Les réacteurs à génération rapide (RBR) représentent une classe de réacteurs nucléaires qui génèrent plus de matières fissiles qu'ils ne consomment, une propriété souvent appelée reproduction. Bien que les programmes terrestres de RBR aient une longue histoire de développement, leurs caractéristiques uniques les rendent particulièrement exigeants pour les applications d'énergie nucléaire spatiale, où chaque kilogramme de combustible doit être utilisé avec un maximum d'efficacité et de durée de vie opérationnelle peut s'étendre pendant des décennies.

Comprendre la technologie des réacteurs rapides

Neutronics et bases du cycle du combustible

Dans un réacteur nucléaire thermique, les neutrons sont ralentis (modérés) pour augmenter la probabilité de fission dans uranium-235. Un réacteur à génération rapide utilise, en revanche, des neutrons rapides (énergies supérieures à 0,1 MeV) et se dispense d'un modérateur. Le spectre des neutrons rapides permet la capture des neutrons par des isotopes fertiles tels que uranium-238, qui se transmute alors en plutonium-239 – une matière fissile qui peut elle-même soutenir une réaction en chaîne.

Pour les applications spatiales, les combustibles avancés comme le nitride d'uranium (ONU) ou les alliages d'uranium-zirconium sont considérés en raison de leur plus grande conductivité thermique et de leur meilleure performance à des températures élevées. Le processus de reproduction permet à un réacteur spatial de commencer par un inventaire de matières fissiles relativement petit et de compter sur la conversion naturelle de l'uranium-238 pendant sa durée de vie opérationnelle, prolongeant de façon spectaculaire la durée de la mission sans réapprovisionnement.

Transfert de liquide de refroidissement et de chaleur

Les FBR terrestres fonctionnent à des températures élevées pour assurer un transfert de chaleur efficace et une conversion en électricité. Comme le liquide ne doit pas ralentir de façon significative les neutrons, les métaux liquides sont préférés. Les FBR terrestres utilisent couramment liquide sodique (point de brouillage 883 °C) ou lead/lead-bismuth eutectic. Pour les réacteurs spatiaux, les métaux liquides offrent un transfert de chaleur exceptionnel, une faible pression de vapeur dans le vide et une résistance aux radiations.

Contexte historique : Programmes d'énergie nucléaire spatiale

L'utilisation de l'énergie nucléaire dans l'espace n'est pas nouvelle.Les États-Unis ont lancé le réacteur SNAP-10A en 1965, qui a produit 43 kilowatts (thermique) en utilisant une conception de neutron thermique avec combustible hydrure d'uranium-zirconium et liquide de refroidissement NaK. L'Union soviétique a déployé plus de 30 ROMA/TOPAZ réacteurs à bord des satellites RORSAT, qui étaient des réacteurs thermiques avec conversion thermionique.

Le programme SP-100 (1980 – 1990) était un ambitieux projet américain visant à développer un réacteur spatial de 100 kWe. SP-100 a été conçu comme un réacteur à spectre rapide avec un liquide de refroidissement au lithium et des convertisseurs thermoélectriques. Bien que ce neutrons ne soit pas un sélectionneur complet, sa conception rapide pourrait être adaptée à un cycle de reproduction. Plus récemment, le projet de la NASAKilopower (2015 – 2018) a démontré un système de fission thermique de 1 kWe utilisant un noyau d'uranium solide 235 et des convertisseurs Stirling. Kilopower n'est pas un sélectionneur, mais son succès renforce la viabilité des réacteurs de fission compacts pour l'espace.

Avantages des réacteurs à génération rapide pour les applications spatiales

Densité et Compacité de haute énergie

Les contraintes de lancement spatial mettent en valeur la masse et le volume. Les FBR atteignent une densité de puissance élevée parce que la fission rapide libère plus de neutrons par fission, ce qui permet de réduire le cœur pour un niveau de puissance donné. L'absence d'un modérateur réduit encore la taille du réacteur. Combiné à la capacité d'utiliser l'uranium appauvri (uranium-238) comme matériau de couverture, un FBR peut produire de l'énergie pendant de nombreuses années sans exiger la reconstitution des matières fissiles initiales.

