Fusée thermique nucléaire -Nuclear thermal rocket
Une fusée thermique nucléaire ( NTR ) est un type de fusée thermique où la chaleur d'une réaction nucléaire , souvent la fission nucléaire , remplace l'énergie chimique des propulseurs dans une fusée chimique . Dans un NTR, un fluide de travail , généralement de l'hydrogène liquide , est chauffé à haute température dans un réacteur nucléaire, puis se dilate à travers une tuyère de fusée pour créer une poussée . La source de chaleur nucléaire externe permet théoriquement une vitesse d'échappement effective plus élevée et devrait doubler ou tripler la capacité de charge utile par rapport aux propulseurs chimiques qui stockent l'énergie en interne.
Les NTR ont été proposés comme technologie de propulsion d'engins spatiaux , les premiers essais au sol ayant eu lieu en 1955. Les États-Unis ont maintenu un programme de développement NTR jusqu'en 1973, date à laquelle il a été arrêté pour diverses raisons, par exemple pour se concentrer sur le développement de la navette spatiale . Bien que plus de dix réacteurs de puissance variable aient été construits et testés, en 2021, aucune fusée thermique nucléaire n'a volé.
Alors que toutes les premières applications de propulsion de fusées thermiques nucléaires utilisaient des procédés de fission , la recherche dans les années 2010 s'est déplacée vers des approches de fusion . Le projet Direct Fusion Drive au Princeton Plasma Physics Laboratory en est un exemple, bien que "la fusion à énergie positive soit restée insaisissable". En 2019, le Congrès américain a approuvé un financement de développement de 125 millions de dollars américains pour les fusées à propulsion nucléaire thermique.
En mai 2022 , la DARPA a publié un appel d'offres pour la prochaine phase de son programme de moteur thermique nucléaire Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). Cela fait suite à leur sélection, en 2021, d'une première conception de moteur par General Atomics et de deux concepts de vaisseaux spatiaux de Blue Origin et Lockheed Martin . Les prochaines phases du programme se concentreront sur la conception, le développement, la fabrication et l'assemblage d'un moteur-fusée thermique nucléaire.
Principe d'opération
Les fusées thermiques à propulsion nucléaire sont plus efficaces que les fusées thermiques chimiques, principalement parce qu'elles peuvent utiliser des propulseurs de faible masse moléculaire tels que l'hydrogène.
Comme les fusées thermiques, les fusées thermiques nucléaires fonctionnent presque exactement comme les fusées chimiques : une source de chaleur libère de l'énergie thermique dans un propulseur gazeux à l'intérieur du corps du moteur, et une tuyère à une extrémité agit comme un moteur thermique très simple : elle permet au propulseur de s'éloigner du véhicule, emportant avec lui son élan et convertissant l'énergie thermique en énergie cinétique cohérente. L' impulsion spécifique (Isp) du moteur est déterminée par la vitesse du flux d'échappement. Cela, à son tour, varie comme la racine carrée de l'énergie cinétique chargée sur chaque unité de masse de propulseur. L'énergie cinétique par molécule de propulseur est déterminée par la température de la source de chaleur (qu'il s'agisse d'un réacteur nucléaire ou d'une réaction chimique ). À n'importe quelle température particulière, les molécules propulsives légères transportent autant d'énergie cinétique que les molécules propulsives plus lourdes et ont donc plus d'énergie cinétique par unité de masse. Cela rend les propulseurs à faible masse moléculaire plus efficaces que les propulseurs à masse moléculaire élevée.
Étant donné que les fusées chimiques et les fusées nucléaires sont fabriquées à partir de matériaux solides réfractaires, elles sont toutes deux limitées à fonctionner en dessous de ~ 3 000 ° C (5 430 ° F), par les caractéristiques de résistance des métaux à haute température. Les fusées chimiques utilisent le propulseur le plus facilement disponible, c'est-à-dire les déchets des réactions chimiques produisant leur énergie thermique. La plupart des fusées chimiques à carburant liquide utilisent soit de l'hydrogène, soit de la combustion d'hydrocarbures, et le propulseur est donc principalement de l'eau (masse moléculaire 18) et/ou du dioxyde de carbone (masse moléculaire 44). Les fusées nucléaires thermiques à hydrogène gazeux (masse moléculaire 2) ont donc un Isp maximal théorique 3x-4,5x supérieur à celui des fusées chimiques.
