La NASA et le DARPA s'associent pour tester la propulsion nucléaire en prévision des futures missions vers la Lune et vers Mars. Quels avantages par rapport aux moyens de propulsion actuels ? Quels risques ? Pourquoi les Américains avaient abandonné l'idée il y a 50 ans ? Qu'en est-il chez les Russes ?
La NASA a annoncé la semaine dernière son partenariat avec la DARPA pour mettre en œuvre le projet de réacteur nucléaire pour fusées à travers le programme « Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) » de l'agence américaine de recherche militaire [PDF de l'accord]. Les deux agences se donnent la date butoir de 2027 pour « développer et démontrer une technologie avancée de propulsion nucléaire thermique ».
L'accord sépare le projet de tout lien commercial de la NASA avec d'autres partenaires et donne la responsabilité du développement technique du moteur nucléaire thermique à l’Agence spatiale américaine, qui sera intégré au vaisseau spatial expérimental (experimental nuclear thermal rocket vehicle, X-NTRV) de la DARPA. Cette dernière prend l'autorité sur le projet. Le document précise quand même qu'aucune activité de la NASA ne sera classifiée.
Enfin une concrétisation ?
Si cette coopération indique une accélération du projet américain de fusée nucléaire, l'idée d'utiliser cette énergie pour propulser des fusées n'est pas tout à fait neuve pour la NASA, même si aucune fusée de ce type n'a jamais volé. En 2019, le discours de Mike Pence, à l'époque vice-président de Donald Trump, et une enveloppe de 125 millions de dollars du congrès américain donnaient le « go » aux chercheurs et ingénieurs de l'agence :
« Alors que nous continuons à aller plus loin dans notre système solaire, nous allons avoir besoin de nouveaux systèmes de propulsion innovants pour nous y rendre, notamment l'énergie nucléaire ».
Un an après, Donald Trump présentait une directive de politique spatiale donnant la « stratégie nationale pour la propulsion et l'énergie nucléaire spatiale (SNPP) ».
Depuis, les deux agences communiquaient régulièrement, mais séparément sur leurs projets respectifs. La NASA vient même d'annoncer en début du mois un moteur alliant propulsion nucléaire thermique et propulsion nucléaire électrique. Mais ce partenariat pousse donc la NASA à rejoindre le projet DARCO de la DARPA. Si le nom de code du vaisseau, « X-NRTV », est donné dans le contrat publié, aucune information technique sur la mission de démonstration n'a été divulguée.
Si le projet a été relancé par la volonté politique de Donald Trump et Mike Pence de poursuivre la conquête spatiale américaine vers Mars, des chercheurs de la NASA y ont toujours été attachés. En 1991, certains planchaient déjà sur la faisabilité d'un vaisseau spatial à moteur nucléaire thermique pour les missions lunaires et martiennes et en 2016, l'un d'eux publiait tout un livre sur le sujet.
Mais en fait, les projets de propulsion nucléaire thermique ont commencé dans les années 50, lors de la guerre froide, pour envoyer des missiles. À sa création en 1958, la NASA a récupéré le sujet, regroupant les études et leur ajoutant un but d'exploration spatiale, sous le nom de projet NERVA.
La collaboration militaro-scientifique sur le sujet est donc une histoire ancienne. NERVA a même donné lieu à plusieurs tests de 1964 à 1969. Mais la baisse des financements de la NASA après le programme Apollo a eu raison de la suite du projet NERVA qui prévoyait déjà un séjour vers Mars pour 1978 et l'installation d'une base lunaire pour 1981. Reste à savoir si le congrès américain renouvellera les enveloppes nécessaires jusqu'à la réalisation du projet ou si, comme au début des années 1970, il verra d'autres priorités.
Des défis pas si inatteignables
L'idée est, en tout cas, de créer un moteur nucléaire permettant de libérer plusieurs gigawatts et propulser beaucoup plus rapidement la fusée que les moteurs classiques. Un document de la NASA de 1991 explique que « l'avantage d'une fusée nucléaire est qu'elle peut atteindre plus du double de l'impulsion spécifique des meilleures fusées chimiques. Pour une mission vers Mars, un moteur de 5 000 MW brûlerait moins d'une heure pour fournir la vitesse nécessaire à la mission. »
Si ce document parle d'un moteur de 5 GW, les moteurs du projet NERVA des années 60 n'avaient atteint « que » 1 GW et chauffant à plus de 2 000 °C. Un seul moteur nucléaire a réussi à monter jusqu'à 4 GW pendant 12 minutes, le moteur Pheobus 2A du laboratoire militaire de Los Alamos (Los Alamos Scientific Laboratory). Le but n'est donc pas inatteignable, mais les deux agences vont devoir aller au-delà de leurs réalisations passées, même si celles-ci sont une bonne base sur laquelle s'appuyer.
