Les systèmes nucléaires spatiaux : introduction

Parce qu’ils offrent une exceptionnelle densité énergétique, les systèmes nucléaires pour la production d’électricité dans l’espace et pour la propulsion spatiale ont commencé à être développés dès la fin des années 1950. Les générateurs radio-isotopiques thermoélectriques de quelques centaines de We et les chaufferettes radio-isotopiques sont utilisés dans l’espace depuis le début des années 1960 et ont rendu possibles nombre de missions d’exploration spatiale emblématiques, permettant ainsi à l’humanité de faire des progrès considérables dans sa connaissance du système solaire. Des générateurs électronucléaires spatiaux à fission de quelques kWe ont été largement utilisés par l’Union soviétique jusqu’à la fin des années 1980 pour alimenter des satellites d’observation militaires en orbite terrestre. Les importants développements menés aux États-Unis et en Union soviétique dans les années 1960-1970 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. 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, ainsi que le fort regain des tensions géopolitiques ayant également des retombées dans le domaine de l’utilisation militaire de l’espace cislunaire, ont conduit à une forte relance des programmes de développement de nouveaux systèmes nucléaires spatiaux électrogènes et de propulsion, principalement aux États-Unis, en Russie et en Chine. Certains de ces programmes ont pour objectif de premières démonstrations dans l’espace, pour certains avant la fin de la décennie 2020.

Cet article se veut une introduction au domaine des systèmes nucléaires spatiaux donnant un aperçu de leurs principes et de leurs mérites et domaines d’application potentiels.

La première partie de l’article est dédiée aux systèmes nucléaires spatiaux pour la production d’électricité dans l’espace. Elle aborde d’abord les domaines d’application et mérites du nucléaire comme mode de production d’électricité dans l’espace par comparaison au solaire photovoltaïque. Sont ensuite présentés les systèmes de faible puissance, à base de radio-isotopes : principes et conception, performances, historique et limites d’utilisation ; puis les générateurs électronucléaires à fission : description, état de l’art, spécificités par rapport aux microréacteurs électronucléaires terrestres et implications quant aux technologies à mettre en œuvre.

Dans une deuxième partie, l’article traite des systèmes de propulsion nucléaire spatiaux. Ils sont d’abord replacés dans la problématique générale de la propulsion dans l’espace pour dégager les applications pour lesquels ils présentent des avantages potentiels par rapport aux technologies existantes et à leur progrès à venir : propulsion chimique et propulsion solaire électrique. Sont ensuite traités successivement les systèmes de propulsion nucléaire thermique et de propulsion nucléaire électrique : principe, conception, état de l’art et défis technologiques.

La dernière partie de l’article aborde la maîtrise de la sûreté des systèmes nucléaires spatiaux.

Cet article ne se veut nullement exhaustif. L’objectif est de donner, en particulier aux ingénieurs, des informations techniques, des chiffres et des ordres de grandeur ainsi qu’un aperçu des possibilités offertes mais aussi des limites et des questions ouvertes. Trois articles dédiés chacun à l’un des trois grands types de systèmes nucléaires spatiaux permettront ensuite au lecteur intéressé d’approfondir sa connaissance du sujet : systèmes à radio-isotopes, systèmes électronucléaires à fission et de propulsion nucléaire électrique, systèmes de propulsion nucléaire thermiques.