Les horizons nucléaires de la NASA : l’énergie de fission pionnière pour la Lune, Mars et au-delà

Projet de puissance de surface par fission de la NASA

Image conceptuelle du Projet de Puissance de Surface par Fission de la NASA. Crédit : NASA

La NASA avance avec son Projet de Puissance de Surface par Fission pour développer un réacteur à fission nucléaire pour la Lune, en mettant l’accent sur l’autonomie, la sécurité et le fonctionnement à long terme. Cet effort vise à soutenir la présence humaine durable sur la Lune, avec des applications potentielles pour Mars.

La NASA achève la phase initiale de son Projet de Puissance de Surface par Fission, qui visait à développer des conceptions de concepts pour un réacteur à fission nucléaire de petite taille, générateur d’électricité, qui pourrait être utilisé lors d’une future démonstration sur la Lune et pour informer les conceptions futures pour Mars.

En 2022, la NASA a accordé trois contrats de 5 millions de dollars, confiant à chaque partenaire commercial le développement d’une conception initiale comprenant le réacteur ; ses systèmes de conversion de puissance, de rejet de chaleur et de gestion et distribution de puissance ; estimations des coûts ; et un calendrier de développement qui pourrait ouvrir la voie à l’alimentation d’une présence humaine durable à la surface lunaire pendant au moins 10 ans.

Démontrer la puissance nucléaire sur la Lune

« Une démonstration d’une source d’énergie nucléaire sur la Lune est nécessaire pour montrer que c’est une option sûre, propre et fiable », a déclaré Trudy Kortes, directrice de programme, Missions de démonstration technologique au sein de la Direction des missions technologiques spatiales de la NASA au siège social de la NASA à Washington. « La nuit lunaire est difficile d’un point de vue technique, donc avoir une source d’énergie comme ce réacteur nucléaire, qui fonctionne indépendamment du soleil, est une option facilitante pour l’exploration à long terme et les efforts scientifiques sur la Lune. »

Alors que les systèmes d’énergie solaire ont des limitations sur la Lune, un réacteur nucléaire pourrait être placé dans des zones constamment ombragées (où il pourrait y avoir de la glace d’eau) ou générer de l’électricité de manière continue pendant les nuits lunaires, qui durent 14 jours et demi terrestres.

Projet de puissance de surface par fission de la NASA sur la Lune

La NASA prévoit une présence durable sur la Lune et éventuellement sur Mars. Une énergie sûre, efficace et fiable sera essentielle pour l’exploration future robotique et humaine. Crédit : NASA

La NASA a conçu les exigences pour ce réacteur initial pour qu’elles soient ouvertes et flexibles afin de maintenir la capacité des partenaires commerciaux à apporter des approches créatives pour un examen technique.

« Il y avait une grande variété d’approches ; elles étaient toutes très uniques les unes des autres », a déclaré Lindsay Kaldon, responsable du projet de Puissance de Surface par Fission au Centre de recherche Glenn de la NASA à Cleveland. « Nous ne leur avons pas donné beaucoup d’exigences à dessein car nous voulions qu’ils pensent en dehors de la boîte. »

Exigences techniques et considérations de sécurité

Cependant, la NASA a précisé que le réacteur devait rester en dessous de six tonnes métriques et être capable de produire 40 kilowatts (kW) de puissance électrique, garantissant suffisamment à des fins de démonstration et une puissance supplémentaire disponible pour alimenter des habitats lunaires, des rovers, des réseaux de secours ou des expériences scientifiques. Aux États-Unis, 40 kW peuvent, en moyenne, fournir de l’électricité à 33 ménages.

La NASA a également fixé comme objectif que le réacteur soit capable de fonctionner pendant une décennie sans intervention humaine, ce qui est essentiel à son succès. La sécurité, en particulier en ce qui concerne la dose de rayonnement et le blindage, est un autre facteur clé pour la conception.

Outre les exigences fixées, les partenariats ont envisagé comment le réacteur serait alimenté à distance et contrôlé. Ils ont identifié les fautes potentielles et envisagé différents types de combustibles et configurations. Le fait d’avoir des entreprises nucléaires terrestres associées à des entreprises ayant une expertise dans le domaine spatial a permis une large gamme d’idées.

Vue d’ensemble : Phase 2 et au-delà

La NASA prévoit de prolonger les trois contrats de la Phase 1 pour recueillir plus d’informations avant la Phase 2, lors de laquelle l’industrie sera sollicitée pour concevoir le réacteur final à démontrer sur la Lune. Cette connaissance supplémentaire aidera l’agence à fixer les exigences de la Phase 2, selon Kaldon.

« Nous recevons beaucoup d’informations des trois partenaires », a déclaré Kaldon. « Nous devrons prendre un certain temps pour tout traiter et voir ce qui a du sens pour passer à la Phase 2 et tirer le meilleur parti de la Phase 1 pour définir un système à risque réduit en avance. »

Une sollicitation ouverte pour la Phase 2 est prévue pour 2025.

Après la Phase 2, la date cible pour la livraison d’un réacteur sur le pas de tir est au début des années 2030. Sur la Lune, le réacteur achèvera une démonstration d’un an suivie de neuf années opérationnelles. Si tout se passe bien, la conception du réacteur pourra être mise à jour pour une utilisation potentielle sur Mars.

En plus de se préparer pour la Phase 2, la NASA a récemment accordé des contrats à Rolls Royce North American Technologies, Brayton Energy et General Electric pour développer des convertisseurs de puissance Brayton.

La puissance thermique produite lors de la fission nucléaire doit être convertie en électricité avant utilisation. Les convertisseurs Brayton résolvent ce problème en utilisant les différences de chaleur pour faire tourner des turbines à l’intérieur des convertisseurs. Cependant, les convertisseurs Brayton actuels gaspillent beaucoup de chaleur, de sorte que la NASA a mis au défi les entreprises de rendre ces moteurs plus efficaces.

Le programme des Missions de Démonstration Technologique gère la Puissance de Surface par Fission dans le cadre de la Direction des Missions Technologiques Spatiales de la NASA.