Pour le fonctionnement, c'est théoriquement assez simple. Comme dans les autres moteurs-fusées, un moteur nucléaire thermique chauffe à très haute température un fluide (souvent de l'hydrogène) pour se propulser, mais en le chauffant avec un réacteur nucléaire dont la densité énergétique est beaucoup plus importante. Dans les faits, le moteur est quand même trop lourd pour pouvoir être installé dans le premier étage de la fusée et ne peut être utilisé qu'une fois la fusée lancée.
Ce n'est finalement pas très grave, car utiliser ce genre de moteur au décollage impliquerait de lancer la fission nucléaire au sol et amènerait un risque de sécurité nucléaire très important en cas d'un éventuel problème. Si ce risque existe même en décollant avec un premier moteur classique, il est beaucoup plus réduit.
Les ingénieurs et chercheurs des deux agences doivent néanmoins prévoir de pouvoir bloquer la réaction en chaîne avec des matériaux absorbeurs. En dehors d'un possible accident, ils doivent aussi prévoir de protéger les astronautes et le matériel de la navette des radiations. Et sous des températures très importantes de plus de 2 000 °C, les matériaux composant le moteur ne peuvent pas être les mêmes que ceux utilisés dans les centrales nucléaires (aux alentours de 300 °C).
La NASA et la DARPA devront aussi prendre plus de précautions pour les différents tests du moteur que du temps du projet NERVA. Les connaissances sur l'atome ont évoluées et les deux agences ne peuvent plus faire comme s'il n'y avait aucun risque.
La gestion de l'hydrogène potentiellement contaminé et libéré lors des tests est, par exemple, un problème qui doit être pris en compte. Nul doute que des tests en simulation numérique pourront apporter des informations importantes en évitant ce genre de rejet, mais des tests en conditions réelles seront aussi évidemment nécessaires avant d'envoyer un éventuel équipage vers la Lune ou Mars avec un tel moteur.
Le projet russe au nom de « Zeus » pour atteindre Jupiter
Les Américains ne sont pas les seuls à vouloir voyager dans l'espace grâce à un moteur nucléaire thermique. Roscosmos, l'agence spatiale russe, a annoncé en 2021 sa volonté de construire un vaisseau spatial à propulsion nucléaire nommé « Zeus » en référence à son but ultime, atteindre Jupiter. La Lune puis Vénus sont indiquées comme des premières étapes du projet.
La Russie peut aussi compter sur son expérience acquise pendant la guerre froide. Entre les années 50 et 80, l'URSS a aussi expérimenté l'idée du moteur nucléaire thermique, notamment avec le projet IRGIT. « De 1961 à 1984 [...] environ 10 réacteurs nucléaires de différentes modifications (IGR, IVT, IRGIT, etc.) ont été conçus, fabriqués et testés », expliquent dans un article [PDF] des chercheurs russes de l'Institut de physique et d'ingénierie énergétique de Obninsk.
Mais le projet de réacteur nucléaire Zeus parait plus modeste que celui des Américains puisque sa puissance prévue ne devrait pas dépasser 500 kilowatts. À l'époque, Roscosmos prévoyait le premier lancement de Zeus pour 2030. Reste à savoir si la guerre d'occupation en Ukraine lancée par Vladimir Poutine n'a pas remis en question les financements alloués au projet.
Commentaires (48)
#1
Même si le réacteur nucléaire n’est pas allumé au sol, il reste le problème que si la fusée dévie de sa trajectoire, la procédure habituelle est de la faire exploser en vol pour éviter qu’elle ne s’écrase à un endroit non controlé. Si il y a de la matière nucléaire à bord, cette matière sera inévitablement disperser sur une large surface, contaminant ainsi le sol.
#1.1
Une explosion de fusée c’est impressionnant car il y a beaucoup d’ergols qui brûlent en même temps, mais en réalité ça ne doit pas être si terrible que ça pour un réacteur qui aura de toute manière un blindage neutronique important pour protéger les passagers et les systèmes du vaisseau
#1.2
Pour se protéger des neutrons, on utilise généralement de l’eau ou du plastique (en gros des matériaux riches en hydrogène). Pas sûr que ça soit très résistant en cas d’explosion.