Durabilité du combustible et prolongation de la durée de vie de la mission

Pour les missions de longue durée sur les planètes extérieures ou pour une base lunaire ou martienne permanente, la logistique du combustible devient critique. Un réacteur à semi-conducteur rapide fonctionnant pendant une décennie pourrait générer suffisamment de plutonium pour démarrer un deuxième réacteur sans matières fissiles supplémentaires provenant de la Terre. Dans un cycle de combustible fermé, le combustible usé peut être retransformé sur place (bien que cela pose des défis techniques importants en microgravité et en vide).

Utilisation efficace des ressources

L'uranium naturel est composé de 99,3% d'uranium-238 et seulement de 0,7% d'uranium-235. Les réacteurs thermiques consomment principalement le rare U-235. Les sélectionneurs rapides peuvent convertir l'U-238 abondant en combustible utilisable, augmentant l'énergie extraite de l'uranium extrait d'un facteur de 50 à 100. Pour les missions spatiales, en particulier celles qui dépendent de l'utilisation des ressources in situ (ISRU), cette efficacité se traduit par une réduction de la masse de lancement et des coûts de mission.

Potentiel de systèmes en boucle fermée

Bien que le recyclage terrestre soit complexe et coûteux, dans l'espace les avantages de la réduction des déchets et de la régénération des combustibles peuvent l'emporter sur les frais généraux. Les volumes de déchets radioactifs se rétrécissent et les actinides à longue durée de vie deviennent du combustible plutôt que des responsabilités. Des concepts avancés tels que réacteurs rapides de sel fondu permettent le traitement et l'élimination continus des produits de fission, qui pourraient être adaptés aux habitats spatiaux ou aux bases de surface où l'élimination des déchets est limitée.

Défis techniques et stratégies d ' atténuation

Contrôle de la réactivité et sécurité pour le lancement

L'un des plus grands défis pour tout réacteur nucléaire spatial est de s'assurer qu'il demeure sous-critique pendant un accident de lancement, tout en réalisant un démarrage rapide une fois sur orbite ou sur la surface. Les FBR ont généralement une rotation de réactivité plus élevée que les réacteurs thermiques en raison du spectre rapide. L'insertion de barres de commande ou de fûts avec des absorbeurs de neutrons (par exemple, le carbure de bore) est standard, mais les vibrations de lancement et la rentrée atmosphérique ne doivent pas causer de criticité accidentelle.

Dégradation des matériaux sous l'irradiation et la température

Les neutrons rapides causent plus de dommages aux matériaux structuraux que les neutrons thermiques. L'empilement, le gonflement et le fluage sont plus prononcés, surtout aux températures de fonctionnement élevées nécessaires pour produire efficacement de l'électricité. Les FBRs spatiaux nécessitent des alliages avancés (par exemple, des aciers renforcés par l'oxyde-dispersion, des alliages à base de niobium ou des métaux réfractaires comme le tungstène) qui peuvent résister à un flux intense de neutrons et à des flux de chaleur élevés.

Rejet de chaleur dans l'aspiration

Dans l'espace, la chaleur ne peut être rejetée que par rayonnement. Pour une puissance électrique donnée, le réacteur doit rejeter une charge thermique importante (généralement 2 à 4 fois l'énergie électrique) par l'intermédiaire de radiateurs. Des températures de fonctionnement élevées permettent de plus petits radiateurs (puisque les échelles de rayonnement thermique comme T4). Les FBR peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les réacteurs thermiques refroidis à l'eau, ce qui les rend attrayants.

Gestion du liquide de refroidissement métallique

En microgravité, le flux et la séparation des métaux liquides deviennent non triviaux. Les bulles de gaz (de fission ou de radiolyse) doivent être enlevées; les pompes électromagnétiques sans parties mobiles sont préférées. Le gel du liquide de refroidissement pendant les périodes de côte ou après l'arrêt doit être évité, nécessitant des alliages à faible point de fusion (par exemple NaK, le plomb-bismuth eutectique).

Applicabilité à des missions spatiales spécifiques

Puissance de surface pour les bases lunaires et martiennes

L'énergie solaire est intermittente sur la Lune (14 jours de nuit) et faible sur Mars pendant les tempêtes de poussière. Un réacteur à semis rapide à plusieurs kilowatts peut fournir une puissance continue pour les habitats, le soutien de la vie, les installations ISRU et les instruments scientifiques.La capacité de reproduction signifie qu'un seul réacteur pourrait «semencer» plusieurs petits réacteurs construits à partir de matériaux locaux si nécessaire.