Histoire
Dès 1944, Stanisław Ulam et Frederic de Hoffmann envisagent de contrôler la puissance des explosions nucléaires pour lancer des véhicules spatiaux. Après la Seconde Guerre mondiale, l'armée américaine a commencé le développement de missiles balistiques intercontinentaux (ICBM) basés sur les conceptions de fusées allemandes V-2 . Certaines grandes fusées ont été conçues pour transporter des ogives nucléaires avec des moteurs de propulsion à propulsion nucléaire. Dès 1946, des rapports secrets ont été préparés pour l' US Air Force , dans le cadre du projet NEPA , par North American Aviation et le projet Rand de la Douglas Aircraft Company . Ces rapports révolutionnaires ont identifié un moteur de réacteur dans lequel un fluide de travail de faible poids moléculaire est chauffé à l'aide d'un réacteur nucléaire comme la forme la plus prometteuse de propulsion nucléaire, mais ont identifié de nombreux problèmes techniques qui devaient être résolus.
En janvier 1947, ignorant ces recherches classifiées, les ingénieurs du Laboratoire de Physique Appliquée publient leurs recherches sur la propulsion nucléaire et leur rapport est finalement classifié. En mai 1947, le scientifique chinois formé aux États-Unis Qian Xuesen a présenté ses recherches sur les "jets thermiques" alimentés par un réacteur nucléaire modéré au graphite poreux lors des séminaires de science et d'ingénierie nucléaires LIV organisés par le Massachusetts Institute of Technology .
En 1948 et 1949, le physicien Leslie Shepherd et le spécialiste des fusées Val Cleaver ont produit une série d'articles scientifiques révolutionnaires qui examinaient comment la technologie nucléaire pourrait être appliquée aux voyages interplanétaires . Les articles ont examiné à la fois la propulsion nucléaire-thermique et nucléaire-électrique .
Types de combustible nucléaire
Une fusée thermique nucléaire peut être classée par type de réacteur, allant d'un réacteur solide relativement simple à un réacteur à noyau de gaz beaucoup plus difficile à construire mais théoriquement plus efficace. Comme pour toutes les conceptions de fusées thermiques , l' impulsion spécifique produite est proportionnelle à la racine carrée de la température à laquelle le fluide de travail (masse de réaction) est chauffé. Pour extraire une efficacité maximale, la température doit être aussi élevée que possible. Pour une conception donnée, la température pouvant être atteinte est généralement déterminée par les matériaux choisis pour les structures du réacteur, le combustible nucléaire et la gaine du combustible. L'érosion est également une préoccupation, en particulier la perte de combustible et les rejets associés de radioactivité.
Noyau solide
Les réacteurs nucléaires à noyau solide ont été alimentés par des composés d' uranium qui existent en phase solide dans les conditions rencontrées et subissent une fission nucléaire pour libérer de l'énergie. Les réacteurs de vol doivent être légers et capables de tolérer des températures extrêmement élevées, car le seul liquide de refroidissement disponible est le fluide de travail/propulseur. Un moteur nucléaire à noyau solide est la conception la plus simple à construire et est le concept utilisé sur tous les NTR testés.
En utilisant l'hydrogène comme propulseur, une conception à noyau solide fournirait généralement des impulsions spécifiques (I sp ) de l'ordre de 850 à 1000 secondes, soit environ le double de celles des conceptions hydrogène - oxygène liquide telles que le moteur principal de la navette spatiale . D'autres propulseurs ont également été proposés, tels que l'ammoniac, l'eau ou le LOX , mais ces propulseurs fourniraient une vitesse d'échappement et des performances réduites à un coût de carburant légèrement réduit. Encore une autre marque en faveur de l'hydrogène est qu'à basse pression, il commence à se dissocier à environ 1500 K, et à haute pression autour de 3000 K. Cela abaisse la masse des espèces d'échappement, augmentant I sp .
