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Malgré l’appréhension qu’elle suscite a priori, l’énergie nucléaire semble devoir être le meilleur support au développement d’un établissement humain sur Mars. La NASA travaille en partenariat avec le DOE* pour une solution de réacteur efficace, fiable et transportable. Des progrès considérables sont en cours.
*Département Fédéral de l’Energie des Etats-Unis
Après avoir interrompu les premières réalisations de réacteurs nucléaires pour l’espace il y a une cinquantaine d’années suite à la prise de conscience de la dangerosité de l’utilisation des matières radioactives (confirmée en 1979 par l’accident de la centrale de Three Mile Island), la NASA (Glen Research Center) a recommencé à les étudier en 2006, dans un esprit soucieux de l’environnement et visant la simplicité dans le cadre de technologies éprouvées et maîtrisables. Elle a publié cette année-là une étude sur les réacteurs de petites puissances utilisables en surface planétaire pour y produire de l’électricité en couplant ces réacteurs à des moteurs Stirling. En 2010 une évaluation technologique faite lors d’un « Planetary Science Decadal Survey » a constaté ou plutôt confirmé que les réacteurs à fission pouvaient offrir une alternative préférable sur tous les plans aux générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (« RTG ») et a posé les bases du projet «Kilopower ». Dans la lancée, la NASA (Glen Research Center et Marshal Space Flight Center) et le DOE (National Nuclear Security administration et plusieurs laboratoires dont le célèbre Los Alamos National Laboratory) constituèrent un partenariat chargé de travailler sur la faisabilité puis la conception des réacteurs avec deux objectifs, d’une part la propulsion hors environnement planétaire et d’autre part la production d’énergie nécessaire à la vie en surface. En Septembre 2012 le concept Kilopower a franchi avec succès son test de faisabilité (« proof of concept ») et le Partenariat a jeté les bases du sous-projet KRUSTY (pour « Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY ») pour la production d’énergie en surface planétaire, laissant de côté (pour le moment ?) le sous-projet concernant la propulsion interplanétaire. KRUSTY a ensuite (à partir de 2015) passé avec succès d’autres tests, sans matière radioactive mais avec un cœur métallique non radioactif chauffé, puis avec de l’uranium appauvri (Novembre 2017). Une réunion tenue le 18 janvier 2018 a fait le point pour la suite. Ce sera le test à froid des composants du réacteur avec son cœur d’uranium enrichi (235U) en place. Enfin la démonstration « grandeur réelle » (avec réaction lancée) aura lieu fin mars 2018. Le TLR (Technology Readyness Level) visé est supérieur à 5 (sur 9). L’affaire devient sérieuse !
A noter que l’utilisation des matières radioactives dans l’exploration spatiale n’a cependant pas cessé durant ces dernières décennies (27 missions, de Viking dans les années 1970 à Curiosity aujourd’hui, y ont eu recours) mais qu’elle l’a toujours été selon le processus du « générateur » RTG, plus simple que le « réacteur » et utilisant une source radioactive extrêmement instable (d’où son intérêt mais aussi sa dangerosité), le plutonium 238, « 238Pu », (demi-vie de 87,7 ans et masse critique de 10 kg seulement). Mais cette source se fait rare car on le produit très lentement (actuellement 400 g par an pour un stock mondial de 18 kg) et qu’on hésite beaucoup à le faire par crainte de dissémination dans l’atmosphère en cas d’échec du lancement. Enfin, l’efficacité du générateur est faible. Ainsi, dans le cas de Curiosity, la chaleur générée par ses 4,8 kg d’oxyde de 238Pu est de 2 kWt mais la puissance électrique récupérée n’est que de 110 We (celle d’une bonne lampe électrique domestique !). Aucun système basé sur le principe du RTG n’a donné de puissance supérieur à 290 We et c’est bien là le problème car une mission habitée sur Mars requerra évidemment beaucoup plus. On estime le besoin à quelques 40 kWe pour une base abritant 4 personnes actives*. Pour mémoire la « génération » d’électricité par le RTG consiste à transformer en cette forme d’énergie la chaleur provenant de la dégradation spontanée et continue de la matière radioactive; la chaleur est captée par des thermocouples fixés sur le cœur du réacteur, la source froide étant constituée par l’environnement extérieur renforcé par des radiateurs évacuant la chaleur dans l’atmosphère et (dans le cas de Curiosity ou d’autres sondes spatiales) de capteurs branchés à une tuyauterie allant réchauffer divers centres stratégiques de l’équipement.