#1.3
Oui, dans les cas où il n’y a pas de problème de volume et de résistance mécanique
Et il y aura aussi du gamma à bloquer
#2
Même avec un vaisseau habité ?
#2.1
Pour les vols habités, il y a la “tour de sauvetage” pour éjecter la capsule avant la destruction, volontaire ou non, de la fusée.
#3
@ pamputt :
C’est déjà le cas avec les RTG qui fonctionnent au plutonium et qui sont présents dans les rovers martiens.
L’inconnue reste une comparaison des quantités embarquées entre un RTG et un moteur nucléaire.
#4
Dans les RTG, l’électricité est fournie à partir de la chaleur dégagée par la radioactivité naturelle. Ici, je comprends qu’on lance une réaction de fission nucléaire. D’ailleurs pour attendre 5GW, je crois qu’on n’a pas trop le choix sinon il faudrait des quantités énormes de matières nucléaires pour obtenir cette quantité d’énergie avec seulement la radioactivité naturelle. Les impacts ne sont pas du tout les mêmes.
#5
Bonne question, ce lien ne parle que des vols non habités.
#6
5GW, c’est rien…
#6.1
Et de manière assez surprenante, les traducteurs français ont du penser que 2 c’était mieux que 1…
Version Originale: 1.21 GW
Version Francaise: 2.21 GW
Et j’ai bien écouté plusieurs fois les 2 versions. C’est bien 1.21 & 2.21…. Fascinant !
#6.3
Je suis dubitatif également sur la température que doivent supporter les matériaux. Il me semblait que la fission de stabilisait autour des 1000 °C, ce qui est déjà pas mal.
C’est le principe sur lequel se basent les « peeble bed reactors »
#6.2
Je pense que c’était peut-être pour éviter une mauvaise compréhension entre un “virgule 21GW” , c’est quoi un “virgule 21GW” ? et 1,21GW.
En Anglais, “one” pour le chiffre “1” et “a/an” comme article avant le nom donc pas d’ambiguïté.
#7
Question probablement stupide mais si envoyer du carburant nucléaire est trop dangereux dans une fusée classique, qu’est-ce qui interdit d’envoyer la fusée seule (réacteur vide), puis d’envoyer une autre fusée (du même type que celle de Virgin, par exemple) avec uniquement le combustible ?
PS : on discute même pas du “ravitaillement” une fois les deux fusées dans l’espace …
#8
J’ai pas compris. Il faut quand même envoyer le combustible nucléaire d’une manière ou d’une autre dans l’espace (donc en fusée). Que ça soit la première fusée ou la seconde qui explose, le problème reste le même, non ?
#8.1
Si tu considère que la cargaison ne doit pas être endommagée en cas de problème, tu l’éjecte avant l’auto destruction, de la même façon qu’on le ferait avec un équipage.
#8.2
Tu auras beau mettre toutes les sécurités imaginables et prendre toutes les précautions possibles, le pire pourra toujours arriver. Des astronautes qui perdent la vie c’est dramatique, mais ce n’est rien à côté de la vaporisation de quelques tonnes de plutonium au-dessus d’une grande ville.
Et on ne peut pas sortir des arguments du genre “si on ne prenait pas de risque technologique on en serait encore à l’âge des cavernes” : l’exploration spatiale n’est pas un enjeu vital à ce point.
#8.3
Disons que je vois ça comme étant plus “sûr” qu’un décollage traditionnel, mais oui ça ne règle pas le problème en cas d’explosion.
En fait dans la fusée de Virgin, étant donné qu’elle est plus petite, je l’a vois comme moins “soumise” à des risques et moins complexe qu’une fusée classique, donc plus de chance de succès pour ce genre d’opération
#8.4
Le moteur nucléaire ne peut pas être utilisé pour le décollage, uniquement dans l’espace car il ne fournit qu’une poussée très faible par rapport à un moteur à réaction chimique. Les fusées SpaceX affichent des records exemplaires de fiabilité avec leurs moteurs Merlin dont là-dessus le risque d’échec et d’explosion est vraiment vraiment minimal.
#9
Je pense que la NASA trolle la presse en mode « dans ma press press press » pour aboutir à l’idée que petit comissaire et son billet de 500 balles (de tennis) ne lui plaisent pas.
Après l’échec de VEGA le pressage de bouton est à la mode, sinon.