Les premières publications doutaient des applications spatiales des moteurs nucléaires. En 1947, un réacteur nucléaire complet était si lourd que les moteurs thermiques nucléaires à noyau solide seraient totalement incapables d'atteindre un rapport poussée / poids de 1: 1, nécessaire pour surmonter la gravité de la Terre au lancement. Au cours des vingt-cinq années suivantes, les conceptions de fusées thermiques nucléaires américaines ont finalement atteint des rapports poussée / poids d'environ 7: 1. Il s'agit toujours d'un rapport poussée / poids bien inférieur à ce qui est réalisable avec les fusées chimiques, qui ont des rapports poussée / poids de l'ordre de 70: 1. Combiné avec les grands réservoirs nécessaires pour le stockage de l'hydrogène liquide, cela signifie que les moteurs thermiques nucléaires à noyau solide sont les mieux adaptés pour une utilisation en orbite en dehors du puits de gravité terrestre , sans parler d'éviter la contamination radioactive qui résulterait de l'utilisation atmosphérique (si un "open- conception à cycle "a été utilisée, par opposition à une conception à " cycle fermé " moins performante où aucune matière radioactive n'a été autorisée à s'échapper avec le propulseur de fusée.)
Une façon d'augmenter la température de fonctionnement du réacteur consiste à changer les éléments combustibles nucléaires. C'est la base du réacteur à lit de particules, qui est alimenté par plusieurs éléments (généralement sphériques) qui "flottent" à l'intérieur du fluide de travail hydrogène. Faire tourner tout le moteur pourrait empêcher l'élément combustible d'être éjecté par la buse. On pense que cette conception est capable d'augmenter l'impulsion spécifique à environ 1000 secondes (9,8 kN·s/kg) au prix d'une complexité accrue. Une telle conception pourrait partager des éléments de conception avec un réacteur à lit de galets , dont plusieurs produisent actuellement de l'électricité. De 1987 à 1991, le bureau de l' Initiative de défense stratégique (SDI) a financé le projet Timberwind , une fusée thermique nucléaire non rotative basée sur la technologie des lits de particules. Le projet a été annulé avant les tests.
Fusée thermique nucléaire pulsée
Dans une conception conventionnelle à noyau solide, la température d'échappement maximale de la masse de travail est celle du réacteur, et en pratique, inférieure à celle-ci. Cette température représente une énergie bien inférieure à celle des neutrons individuels libérés par les réactions de fission. Leur énergie se répartit dans la masse du réacteur, provoquant sa thermalisation. Dans les conceptions de centrales électriques, le cœur est ensuite refroidi, généralement à l'aide d'eau. Dans le cas d'un moteur nucléaire, l'eau est remplacée par de l'hydrogène, mais le concept est par ailleurs similaire.
Les réacteurs pulsés tentent de transférer l'énergie directement des neutrons à la masse de travail, permettant à l'échappement d'atteindre des températures bien au-delà du point de fusion du cœur du réacteur. Comme l'impulsion spécifique varie directement avec la température, la capture de l'énergie des neutrons relativistes permet une augmentation spectaculaire des performances.
Pour ce faire, les réacteurs pulsés fonctionnent en une série de brèves impulsions plutôt que la réaction en chaîne continue d'un réacteur conventionnel. Le réacteur est normalement éteint, ce qui lui permet de refroidir. Il est alors mis en marche, ainsi que le système de refroidissement ou le débit de carburant, fonctionnant à un niveau de puissance très élevé. À ce niveau, le cœur commence à chauffer rapidement, donc une fois qu'une température de consigne est atteinte, le réacteur est rapidement éteint à nouveau. Pendant ces impulsions, la puissance produite est bien supérieure à ce que le réacteur de même taille pourrait produire en continu. La clé de cette approche est que bien que la quantité totale de combustible qui peut être pompée à travers le réacteur pendant ces brèves impulsions soit faible, l'efficacité résultante de ces impulsions est beaucoup plus élevée.
Généralement, les conceptions ne fonctionneraient pas uniquement en mode pulsé mais pourraient faire varier leur cycle de service en fonction des besoins. Par exemple, pendant une phase de vol à forte poussée, comme la sortie d'une orbite terrestre basse , le moteur pourrait fonctionner en continu et fournir un Isp similaire à celui de la conception traditionnelle à noyau solide. Mais lors d'une croisière de longue durée, le moteur passerait en mode pulsé pour mieux utiliser son carburant.
