La propulsion nucléaire thermique ou nucléo-thermique est un mode de propulsion des fusées qui utilise un réacteur nucléaire pour chauffer un fluide propulsif. Celui-ci, comme dans le cas d'un moteur-fusée classique, est expulsé via une tuyère pour fournir la poussée qui propulse la fusée. Ce type de propulsion permet d'atteindre en théorie des vitesses d'éjection de gaz nettement plus élevées et donc un meilleur rendement que la propulsion chimique utilisée sur les lanceurs actuels.
Différentes architectures ont été étudiées depuis le début de l'ère spatiale du simple cœur solide (similaire à celui d'une centrale nucléaire) jusqu'aux concepts plus complexes mais plus efficaces tels que les cœurs gazeux. Bien que des prototypes aient été testés au sol par les États-Unis (moteur NERVA) et l'URSS (RD-0410), aucune fusée utilisant ce type de propulsion n'a encore jamais volé. Le principe de « criticité » de la physique nucléaire impose une masse minimale de combustible et donc un réacteur suffisamment puissant pour diminuer le rapport poids/poussée.
La propulsion nucléaire est en panne de soutien dans le monde en raison des risques liés au lancement d'engins nucléaires et du coût financier d'une telle technologieLa propulsion nucléaire est-elle vouée à l'échec ? - par Jacques-Olivier Baruch, La Recherche n°368 - octobre 2003. Aujourd'hui, le recours à la propulsion nucléaire n'est évoqué que dans le cadre du programme Constellation, pour des missions habitées hypothétiques vers Mars, à échéance éloignée (après 2037).
Cependant, en , la alloue un budget de 125 millions de dollars à la NASA pour le développement de technologies de propulsion nucléaire. Le Congrès des États-Unis a également voté un budget de 100 millions de dollars en plus"Selon la NASA, la propulsion nucléaire pourrait révolutionner l’exploration spatiale, et voici comment", Trust My Science, 22 août 2019.
vignette|350px|Schéma d'un moteur nucléaire thermique
Principe Dans un système de propulsion nucléaire thermique ou nucléo-thermique, un fluide propulsif, en général de l'hydrogène, est chauffé à haute température par un réacteur nucléaire et est éjecté par une tuyère, ce qui génère une poussée.
L'énergie du combustible nucléaire remplace celle des réactions chimiques utilisée dans les lanceurs classiques. Grâce à la densité énergétique plus importante des matériaux fissiles, environ 10 fois supérieure aux réactifs chimiques, il en résulte un mode de propulsion plus efficace (impulsion spécifique au moins deux fois meilleure) même en dépit du poids important du réacteur.
Histoire Un tel moteur fut envisagé aux É.-U. en remplacement du J-2 des étages S-II et S-IVB des fusées Saturn V et Saturn I. Originellement prévu comme un « échange standard » visant à améliorer les performances, des versions plus importantes de remplacement du S-IVB furent étudiées en vue de missions lunaires avancées ou martiennes. De même, l'Union soviétique considéra cette option pour le dernier étage de la fusée lunaire N-1. Toutefois, aucun prototype ne fut vraiment au point avant que la frénésie de la course à l'espace s'achève.
Fin , la Nasa et la Darpa annoncent le projet « Draco », partenariat visant à mettre au point un démonstrateur utilisant la propulsion nucléaire thermique, avec pour objectif un premier vol dans l'espace dès 2027. Ce mode de propulsion permettrait de raccourcir le temps de voyage vers Mars de plusieurs semaines, voire plusieurs mois, et de s'affranchir en grande partie des fenêtres de tir très contraignantes d'une propulsion cryogénique. La Nasa avait déjà lancé début 2021, avec le département américain de l'Énergie, un appel à projets auprès des industriels, qui avait permis de sélectionner trois entreprises pour un contrat de 5 millions de dollars chacune afin de pousser plus avant leurs recherchesLa Nasa veut faire du nucléaire l'énergie de la conquête de Mars, Les Échos, 3 février 2023..