#10
Le problème devient alors que ton colis peut atterrir dans un pays qui ne t’appartient pas. Si ce sont des personnes de l’équipage, les pays peuvent s’arranger. Si c’est une cargaison, j’imagine que la question peut se poser différemment.
Et on ne peut jamais totalement exclure que le système d’éjection dysfonctionne.
#11
En fait la liste des différentes technologies nucléaires possibles (sur le papier) est assez impressionnante:
Fusée à propulsion nucléaire pulsée (explosion de mini bombes nucléaires)
Fusée thermique nucléaire (mentionnée dans l’article)
Fusée à fragments de fission
Voile à fission
Fusée à fusion
Fusée réacteur à cœur gazeux
Fusée nucléaire à eau salée
Fusée à radio-isotopes
Fusée photonique nucléaire
Fusée électrique nucléaire
(Source: Wiki)
#11.1
Mais toutes ces technologies reposent toujours sur le même et immuable principe de la Physique, la 3ième loi de Newton:
“pour chaque action (force) dans la nature, il y a une réaction égale et opposée”
#12
La température de vaporisation est quand même de 3250°C pour le plutonium et 3818°C pour l’uranium.
Pour info, le fer c’est “seulement” 2750°C et à chaque explosion de fusée, j’ai jamais entendu parler de nuages de fer dans l’atmosphère.
Et aussi, la densité de l’uranium ou plutonium, c’est environ x2 celle du plomb, donc les morceaux n’iront pas voler bien bien loin…
#12.1
Oui bien sûr, je disais “vaporiser” pour “disperser en fines poussières”…
#13
“Oui bien sûr, je disais “vaporiser” pour “disperser en fines poussières”…
Sinon j’ajouterai aussi que les sites de lancements (pour les Occidentaux) sont tous situés près de l’océan et en cas d’échec, les fusées (ou ce qu’il en reste) retombent justement dans l’océan.
#14
En fait rien
#15
Ils peuvent peut être prévoir de lancer la matière fissible dans une fusée à part dans un conteneur blindé qui résisterait à un échec de la fusée.
#16
À noter que du Pu238 n’est pas naturel mais bien artificiel. En général, le Pu238 est fabriqué dans des “breeder reactors” qui permettent de sortir très facilement les barres de combustible ayant subi un flux de neutron nécessaire à sa création.
#17
Et je lis que le fluide caloporteur serait de l’hydrogène donc le problème de l’azote16 disparaît (très fort émetteur gamma, pas bon du tout).
#18
un moteur nucléaire permettant de libérer plusieurs gigawatts
et propulser beaucoup plus rapidement la fusée que les moteurs classiques
une question que je me pose :
on déjà à la limite (physiquement) bcp. supportent mal le test de centrifugeuse, alors
encore + de ‘Jet’ ???
#18.1
La poussée ne sera pas particulièrement plus élevée que les moteurs actuels, l’avantage réside dans la plus grande efficacité du moteur (impulsion spécifique) qui permet de pousser beaucoup plus longtemps avec la même masse de carburant et donc d’atteindre des vitesses beaucoup plus importantes
#18.2
Pas confondre vitesse et accélération. Plus vite ne veut pas dire plus de G. Si l’accélération est faite lentement et de manière régulière.
#18.3
Exact. Avec les moteurs chimiques actuels, même pour aller sur la Lune, le moteur ne fonctionne qu’au début et à la fin du voyage. Là on pourrait pousser à 1G pendant la moitié du trajet, puis freiner à 1 G à la fin. En plus on aurait de la gravité artificielle dans le vaisseau pendant tout le trajet !
#18.4
ok !
#19
En cas d’explosion de la fusée, on parle ici de quantité de matière radioactive assez minime.
Un SNLE ne consomme pas plus de 50 barres de combustible (elles sont toutes petites, on peut en prendre 10 dans une main) pour 7 années d’autonomie à 550MW. On aura pas “des tonnes de plutonium” dans une fusée.
Si ça se passe mal, on sera très loin de ce qu’on a déjà connu avec les accidents en centrales.
#20
Heu, c’est pas trop conseillé quand même hein !
Tes 10 barres, au bout de quelques années, elles ont contaminé une bonne partie du bateau au passage.
Ici on parle de 5GW sur 1an ptet, c’est kif-kif
C’est ce qui est conseillé oui.
Partir loin…
-> []
#21
#22
ça me fait penser que les moteurs nucléaires sont “courant” dans For All Mankind…. Mais si en 1983 on décolle depuis l(a haute) atmosphère, en 1992 les tests ont lieu sur la base lunaire de Jamestown.