Noyau liquide
Les moteurs nucléaires à noyau liquide sont alimentés par des composés d' éléments fissiles en phase liquide . Un moteur à noyau liquide est proposé pour fonctionner à des températures supérieures au point de fusion du combustible nucléaire solide et de la gaine, la température de fonctionnement maximale du moteur au lieu d'être déterminée par la cuve sous pression du réacteur et le matériau réflecteur de neutrons . Les températures de fonctionnement plus élevées devraient fournir des performances d'impulsion spécifiques de l'ordre de 1300 à 1500 secondes (12,8 à 14,8 kN·s/kg).
Un réacteur à cœur liquide serait extrêmement difficile à construire avec la technologie actuelle. Un problème majeur est que le temps de réaction du combustible nucléaire est beaucoup plus long que le temps de chauffage du fluide de travail. Si le combustible nucléaire et le fluide de travail ne sont pas physiquement séparés, cela signifie que le combustible doit être piégé à l'intérieur du moteur tandis que le fluide de travail peut sortir facilement par la buse. Une solution possible consiste à faire tourner le mélange combustible/fluide à des vitesses très élevées pour forcer le combustible à plus haute densité vers l'extérieur, mais cela exposerait la cuve sous pression du réacteur à la température de fonctionnement maximale tout en ajoutant de la masse, de la complexité et des pièces mobiles.
Une autre conception à noyau liquide est la fusée nucléaire à eau salée . Dans cette conception, l'eau est le fluide de travail et sert également de modérateur de neutrons . Le combustible nucléaire n'est pas retenu, ce qui simplifie drastiquement la conception. Cependant, la fusée déchargerait des quantités massives de déchets extrêmement radioactifs et ne pourrait être exploitée en toute sécurité que bien en dehors de l'atmosphère terrestre et peut-être même entièrement en dehors de la magnétosphère terrestre .
Noyau de gaz
La classification finale de la fission est le moteur à noyau de gaz . Il s'agit d'une modification de la conception à cœur liquide qui utilise une circulation rapide du fluide pour créer une poche toroïdale de combustible d'uranium gazeux au milieu du réacteur, entourée d'hydrogène. Dans ce cas, le combustible ne touche pas du tout la paroi du réacteur, les températures pourraient donc atteindre plusieurs dizaines de milliers de degrés, ce qui permettrait des impulsions ponctuelles de 3000 à 5000 secondes (30 à 50 kN·s/kg). Dans cette conception de base, le « cycle ouvert », les pertes de combustible nucléaire seraient difficiles à contrôler, ce qui a conduit à des études sur le « cycle fermé » ou le moteur à ampoule nucléaire , où le combustible nucléaire gazeux est contenu dans une super-haute -récipient en quartz à température , sur lequel circule l'hydrogène. Le moteur à cycle fermé a beaucoup plus en commun avec la conception à noyau solide, mais ce temps est limité par la température critique du quartz au lieu du carburant et de la gaine. Bien que moins efficace que la conception à cycle ouvert, la conception à cycle fermé devrait fournir une impulsion spécifique d'environ 1 500 à 2 000 secondes (15 à 20 kN·s/kg).
Conceptions de fission à noyau solide dans la pratique
Union soviétique et Russie
Le RD-0410 soviétique a subi une série de tests sur le site d'essais nucléaires près du site d'essais de Semipalatinsk .
En octobre 2018, le centre de recherche russe Keldysh a confirmé un essai au sol réussi de radiateurs de récupération de chaleur pour un moteur spatial nucléaire, ainsi que des essais antérieurs de barres de combustible et de moteurs ioniques .
États-Unis
Le développement de NTR à noyau solide a commencé en 1955 dans le cadre de la Commission de l'énergie atomique (AEC) sous le nom de Project Rover et s'est poursuivi jusqu'en 1973. Les travaux sur un réacteur approprié ont été menés au laboratoire national de Los Alamos et dans la zone 25 (site de sécurité nationale du Nevada) sur le site d'essai du Nevada. . Quatre conceptions de base sont issues de ce projet : KIWI, Phoebus, Pewee et le four nucléaire. Vingt moteurs individuels ont été testés, avec un total de plus de 17 heures de fonctionnement du moteur.