*Etant donné qu’une maison en Europe occidentale équipée en « tout électrique » fonctionne avec des puissances de l’ordre de 15 kWe, on peut s’étonner de cette puissance modique visée. On suppose que les équipements prévus et leur utilisation seront extrêmement bien gérés compte tenu du besoin constant d’y recourir et des conditions environnementales extrêmement dures.
Le réacteur nucléaire repose sur un tout autre principe. Il s’agit de déclencher une réaction de fission par impacts de neutrons, cette réaction produisant de la chaleur, à partir d’un matériau certes radioactif mais pas nécessairement aussi instable que le 238Pu et qui peut (doit donc !) être contrôlée ou pilotée à l’intérieur d’une structure sophistiquée comprenant une source radioactive (le cœur), un réflecteur de neutrons, un déclencheur/interrupteur, un bouclier, une liaison avec un générateur d’électricité et un radiateur. On a choisi pour cœur de Kilopower, de l’Uranium 235 (235U), élément habituel des réacteurs nucléaires, dont la « demi-vie » est très longue (700 millions d’années) mais qui a un « excès de masse » important (favorable à la fission). Sa réaction de fission peut être spontanée mais seulement si la quantité de matière atteint son niveau de « masse critique » (48 kg) ; autrement elle doit être provoquée, ce que précisément l’on veut pour KRUSTY afin de mieux le maîtriser. Ce cœur sera un cylindre d’un alliage de 235U et de molybdène (7%). Puisqu’il ne comportera au maximum que 43 kg d’235U (en dessous de la masse critique), il sera relativement peu actif tant que la réaction de fission ne sera pas initiée (c’est un « détail » important pour la traversée de l’atmosphère). Mais cette quantité de matière radioactive sera suffisante pour fournir, compte tenu de la présence du réflecteur, une puissance thermique de 40 kWt et in fine (après transmission de la chaleur – entre 800 et 650°C – aux convertisseurs Stirling et utilisation de ces convertisseurs) une puissance électrique de 10 kWe. L’alliage avec le Molybdene est choisi pour ses qualités stabilisatrices ; il élimine les problèmes de changement de phase, de température de fusion trop basse, et améliore la résistance au fluage à haute température. Le réflecteur sera comme souvent, en oxyde de béryllium. Il a la fonction très importante de permettre d’abaisser la masse critique et donc de permettre la réaction de fission (sans lui rien ne peut se passer). On peut ne le mettre en position qu’après l’arrivée sur le sol de Mars et il est de plus modulaire (disques) ce qui fait qu’il peut être plus ou moins actif. Le dispositif est complété par un déclencheur, comme souvent une barrette de carbure de bore, élément absorbeur de neutrons, située au centre du cœur au départ mais que l’on peut bouger pour désinhiber la réaction ou au contraire l’interrompre.
Le réacteur ainsi complété va alimenter en chaleur via des tubulures contenant du sodium à l’état gazeux, un certain nombre de convertisseurs en électricité de type Stirling (extrémité chaude et extrémité froide avec circulation d’un piston en fonction du chauffage puis du refroidissement d’un gaz) équipés d’un radiateur (renforçant la source froide) s’ouvrant en ombrelle de 20 m2, au-dessus des convertisseurs. Il est bien sûr protégé par un bouclier antiradiations (en tungstène et hydrure de lithium).