Conception Les systèmes de propulsion nucléo-thermique peuvent être catégorisés d'après le principe de leur réacteur nucléaire, qui va du simple cœur solide (similaire à celui d'une centrale nucléaire) jusqu'aux concepts plus complexes mais plus efficaces tels que les cœurs gazeux.
Cœur solide vignette|250px|Schéma d'un réacteur à cœur solide NERVA
Le modèle le plus simple utilise un réacteur conventionnel (bien que plus petit) fonctionnant à haute température. Cette conception plafonne la température maximale de fonctionnement à celle de fusion des matériaux de construction. Comme l'impulsion spécifique dépend fortement de la température du fluide propulsé, on cherche alors à utiliser les matériaux les plus résistants. Mais même les moins fusibles des matériaux avancés ont une température de fusion très inférieure à celle que la réaction nucléaire pourrait donner au fluide, en conséquence le potentiel de l'énergie nucléaire est largement inexploité. On considère qu'un réacteur de ce type parvient à obtenir une impulsion spécifique de , soit deux fois celle des meilleurs moteurs chimiques LOX-LH2.
Le poids du moteur est si important qu'il n'atteindrait qu'à peine un rapport poussée sur poids de 1:1, indispensable pour envisager de s'arracher à l'attraction terrestre au lancement. Néanmoins, pour un ΔV donné, la masse totale du moteur et du carburant serait moindre. Ce type de réacteur ne peut donc servir que pour les étages supérieurs de lanceurs quand le véhicule est déjà en orbite ou presque et que la poussée requise est plus faible.
Aux États-Unis, ce concept a été testé de façon poussée dans le cadre du programme Rover/NERVA de 1959 à 1972. De nombreuses autres déclinaisons du principe ont également été étudiées, dont : vignette|70px Dumbo, précurseur du concept, il diffère par la conception de son cœur fait de plusieurs tubes eux-mêmes constitués d'empilements d'anneaux plats ou ondulés créant des canaux par lesquels l'hydrogène circule de l'intérieur du tube vers l'extérieur. Les anneaux sont en métal réfractaire (tungstène ou molybdène) imprégné d'UO2. À l'intérieur de chaque tube, donc dans les zones froides du réacteur, se trouve un autre tube fait d'empilement de rondelles de polystyrène modérateur et de Dural ondulé pour l'espacement. Les gaz chauffés par ce dispositif sortent à . Quand il fut abandonné au profit de NERVA et de son cœur graphitique, le principe de l'échangeur thermique de Dumbo fut adapté et transformé en système de forage thermique . Small Nuclear Rocket Engine (SNRE), une version dérivée de NERVA, plus compacte et avec un divergent de tuyère escamotable destiné aux derniers étages de lanceurs et à la navette spatiale, d'une poussée de et avec une impulsion de (annoncée comme facilement améliorable à ). ASPEN, lanceur nucléaire monoétage imaginé par Robert W. Bussard , fonctionnant en statoréacteur et superstato (ramjet et scramjet, utilisent l'air de l'atmosphère comme fluide propulsif). IRGIT russe
Cœur en métal réfractaire Les avantages d'utiliser un combustible métallique sont : une meilleure tenue aux hautes températures et aux déformations mécaniques, une meilleure résistance à la corrosion de l'hydrogène, la rétention plus efficace des produits de fission la possibilité de fonctionner en spectre rapide (donc sans modérateur au sein du cœur, et une conception plus compacte).