Lorsque la NASA a été créée en 1958, elle a reçu autorité sur tous les aspects non nucléaires du programme Rover. Pour permettre la coopération avec l'AEC et garder les informations classifiées cloisonnées, le Space Nuclear Propulsion Office (SNPO) a été créé en même temps. Le programme NERVA de 1961 était destiné à conduire à l'entrée des moteurs-fusées thermiques nucléaires dans l'exploration spatiale. Contrairement aux travaux de l'AEC, qui visaient à étudier la conception du réacteur lui-même, l'objectif de NERVA était de produire un véritable moteur pouvant être déployé sur des missions spatiales. La conception NERVA de base de poussée de 334 kN (75 000 lb f ) était basée sur la série KIWI B4.
Les moteurs testés comprenaient Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 et le four nucléaire. Des densités de puissance progressivement plus élevées ont abouti au Pewee. Les essais de la conception améliorée du Pewee 2 ont été annulés en 1970 au profit du four nucléaire à moindre coût (NF-1), et le programme de fusées nucléaires américaines s'est officiellement terminé au printemps 1973. Au cours de ce programme, la NERVA a accumulé plus de 2 heures d'autonomie, dont 28 minutes à pleine puissance. Le SNPO considérait NERVA comme le dernier réacteur de développement technologique requis pour procéder au vol de prototypes.
Plusieurs autres moteurs à noyau solide ont également été étudiés dans une certaine mesure. Le petit moteur de fusée nucléaire, ou SNRE, a été conçu au Laboratoire national de Los Alamos (LANL) pour une utilisation à l'étage supérieur, à la fois sur des lanceurs sans équipage et sur la navette spatiale . Il comportait une buse divisée qui pouvait être tournée sur le côté, ce qui lui permettait de prendre moins de place dans la soute de la navette. La conception fournissait 73 kN de poussée et fonctionnait à une impulsion spécifique de 875 secondes (8,58 kN·s/kg), et il était prévu de l'augmenter à 975 secondes, atteignant une fraction de masse d'environ 0,74, contre 0,86 pour le Space Moteur principal de la navette (SSME), l'un des meilleurs moteurs conventionnels.
Une conception connexe qui a vu du travail, mais n'a jamais atteint le stade du prototype, était Dumbo. Dumbo était similaire à KIWI / NERVA dans son concept, mais utilisait des techniques de construction plus avancées pour réduire le poids du réacteur. Le réacteur Dumbo se composait de plusieurs grands tubes en forme de tonneau, qui étaient à leur tour constitués de plaques empilées de matériau ondulé. Les ondulations ont été alignées de sorte que la pile résultante ait des canaux allant de l'intérieur vers l'extérieur. Certains de ces canaux étaient remplis de combustible à l'uranium, d'autres avec un modérateur, et certains étaient laissés ouverts comme canal de gaz. L'hydrogène était pompé au milieu du tube et serait chauffé par le carburant lorsqu'il voyageait à travers les canaux alors qu'il se dirigeait vers l'extérieur. Le système résultant était plus léger qu'une conception conventionnelle pour n'importe quelle quantité particulière de carburant.
Entre 1987 et 1991, une conception de moteur avancée a été étudiée dans le cadre du projet Timberwind , dans le cadre de l ' Initiative de défense stratégique , qui a ensuite été étendue à une conception plus large dans le cadre du programme Space Thermal Nuclear Propulsion (STNP). Les progrès des métaux à haute température, de la modélisation informatique et de l'ingénierie nucléaire, en général, ont entraîné une amélioration spectaculaire des performances. Alors que le moteur NERVA devait peser environ 6803 kilogrammes (14998 lb), le STNP final offrait un peu plus du tiers de la poussée d'un moteur de seulement 1650 kilogrammes (3640 lb) en améliorant le I sp entre 930 et 1000 secondes.