#23
Pourquoi des tonnes ? l’intérêt du nucléaire c’est justement la densité énergétique, je doute qu’une fusée embarque des “tonnes de plutonium”, le réacteur doit déjà être assez lourd, mais le “carburant”… ?
La différence majeure est qu’un moteur fusée ne s’arrête jamais. Une fois lancé, il pousse à fond jusqu’à ce qu’il tombe à sec sans réelle possibilité de l’arrêter ou de simplement limiter la poussée. Pour un moteur nucléaire, il serait a priori parfaitement possible de moduler la puissance voir de l’arrêter et redémarrer si nécessaire.
#23.1
Non ça c’est uniquement pour les booster à poudre, on sait très bien faire des moteurs chimiques redémarrables (ne serait-ce que chez spacex par exemple)
#23.2
Redémarrable oui (enfin en principe… n’est ce pas Zeffiro ?)
Mais est ce que l’on sait en moduler la puissance ? ou c’est forcément “On/Off” ?
#24
Mais ce n’est pas simple de faire de la poussée variable, le moteur du module de descente des missions Apollo a été un des premiers et ça a été un vrai saut technologique pour la propulsion spatiale
#25
5 GW, ça correspond à une poussée très faible ? Heu…
Surtout quand on a lu « Pour une mission vers Mars, un moteur de 5 000 MW brûlerait moins d’une heure pour fournir la vitesse nécessaire à la mission »
#25.1
Autant pour moi,
j’ai du lire un peu vite et j’avais aussi en tête un article de Science&Avenir sur le moteur nucléaire ionique qui lui ne délivre qu’une poussée très faible mais qui peut être utilisé durant de longues périodes (contrairement aux moteurs “chimiques”). Ici on parle en effet de moteur nucléaire thermique.
Moteur ionique
Apres, comme je l’ai précisé avec mon copié-collé Wikipedia, il y pléthore de technologies pour des moteurs à propulsion nucléaire avec des caractéristiques physiques assez différentes entre eux.
Fusée à propulsion nucléaire pulsée (explosion de mini bombes nucléaires)
Fusée thermique nucléaire (mentionnée dans l’article)
Fusée à fragments de fission
Voile à fission
Fusée à fusion
Fusée réacteur à cœur gazeux
Fusée nucléaire à eau salée
Fusée à radio-isotopes
Fusée photonique nucléaire
Fusée électrique nucléaire
(Source: Wiki)
#26
La fission ne se stabilise que dans la mesure où elle est contrôlée, et la température dépend du refroidissement (ou pas), donc ce n’est ni 300 ni 1000 ni 3000 degrés, il n’y a pas de “température” de fission (qui est à quelques millions de degrés dans une bombe).
Ça m’étonne que ce soit aussi petit, car dans une centrale EDF de 900 MW, on a plusieurs tonnes de “combustible”, j’avais retenu le chiffre de 60 tonnes pour je ne sais plus quelle centrale (peut-être pour plus d’un réacteur).
Non non, l’uranium au départ c’est très peu radioactif (la demi-vie est très très longue). Une photo surprenante au premier abord c’est le gars qui transporte comme un pack de bière de l’uranium enrichi qui allait dans une des bombes US.
Je pense qu’une centrale conçue pour générer 500 MW n’a pas la même taille (ni quantité d’uranium) qu’une centrale conçue pour générer 5 GW.
Merci pour tes commentaires, c’est rare de voir des gens qui s’y connaissent.
Ben non. Les missions Apollo (pour ne citer qu’elles) avaient des moteurs fusées interruptibles (pas forcément tous). Les moteurs ininterruptibles sont les boosters à poudre, surtout.
(j’ai vu ton commentaire après avoir écrit ci-dessus)
#26.1
Concernant le combustible nucléaire, les barres utilisées dans les centrales sont enrichis entre 1% et 5%. On change 1⁄3 des barres tous les ans.
Pour les bâtiments militaires, par exemple les SNLE francais, ils ne refont “le plein” qu’une fois tous les 7 à 10 ans (et je crois 1 fois tous les 20 ans pour les porte-avions US) . Ils utilisent des barres enrichis à 20%, parce que c’est beaucoup plus compliqué de changer les barres dans un porte-avion ou un sous-marin que dans une centrale et aussi ça limite la disponibilité opérationnelle du bâtiment.
#27
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