Image ci-dessus : magnifique parapluie ouvert de KRUSTY, crédit NASA, hauteur 3.00 m
Le système effectue une conversion de chaleur en électricité beaucoup plus efficace que le RTG (de l’ordre de 10 fois plus de puissance électrique pour la même masse). La masse du réacteur produisant 40 kWt (toute une gamme allant de 4 à 40 est prévue) sera, pour le réacteur y compris le cœur, le réflecteur et les tubes au sodium, 235 kg ; la masse du bouclier, 547 kg, la masse du reste (convertisseurs Stirling et radiateur), 763 kg. Au total pour le système entier on devrait avoir une masse de 1544 kg ce qui donne pour l’ensemble une puissance spécifique de 6,5 W/kg*. Pour comparaison la masse du RTG de Curiosity est de 45 kg (mais ne donne une puissance électrique que de 0,1 kW). Pour atteindre les 40 kWe estimés nécessaire à la première base martienne, on aura donc besoin de 4 unités KRUSTY de 10 kWe. C’est effectivement la quantité que l’on peut envisager exporter sans problème de la Terre dans « nos » fusées de type Falcon Heavy (ou mieux BFR).
*c’est le meilleur rapport que l’on puisse obtenir. Le KRUSTY de 1 kWe de puissance ne pouvant avoir une puissance spécifique que de 2,5 W/kg et le KRUSTY de plus de 10 kWe impliquant une masse critique de 235U trop importante.
Il n’a pas été facile de mettre au point ce petit réacteur car jusqu’à présent on n’avait envisagé que de gros formats (minimum 40 kWe de puissance) qui supposaient des technologies différentes (et plus de risques). Une des idées nouvelles est le système de transmission de la chaleur du réacteur aux convertisseurs à l’aide de tube de sodium (et non pas d’eau, par exemple) passant à l’intérieur même du cœur. La géométrie du système est également très intéressante car elle permet un haut coefficient de réactivité de température négative qui favorise l’auto-régulation (la réaction en chaîne diminue lorsque la température monte). En résumé l’ensemble des dispositions prises permet de réduire considérablement le risque de radiations lors du lancement tout en permettant une excellente puissance spécifique sur place.
Mais pourquoi s’intéresser à l’énergie nucléaire plutôt qu’à d’autres sources d’énergie ?
L’avantage est évidemment que le réacteur peut fonctionner jour et nuit alors que le Soleil ne donne de l’énergie que durant le jour, et en l’absence de tempête de poussière. La durée de vie de plus de 10 ans permet d’envisager une utilisation sereine pendant plusieurs séjours sur Mars (rappelons qu’il sera d’environ 18 mois en raison de l’évolution des positions respectives des planètes). La masse également est nettement plus faible que celle des panneaux solaires capables de mettre à disposition la même puissance électrique (d’autant qu’avec le temps les panneaux peuvent se couvrir de poussière). Ceci dit, par prudence et pour disposer d’un maximum de flexibilité, une base martienne jouera probablement sur toute la gamme des sources d’énergie possibles dont le solaire sous ses divers aspects (des progrès dans le taux de conversion de la lumière en électricité sont toujours possibles), le chimique méthane/oxygène, permettant notamment la pile à combustible au méthanol, et si possible le géothermique. La suite de Kilopower devrait être un « Megapower » fournissant une puissance de 2 MWe. Il reste à étudier mais on entrevoit que le « Mega-Krusty » qui devrait en résulter, permettrait la viabilisation et le fonctionnement d’une colonie importante.
Comme souvent les avancées technologiques se nourrissent l’une l’autre. Grâce aux fusées Falcon Heavy puis BFR (propulsion chimique) et à la volonté d’Elon Musk, on pourra aller sur Mars, et grâce à KRUSTY puis à MegaPower on pourra y vivre et y produire et transformer. Il faut bien voir que cette amélioration des possibilités de générer de l’électricité en surface ouvre de vraies perspectives d’installation humaine sur Mars. Les seuls « bémols » sont que pendant longtemps il faudra encore importer les réacteurs de la Terre…et surtout que, vis-à-vis des préjugés, il faudra oser le principe même du nucléaire.
Image à la Une : Environnement énergétique d’une future base martienne, composé de plusieurs unités de KRUSTY.
Image ci-dessous : Schéma KRUSTY, “en toute simplicité” (crédit NASA):
Liens :
“NASA’s Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions” par Marc A. Gibson, ingénieur en chef de la NASA pour le projet Kilopower, et al. 04 février 2018
“Kilopower, NASA’s Small Fission Power System for Science and Human Exploration” par Marc Gibson, Propulsion and Energy Forum, Cleveland, Juillet 2014 DOI: 10.2514/6.2014-3458.
Blog “Beyond Nerva” 19 Nov. 2017.