Quels sont les défis auxquels les ingénieurs sont confrontés lorsqu’ils développent des moteurs-fusées thermiques nucléaires ?

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Moteurs-fusées thermiques nucléaires (RTN) sont un type de système de propulsion spatiale qui utilise la fission nucléaire pour chauffer un propergol, généralement de l’hydrogène, et l’expulser à grande vitesse. Les NTR ont le potentiel d’offrir une efficacité, une poussée et une impulsion spécifique supérieures à celles des fusées chimiques conventionnelles, ce qui les rend idéales pour les missions dans l’espace lointain. Cependant, les RTN posent également d’importants défis d’ingénierie qui n’ont pas encore été entièrement surmontés. Dans cet article, vous découvrirez certains des principaux obstacles techniques, environnementaux et réglementaires auxquels les ingénieurs sont confrontés lors du développement de RTN.

Dans cet article collaboratif, vous trouverez des réponses d’experts

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1 Conception et essais

L’un des principaux défis des NTR est de concevoir et de tester un réacteur capable de résister aux températures, pressions et vibrations extrêmes du lancement et de l’exploitation d’une fusée. Le cœur du réacteur doit être capable de chauffer le propergol à plus de 2 500 °C sans fusionner, fissurer ou fuir. Le réacteur doit également être capable de contrôler la réaction nucléaire et d’éviter tout accident de criticité ou fuite radioactive. Il est difficile de tester les RTN parce qu’il nécessite des installations spécialisées, des protocoles de sécurité et une surveillance de l’environnement. Seuls quelques pays ont effectué des tests NTR dans le passé, et aucun ne l’a fait depuis les années 1970.

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Carmen DeLong

President, Program Manager, Nuclear Safety Applications, Inc.
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depending on the activity of the fuel and related shielding requirements, it would not be able to overcome the relativistic challenges of getting off of the earth (too heavy). Building it on the moon would be a solution...radiation shield weight would not be a limiting factor.

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2 Matériaux et fabrication

Un autre défi des NTR est de trouver et de fabriquer des matériaux qui peuvent bien fonctionner dans les conditions difficiles de la propulsion nucléaire. Les matériaux doivent être capables de résister à la corrosion, à l’érosion et à la fragilisation causées par l’hydrogène à haute température et le rayonnement neutronique. Les matériaux doivent également être légers, durables et rentables. Parmi les matériaux qui ont été utilisés ou proposés pour les RTN, citons le graphite, le tungstène, les carbures et les métaux réfractaires. Cependant, ces matériaux ont des limites en termes de disponibilité, de fabricabilité et de fiabilité.

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3 Sécurité et fiabilité

Un troisième défi des RTN est d’assurer la sécurité et la fiabilité du système pendant le lancement, le vol et l’élimination. Les NTR présentent un risque de libération de matières radioactives dans l’atmosphère ou dans l’espace en cas d’échec du lancement, de collision ou de rentrée dans l’atmosphère. Les NTR doivent également faire face à des dysfonctionnements potentiels, tels que la dégradation du carburant, les fuites de propergol ou la défaillance du système de commande. Pour atténuer ces risques, les ingénieurs doivent concevoir des NTR avec plusieurs couches de protection, de redondance et de plans d’urgence. Par exemple, certains modèles NTR incluent un mode de démarrage sans risque, un mode d’arrêt et un mode d’élimination.

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Dr François Bernot

Directeur Fondateur chez Lemon Motion
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La sécurité des ces équipements peut être réglée en ne les démarrant qu'une fois arrivés dans l'espace. Durant la phase de départ normale à propergols dans l'athmosphère terrestre, la réaction nucléaire n'est pas amorcée. Donc en cas de crash, de retour sur Terre, d'explosion au autre, peu de substances radioactives seront émises : on peut les encapsuler dans une enceinte blindée. Le décollage terrestre parait difficile, en raison de la dispersion de particules radioactives à grande échelle. On peut néanmoins penser à un départ aéroporté, comme les missiles, puis arrivé entre 10 et 20 000km allumer la réaction nucléaire, qui devient propulsive. Il semble que les russes aient de tels missiles, dont le fonctionnement est passif.

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4 Enjeux environnementaux et réglementaires

Un quatrième défi des RTN consiste à résoudre les problèmes environnementaux et réglementaires qui découlent de l’utilisation de l’énergie nucléaire dans l’espace. Les RTN génèrent des déchets radioactifs qui doivent être éliminés de manière sûre et éthique. Les NTR doivent également se conformer aux traités et normes internationaux qui réglementent l’utilisation de l’énergie nucléaire et des armes dans l’espace. Par exemple, le Traité sur l’espace extra-atmosphérique de 1967 interdit le placement d’armes nucléaires ou d’armes de destruction massive en orbite ou sur des corps célestes. Les RTN doivent également tenir compte de la perception et de l’acceptation par le public de l’énergie nucléaire dans l’espace.

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5 Coût et complexité

Un cinquième défi des RTN est la gestion du coût et de la complexité du développement et du déploiement d’un tel système. Les NTR nécessitent une grande quantité d’investissements, d’expertise et d’infrastructure pour concevoir, construire, tester et exploiter. Les RTN doivent également se coordonner avec de multiples parties prenantes, telles que les gouvernements, les agences, les entrepreneurs et les clients. Les NTR doivent trouver un équilibre entre la performance, la sécurité et l’abordabilité. Les NTR doivent également rivaliser avec d’autres technologies de propulsion spatiale, telles que la propulsion électrique solaire, les propulseurs ioniques ou la propulsion électrique nucléaire.

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Dr François Bernot

Directeur Fondateur chez Lemon Motion
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Il serait utile qu'on se retire les doigts des yeux, car l'essentiel a été écrit sur ce sujet. Malheureusement ce sont les pays "noirs", Russie, Corée du Nord... qui ont développé ces réacteurs sur des missiles notamment. Leur fonctionnement ressemble à celui des propulseurs à poudre, où rien n'est contrôllé lorsqu'on a allumé la réaction. La poudre se consume toute seule, et c'est super simple (en apparence), car la poudre sert de carburant/comburant, isolant thermique... Pour ces réacteurs c'est la même chose, la disposition des amorces nucléaires assure un fonctionnement stable, bon pas tant que ça, car ça risque gros si c'est mal maîtrisé. Et vu qu'on a beaucoup d'énergie, on peut ioniser la tête du missile, pour que l'air y glisse.

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6 Perspectives d’avenir

Malgré ces défis, les RTN ont encore beaucoup de potentiel et de promesses pour faire progresser l’exploration et le développement spatiaux. Les NTR pourraient permettre des missions plus rapides et plus efficaces vers Mars, les planètes extérieures et au-delà. Les NTR pourraient également soutenir l’établissement d’établissements humains et d’industries dans l’espace. Les RTN pourraient bénéficier des progrès réalisés ces dernières années dans les domaines de la technologie nucléaire, de la science des matériaux et de l’ingénierie. Les RTN pourraient également tirer parti du regain d’intérêt et d’investissement dans l’exploration spatiale et l’innovation qui ont émergé au 21e siècle.

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1 Conception et essais

2 Matériaux et fabrication

3 Sécurité et fiabilité

4 Enjeux environnementaux et réglementaires

5 Coût et complexité

6 Perspectives d’avenir

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