Tirs d'essai
KIWI a été le premier à être mis à feu, à partir de juillet 1959 avec KIWI 1. Le réacteur n'était pas destiné au vol et a été nommé d'après l' oiseau incapable de voler , Kiwi. Le noyau était simplement un empilement de plaques d'oxyde d'uranium non revêtues sur lesquelles l' hydrogène était déversé. La puissance thermique de 70 MW à une température d'échappement de 2683 K a été générée. Deux tests supplémentaires du concept de base, A1 et A3, ont ajouté des revêtements aux plaques pour tester les concepts de barres de combustible.
La série KIWI B était alimentée par de minuscules sphères de dioxyde d'uranium (UO 2 ) intégrées dans une matrice de graphite à faible teneur en bore et recouvertes de carbure de niobium . Dix-neuf trous couraient le long des faisceaux, à travers lesquels l'hydrogène liquide s'écoulait. Lors des premiers tirs, une immense chaleur et des vibrations ont fissuré les grappes de combustible. Les matériaux en graphite utilisés dans la construction du réacteur étaient résistants aux hautes températures mais s'érodaient sous le flux d'hydrogène surchauffé, un agent réducteur . L'espèce de combustible a ensuite été remplacée par du carbure d'uranium , le dernier moteur ayant fonctionné en 1964. Les problèmes d'érosion et de fissuration du faisceau de combustible ont été améliorés mais jamais complètement résolus, malgré des travaux prometteurs sur les matériaux au Laboratoire national d'Argonne .
NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental), a commencé les tests en septembre 1964. Le dernier moteur de cette série était le XE, conçu avec du matériel représentatif du vol et tiré dans une chambre à basse pression pour simuler un vide. SNPO a tiré NERVA NRX / XE vingt-huit fois en mars 1968. La série a toutes généré 1100 MW, et de nombreux tests ne se sont terminés que lorsque le banc d'essai a manqué de propulseur à hydrogène. NERVA NRX / XE a produit la poussée de base de 334 kN (75 000 lb f ) dont le Marshall Space Flight Center avait besoin dans les plans de mission sur Mars . Le dernier tir NRX a perdu 17 kg (38 lb) de combustible nucléaire en 2 heures d'essais, ce qui a été jugé suffisant pour les missions spatiales par SNPO.
S'appuyant sur la série KIWI, la série Phoebus était des réacteurs beaucoup plus gros. Le premier essai 1A en juin 1965 a duré plus de 10 minutes à 1090 MW et une température d'échappement de 2370 K. L'essai B en février 1967 a amélioré cela à 1500 MW pendant 30 minutes. Le dernier test 2A en juin 1968 a duré plus de 12 minutes à 4000 MW, à l'époque le réacteur nucléaire le plus puissant jamais construit.
Une version plus petite de KIWI, le Pewee a également été construit. Il a été allumé plusieurs fois à 500 MW pour tester des revêtements en carbure de zirconium (au lieu de carbure de niobium ) mais Pewee a également augmenté la densité de puissance du système. Un système refroidi à l'eau connu sous le nom de NF-1 (pour Nuclear Furnace ) a utilisé les éléments combustibles de Pewee 2 pour les futurs tests de matériaux, montrant un facteur de 3 réductions de la corrosion du combustible encore plus loin. Pewee 2 n'a jamais été testé sur le stand et est devenu la base des conceptions NTR actuelles en cours de recherche au Glenn Research Center et au Marshall Space flight Center de la NASA .
Le projet NERVA/Rover a finalement été annulé en 1972 avec le ralentissement général de la NASA dans l' ère post- Apollo . Sans mission humaine vers Mars , la nécessité d'une fusée thermique nucléaire n'est pas claire. Un autre problème serait les préoccupations du public concernant la sécurité et la contamination radioactive .
Essai destructif Kiwi-TNT
En janvier 1965, le programme américain Rover a intentionnellement modifié un réacteur Kiwi (KIWI-TNT) pour qu'il devienne rapidement critique, entraînant la destruction immédiate de la cuve sous pression du réacteur, de la buse et des assemblages combustibles. Destiné à simuler le pire scénario d'une chute d'altitude dans l'océan, comme cela pourrait se produire lors d'une panne de rappel après le lancement, la libération de rayonnement qui en résulterait aurait fait des morts jusqu'à 183 m (600 pieds) et des blessés jusqu'à 610 m (2 000 pieds). Le réacteur a été positionné sur un wagon de chemin de fer dans la région de Jackass Flats du site d'essai du Nevada .