Propulsion électrique nucléaire (PEN)

Un propulseur électrique de 2 MWe FBR (p. ex., l'effet Hall ou les propulseurs ioniques à grille) pourrait couper une route aller-retour vers Mars de 900 jours (chimique) à moins de 500 jours. La propriété du régénérateur garantit que le réacteur peut fonctionner à une impulsion élevée spécifique pour toute la mission sans recharger.Le VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) est un propulseur candidat pour de tels niveaux de puissance.

Missions de l'espace profond et de la planète extérieure

Pour Jupiter, Saturne et au-delà, l'irradiance solaire est trop faible pour les réseaux solaires. Les générateurs thermoélectriques (RTG) radio-isotopes sont limités à quelques centaines de watts. Un réacteur d'élevage rapide pourrait fournir des dizaines à des centaines de kilowatts, permettant des communications à large bande, une cartographie radar puissante, ou même des opérations de fixation surface-orbite sur des lunes comme Europa ou Titan. Le SP-100 était destiné à de telles missions avant d'être annulé au début des années 1990.

Production de combustibles dans l'espace et systèmes bimodaux

Un sélectionneur rapide à bord d'une station spatiale ou d'un dépôt de combustible pourrait produire du plutonium provenant de l'uranium-238 expédié de la Terre ou extrait de la régolith lunaire (qui contient des traces d'uranium), ce plutonium pouvant alimenter des RPG plus petits ou des radiateurs radio-isotopes. Des systèmes bimodals combinant propulsion thermique nucléaire (NTP) et production d'électricité sont également possibles : après une combustion, le réacteur passe à une température inférieure pour l'électricité.

Recherche actuelle et orientations futures

Kilopower de la NASA et concepts avancés

Le successeur de Kilopower, le Système d'alimentation en fission (FPS)[, vise 10 kWe à l'aide d'un spectre thermique. Cependant, le programme de la NASA Propulsion nucléaire spatiale (SNP)[ étudie également des réacteurs à spectre rapide pour des puissances supérieures. Des études récentes au Idaho National Laboratory[ et NASA Glenn Research Center[ ont examiné des carottes rapides miniatures utilisant du combustible nitride-uranium et un liquide-métal, avec des rapports de reproduction entre 1,1 et 1,3. Ces réacteurs pourraient fonctionner pendant 20 ans sans ravitaillement.

Efforts internationaux

Le programme Lunaire de Chang'e[ a étudié l'énergie nucléaire de surface, bien que les détails restent classifiés. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA)[ a publié des lignes directrices sur la conception et la sûreté des réacteurs nucléaires spatiaux, y compris les reproducteurs rapides.

Propulsement nucléaire spatial de la NASA

Réacteurs à neutrons rapides de l'AIEA

Fabrication additive et matériaux avancés

L'impression 3D de géométries complexes, de goupilles à combustible enrichies et de tuyaux thermiques pourrait réduire la complexité de masse et d'assemblage d'un FBR spatial. Des métaux réfractaires imprimés dans des échangeurs de chaleur et des boucliers de rayonnement sont en cours de développement dans plusieurs universités.

Conclusion

Les réacteurs à sélection rapide offrent une combinaison unique d'une densité énergétique élevée, d'une autonomie en combustible et d'une longue durée de vie opérationnelle pour les applications de l'énergie nucléaire spatiale. Bien que le développement terrestre de la technologie FBR soit axé sur de grandes unités commerciales, les conceptions spatiales peuvent être compactes, modulaires et optimisées pour assurer la sûreté et la fiabilité dans l'environnement spatial difficile.

Cependant, les programmes de recherche de la NASA, des agences spatiales internationales et des laboratoires nationaux ne cessent de s'attaquer à ces obstacles. À mesure que l'humanité s'enfonce dans l'espace, le réacteur à régénérer rapide – une technologie conçue à l'origine pour la durabilité énergétique terrestre – peut devenir une source indispensable de puissance pour les implantations, la propulsion et la découverte scientifique.

Aperçu de la technologie des réacteurs rapides

Réacteur d'espace de kilopuissanceLANL

ScienceDirect Réacteur d'élevage rapide