteurs à fission spatiaux pour alimenter les véhicules spatiaux comprennent le réacteur SAFE-400 et le HOMER-15. En 2020, Roscosmos (l' Agence spatiale fédérale russe ) prévoit de lancer un engin spatial utilisant des systèmes de propulsion à propulsion nucléaire (développés au Keldysh Research Center ), qui comprend un petit réacteur à fission refroidi au gaz de 1 MWe.

En septembre 2020, la NASA et le ministère de l'Énergie (DOE) ont publié un appel d'offres formel pour un système d'énergie nucléaire lunaire, dans lequel plusieurs prix seraient accordés à des conceptions préliminaires achevées d'ici la fin de 2021, tandis que dans une deuxième phase, par Au début de 2022, ils sélectionneraient une entreprise pour développer un système d'énergie à fission de 10 kilowatts qui serait placé sur la lune en 2027.

Conception d'artistes de la mission Jupiter Icy Moons Orbiter pour Prometheus, avec le réacteur sur la droite, fournissant de l'énergie aux moteurs ioniques et à l'électronique.

Projet Prométhée

En 2002, la NASA a annoncé une initiative visant à développer des systèmes nucléaires, plus tard connus sous le nom de Projet Prometheus . Une partie importante du projet Prometheus consistait à développer le générateur de radio-isotopes Stirling et le générateur thermoélectrique multi-missions, deux types de RTG. Le projet visait également à produire un système de réacteur spatial à fission sûr et durable pour la puissance et la propulsion d'un engin spatial, remplaçant les RTG utilisés depuis longtemps. Des contraintes budgétaires ont entraîné l'arrêt effectif du projet, mais le projet Prometheus a réussi à tester de nouveaux systèmes. Après sa création, les scientifiques ont testé avec succès un moteur ionique à propulsion électrique à haute puissance (HiPEP), qui offrait des avantages substantiels en termes de rendement énergétique, de durée de vie du propulseur et d'efficacité du propulseur par rapport aux autres sources d'alimentation.

Visuels

Une galerie d'images de systèmes nucléaires spatiaux.

  • Coquille chauffée au rouge contenant du plutonium en cours de désintégration nucléaire, à l'intérieur du Mars Science Laboratory MMRTG. MSL a été lancé en 2011 et a atterri sur Mars en août 2012.

  • L'extérieur MSL MMRTG. Le revêtement blanc Aptek 2711 reflète la lumière du soleil tout en transmettant la chaleur à l'atmosphère martienne

  • La centrale nucléaire spatiale SNAP-10A , montrée ici lors d'essais sur Terre, lancée en orbite dans les années 1960.

  • Jupiter Icy Moons Orbiter . Une longue flèche maintient le réacteur à distance, tandis qu'un écran anti-rayonnement protège les ailettes du radiateur

Voir également

Les références

Liens externes