Propulsion nucléaire électrique

Les éléments clés de la propulsion nucléaire électrique sont :

1. Un cœur de réacteur compact.
2. Un générateur électrique.
3. Un système compact de rejet de chaleur résiduelle tel que des caloducs.
4. Un système de conditionnement et de distribution d'énergie électrique.
5. Une propulsion électrique des engins spatiaux

En 2001, un moteur à fission abordables et sûrs (en anglais : Safe affordable fission engine, ou SAFE) était en cours de développement, avec un moteur de 30 kW à source de chaleur nucléaire testé et destiné à aboutir au développement d'une centrale thermique de 400 kW utilisant des turbines à gaz à cycle de Brayton pour produire de l'énergie électrique. Le rejet de la chaleur résiduelle devait être réalisé à l'aide de la technologie des caloducs de masse faible. La sécurité devait être assurée par une conception robuste^[9].

Le projet Prometheus était une étude de la NASA au début des années 2000 sur les engins spatiaux électriques nucléaires^[10].

Kilopower est le dernier programme de développement de réacteurs de la NASA. Il n'est pas destiné au voyage spatial mais à la production d'énergie (chaleur/électricité) à la surface de planètes (Lune, Mars)^[11].

En 2023, un programme DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), a été conjointement montré entre la DARPA et la NASA, visant à valider la propulsion thermique nucléaire (NTP) par l'utilisation d'un réacteur à uranium faiblement enrichi (HALEU) pouvant doubler l'efficacité des moteurs chimiques conventionnels pour les manœuvres spatiales. Un vol d'essai était prévu pour 2027. Mais l'initiative a été officiellement abandonnée, en juin 2025, car l'expérimentation et la certification radiologique ont été jugées trop coûteuses par la DARPA, alors que par ailleurs les coûts de mise en orbite offerts par les lanceurs commerciaux lourds chutaient. Les projets ont été réorientés en 2026 vers la propulsion électrique nucléaire (NEP), jugée plus adaptée aux besoins énergétiques des occupations lunaire et du voyage vers Mars.

La seconde administration Trump, dans les projets de budgets 2025 et 2026 prévoyait de réduire d’environ 23 % du budget total de la NASA, et de réduire les budgets scientifiques de 47 % (plus de 40 missions étaient menacées d’annulation (exploration martienne, télescopes, satellites d’observation, etc. et le financement de la station spatiale internationale devait aussi être réduit), avec une probable réduction du recrutement. Mais le Congrès a refusé ces coupes et a restauré la majorité de ces financements^[12]. Finalement, en avril 2026, après le succès de la mission Artémis et le retour de quatre astronautes de la NASA ayant contourné la Lune et voyagé plus loin dans l'espace que tout être humain avant eux – le Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison-Blanche (OSTP), pour restaurer la supériorité technologique américaine dans l'espace profond (conformément au décret exécutif 14369 de Donald Trump « Garantir la Suprématie Spatiale Américaine »), a publié une nouvelle « directive Initiative Nationale pour l'Énergie Nucléaire Spatiale Américaine » qui demande une feuille de route inter-agences (NASA, départements de l'Énergie et de la Défense) visant un déploiement accéléré de réacteurs à fission, en orbite et sur la Lune. Ce décret demande à la NASA de finaliser son projet de développement d'un réacteurs nucléaire compact et capable d'alimenter des propulseurs à effet Hall ou un moteur ionique à haute puissance, permettant des missions habitées vers Mars (avec une efficacité énergétique et une autonomie accrues par rapport à la propulsion chimique traditionnelle). La NASA a 30 jours pour lancer un programme de réacteur de puissance intermédiaire (au moins 20 kWe), incluant une variante dédiée à la propulsion électrique nucléaire (NEP), dans des délais courts : le décret demande une démonstration de réacteur en orbite terrestre dès 2028 (projet SR-1 Freedom) et l'installation d'un réacteur sur la Lune d'ici 2030. Elle devra donc intégrer des protocoles de sécurité radiologique et répondre à des standards de non-prolifération^[13].

Le projet TEM a débuté en 2009 avec pour but d'alimenter un moteur sur la planète Mars.

Mars 2016 - Le premier lot de combustible nucléaire est réceptionné.

De 1982 à 1989, le CEA et le CNES ont conjointement étudié un concept de réacteur nucléaire spatial électrogène: ERATO^[14].

Une source de chaleur possible est le réacteur à lit de boulets, qui utilise un réfrigérant à base d'azote gazeux à débit massique élevé, proche des pressions atmosphériques normales. La production d'électricité pourrait être réalisée avec la technologie des turbines à gaz, qui est bien avancée. Le combustible nucléaire pourrait être de l'uranium hautement enrichi encapsulé dans des billes (boulets) de graphite à faible teneur en bore, faisant probablement de 5 à 10 cm de diamètre. Le graphite serait également le modérateur des neutrons issus des réactions nucléaires^[15].

Ce type de réacteur peut être conçu pour être intrinsèquement sûr. En s'échauffant, le graphite se dilate, séparant le combustible et diminuant la criticité du réacteur. Cette propriété permet de simplifier les commandes de fonctionnement en une seule vanne de régulation de la turbine. Lorsqu'elle est fermée, le réacteur chauffe, mais produit moins d'énergie. Lorsqu'elle est ouverte, le réacteur se refroidit, mais devient plus critique et augmente en puissance^[16].

L'encapsulation du combustible dans du graphite simplifie le ravitaillement en carburant et la gestion des déchets. Le graphite résiste bien aux contraintes mécaniques et aux températures élevées. Ceci réduit le risque d'un rejet non planifié d'éléments radioactifs, y compris des produits de fission. Étant donné que ce type de réacteur produit une puissance élevée sans nécessiter de pièces moulées lourdes et encombrantes pour contenir des pressions élevées, il est bien adapté aux engins spatiaux propulsés^[16].

Diverses technologies de propulsion électrique ont été proposées pour être utilisées avec des systèmes de production d'électricité nucléaire de grande puissance, notamment VASIMR, DS4G (en) et un Propulseur inductif pulsé (en) (en anglais : pulsed inductive thruster, ou PIT). Les concepts PIT et VASIMR sont uniques dans leur capacité à alterner entre l'utilisation de l'énergie, l'impulsion spécifique (une mesure de l'efficacité) et la poussée en vol. Le PIT a l'avantage supplémentaire de ne pas avoir besoin d'une alimentation conditionnée^[17].

Un certain nombre de techniques de conversion de la chaleur en électricité ont été proposés. À court terme, les générateurs utilisant le cycle de Rankine, le cycle de Brayton et le cycle de Stirling passent par une phase mécanique intermédiaire avec les pertes d'énergie qui en découlent. Des technologies plus exotiques ont également été proposées : thermoélectriques (dont la conversion de puissance thermique basée sur du graphène^{[18],[19],[20]}), pyroélectriques, thermophotovoltaïques, thermioniques et magnétohydrodynamiques.