Royaume-Uni
En janvier 2012, le groupe de propulsion du projet Icarus étudiait un système de propulsion NTR.
Israël
En 1987, Ronen & Leibson ont publié une étude sur les applications du 242m Am (l'un des isotopes de l'américium ) comme combustible nucléaire pour les réacteurs nucléaires spatiaux , notant sa section efficace thermique et sa densité d'énergie extrêmement élevées . Les systèmes nucléaires alimentés par 242m Am nécessitent moins de combustible d'un facteur de 2 à 100 par rapport aux combustibles nucléaires conventionnels .
Une fusée à fragments de fission utilisant 242 m Am a été proposée par George Chapline au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en 1988, qui a suggéré une propulsion basée sur le chauffage direct d'un gaz propulseur par des fragments de fission générés par une matière fissile. Ronen et al. démontrer que 242m Am peut maintenir une fission nucléaire soutenue sous la forme d'un film métallique extrêmement mince, moins de 1/1000 de millimètre d'épaisseur. 242m Am ne nécessite que 1% de la masse de 235 U ou 239 Pu pour atteindre son état critique. Le groupe de Ronen à l' Université Ben Gourion du Néguev a en outre montré que le combustible nucléaire basé sur 242 m Am pouvait accélérer les véhicules spatiaux de la Terre à Mars en aussi peu que deux semaines.
Le 242m Am en tant que combustible nucléaire est dérivé du fait qu'il a la section efficace de fission thermique la plus élevée (des milliers de granges ), environ 10 fois la section efficace suivante la plus élevée parmi tous les isotopes connus. Le 242m Am est fissile (car il possède un nombre impair de neutrons ) et a une faible masse critique , comparable à celle du 239 Pu .
Il a une section efficace très élevée pour la fission, et si dans un réacteur nucléaire, il est détruit relativement rapidement. Un autre rapport affirme que 242m Am peut soutenir une réaction en chaîne même sous forme de film mince et pourrait être utilisé pour un nouveau type de fusée nucléaire .
Comme la section efficace d'absorption thermique de 242m Am est très élevée, la meilleure façon d'obtenir 242m Am est par la capture de neutrons rapides ou épithermiques dans l'Américium-241 irradié dans un réacteur rapide . Cependant, les réacteurs à spectre rapide ne sont pas facilement disponibles. Une analyse détaillée de la reproduction de 242m Am dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) existants a été fournie. Une résistance à la prolifération de 242 m Am a été rapportée par l' étude de 2008 de l' Institut de technologie de Karlsruhe .
Italie
En 2000, Carlo Rubbia au CERN a encore étendu les travaux de Ronen et Chapline sur une fusée à fragments de fission utilisant 242 m Am comme carburant. Le projet 242 basé sur la conception de Rubbia a étudié un concept de NTR chauffé par fragment de fission à couche mince basé sur 242 m Am en utilisant une conversion directe de l'énergie cinétique des fragments de fission en augmentation de l'enthalpie d'un gaz propulseur . Le projet 242 a étudié l'application de ce système de propulsion à une mission avec équipage vers Mars. Les résultats préliminaires ont été très satisfaisants, et il a été observé qu'un système de propulsion avec ces caractéristiques pourrait rendre la mission réalisable. Une autre étude a porté sur la production de 242m Am dans les réacteurs nucléaires thermiques conventionnels.
Recherches en cours aux États-Unis depuis 2000
Les conceptions actuelles de fusées thermiques nucléaires à noyau solide visent à limiter considérablement la dispersion et la rupture des éléments combustibles radioactifs en cas de défaillance catastrophique.