Cermet Le premier modèle Cermet naquit de la fusion des activités du Laboratoire national d'Argonne (ANL) au début du programme Rover et des études d'avion à propulsion nucléaire menées chez General Electric (connues sous le nom de Programme 710). Il est très similaire à NERVA par ses éléments combustibles prismatiques hexagonaux à 19 canaux, mais le matériau utilisé est un cermet tungstène-UO2 (60 % - 40 % volumiques) protégé par un revêtement tungstène - rhénium. Les essais ne dépassèrent pas le stade de l'évaluation des éléments combustibles et prédirent une Isp de , une poussée de , une puissance de et des temps de fonctionnement de dizaines d'heures. Cependant, les recuits successifs du combustible provoquent une croissance des grains qui entraîne l'augmentation des pertes de carburant et de produits de fission. De plus, les propriétés neutroniques du tungstène sont peu intéressantes pour ce type de configuration. L'ANL et GE poursuivirent leurs améliorations du réacteur Cermet (stabilisation du grain par des traces de gadolinium, réduction du gradient de température grâce à un préchauffeur…) tandis que les autres équipes impliquées s'orientaient vers d'autres concepts basés sur un cœur métallique.
Cœur filaire vignette|gauche|400px|Schéma d'un réacteur à cœur filaire
Atomics International poursuivit donc les études d'avion nucléaire sur la voie du réacteur à cœur filaire (wire core reactor). Dans ce type de réacteur à neutrons rapides, l'hydrogène traverse radialement un cœur cylindrique composé d'un entrelacement de fils enrichis en combustible et de fils d'espacement.
Les fils enrichis sont fabriqués à partir de particules de de nitrure d'uranium UN pelliculées de tungstène et tassées dans une gaine tressée en tungstène, puis cette gaine est tréfilée jusqu'à former un câble de de diamètre.
Comme le réacteur à lit de particules, cette structure possède une surface d'échange bien plus importante qu'un cœur prismatiquesurface d'échange : contre pour NERVA, mais en plus, la technique de tressage permet de distribuer optimalement la puissance du réacteur en faisant varier l'espacement des fils combustibles en fonction du flot local d'hydrogène. Un tel moteur pourrait atteindre une température de et une impulsion spécifique de .
Modération eau 250px|vignette|Schéma de principe du TWMR De son côté, le LeRC s'oriente vers le développement d'un réacteur à neutrons thermiques dit réacteur tungstène à modération eau (TWMR, Tungsten Water-Moderated Reactor) . Le cœur en aluminium est composé d'une cuve d'eau modératrice entourée d'un réflecteur en béryllium et traversée par des tubes contenant chacun un élément combustible dans lequel passe l'hydrogène.
L'eau circule en circuit fermé : elle refroidit le réflecteur en le traversant et est refroidie par l'hydrogène provenant du circuit de régénération de la tuyère dans six échangeurs entourant le réflecteur (contrairement à ce que laisse supposer le schéma de principe ci-contre).
L'élément combustible est une gaine en tungstène enrichie en W (beaucoup plus transparent aux neutrons) contenant des segments prismatiques de cermet W-UO2. Les segments sont séparés par un petit espace permettant la redistribution du fluide entre chaque segment (ce que ne font pas les combustibles prismatiques Cermet et NERVA). La gaine est « suspendue » au réflecteur supérieur (admission) et est montée lâche dans son tube pour isoler la cuve de la chaleur et des vibrations que subit l'élément combustible . L'eau est donc chauffée essentiellement par les neutrons et rayons gamma. Plusieurs types de segments de combustible furent conçus et testés, retenant pour plus prometteur les feuilles de obtenues par laminage du mélange W-UO2 entre deux couches de tungstène pur pour éviter la déperdition de combustible, et soudées en nid d'abeille .
Ce type de réacteur est super-critique. Pour le maintenir au repos, des petits tubes intercalés entre ceux du combustible contiennent un circuit de solution de sulfate de cadmium CdSO4, poison neutronique. Pour démarrer le réacteur, la solution circule par un échangeur d'ions appauvrissant sa concentration en poison. L'opération inverse est effectuée plus simplement et plus rapidement en réinjectant du sulfate concentré dans le circuit . Des expérimentations de neutronique ont été faites sur des maquettes pour valider les paramètres du concept . Le modèle de référence à 121 éléments pèse , peut produire sur une durée totale de et éjecte l'hydrogène à .
Réacteur à lit de particules