Depuis 2013, un NTR pour les voyages interplanétaires de l'orbite terrestre à l'orbite martienne est à l'étude au Marshall Space Flight Center . Lors d'essais au sol historiques, les NTR se sont avérés au moins deux fois plus efficaces que les moteurs chimiques les plus avancés, ce qui permettrait un temps de transfert plus rapide et une capacité de chargement accrue. La durée de vol plus courte, estimée à 3 à 4 mois avec des moteurs NTR, contre 6 à 9 mois avec des moteurs chimiques, réduirait l'exposition de l'équipage à des rayons cosmiques potentiellement nocifs et difficiles à protéger . Les moteurs NTR, tels que le Pewee de Project Rover , ont été sélectionnés dans la Mars Design Reference Architecture (DRA).
En 2017, la NASA a poursuivi la recherche et le développement sur les NTR, concevant des applications spatiales avec des matériaux civils approuvés, avec un contrat de 18,8 millions de dollars sur trois ans.
En 2019, un projet de loi de crédits adopté par le Congrès américain prévoyait un financement de 125 millions de dollars américains pour la recherche sur la propulsion nucléaire thermique, y compris la planification d'une mission de démonstration en vol d'ici 2024.
À partir de 2021, il y a eu beaucoup d'intérêt pour les fusées thermiques nucléaires de la part de la United States Space Force et de la DARPA pour des utilisations orbitales et cis-lunaires. Outre l'armée américaine, l'administrateur de la NASA, Jim Bridenstine , a également exprimé son intérêt pour le projet et ses applications potentielles pour une future mission vers Mars . La DARPA a attribué 2 contrats pour son programme Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), qui vise à démontrer un système de propulsion nucléaire thermique en orbite : un prix en septembre 2020 à Gryphon Technologies pour 14 millions de dollars américains, et un autre prix en avril 2021 à General Atomics pour 22 millions de dollars, à la fois pour les conceptions préliminaires du réacteur. Actuellement, la DARPA est dans la prochaine phase de sollicitation de propositions pour la conception, le développement, la fabrication et l'assemblage du moteur. Deux conceptions conceptuelles de vaisseaux spatiaux de Blue Origin et Lockheed Martin ont été sélectionnées. Les propositions pour une démonstration en vol de propulsion nucléaire thermique au cours de l'exercice 2026 sont dues le 5 août 2022.
Des risques
Une panne de fusée atmosphérique ou orbitale pourrait entraîner la dispersion de matières radioactives dans l'environnement. Une collision avec des débris orbitaux, une défaillance matérielle due à une fission incontrôlée, des imperfections matérielles ou de la fatigue, ou des défauts de conception humains pourraient provoquer une brèche de confinement de la matière fissile. Une défaillance aussi catastrophique en vol pourrait libérer des matières radioactives au-dessus de la Terre dans une zone vaste et imprévisible. La quantité de contamination dépendrait de la taille du moteur-fusée thermique nucléaire, tandis que la zone de contamination et sa concentration dépendraient des paramètres météorologiques et orbitaux en vigueur au moment de la rentrée.
Il est peu probable que les éléments combustibles d'un réacteur soient répartis sur une vaste zone, car ils sont composés de matériaux tels que des composites de carbone ou des carbures et sont normalement recouverts d' hydrure de zirconium . Avant que la criticité ne se produise, le combustible NTR à noyau solide n'est pas particulièrement dangereux. Une fois le réacteur démarré pour la première fois, des produits de fission extrêmement radioactifs à vie courte sont produits, ainsi que des produits de fission moins radioactifs mais à vie extrêmement longue. De plus, toutes les structures du moteur sont exposées à un bombardement neutronique direct, ce qui entraîne leur activation radioactive.
Voir également
- NERVA - Projet de moteur de fusée thermique nucléaire américain 1956-1973
- Project Rover - Projet américain de construction d'une fusée thermique nucléaire
- Projet Timberwind - Projet américain, 1987-1991, pour développer des moteurs de fusée thermiques nucléaires
- Fusée thermique
- Fusée à fragments de fission
- Fusée électrique nucléaire
- Propulsion nucléaire pulsée
- Fusée à radio-isotopes
- Propulsion de vaisseau spatial
- Projet Prometheus - Projet de propulsion électrique nucléaire de la NASA 2003-2006
- UHTREX - Expérience américaine de réacteur à ultra-haute température (1959-1971)
- Projet Pluton - Projet de statoréacteur nucléaire américain, 1957-1964