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NERVA

NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application - moteur nucléaire pour application moteur-fusée) est un programme de recherche relatif à la propulsion nucléaire thermique, mené aux États-Unis par la NASA entre 1960 et 1972. De nombreux prototypes de réacteur sont testés dans le cadre de ce programme dont l'objectif est de participer au développer d'un véhicule en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d’une mission spatiale habitée vers la planète Mars.

La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force...) étudiée consiste en l’éjection à grande vitesse (On distingue :) d’hydrogène réchauffé par un réacteur nucléaire. En 1968 et 1969, un modèle expérimental d’une poussée de 250 à 350 kN fut essayé au sol.

Historique

Les études de propulsion nucléaire thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) furent lancées en 1955 par l'AEC et le contractant Westinghouse sous le nom de projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) Rover et avec pour but le développement de missiles.

À la création de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme...) en 1958, elle fut associée au projet y ajoutant les objectifs d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) spatiale. Le développement vraiment orienté vers la propulsion commença en 1961 sous la dénomination NERVA (NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application - moteur nucléaire pour application moteur-fusée) est un programme de recherche relatif à la propulsion...). Son but n'était pas de fabriquer un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) directement destiné à une expérimentation spatiale, mais de proposer un démonstrateur validant la technologie et permettant de caractériser précisément ce moyen de propulsion en fonction des exigences des missions envisageables dans les 20 années à venir. Ainsi, les critères de sûreté et fiabilité du système primaient sur le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la résultante des autres...) et les performances, de plus, il devait pouvoir être démonté, remonté et testé en cours de mission.

Le développement se fit autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) du concept de réacteur à modérateur graphite et caloporteur hydrogène, pendant ce temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) une activité moindre concernait l'étude de technologies plus risquées et plus performantes telles que les réacteurs à lit de boulets, à cœur liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou gazeux. Malgré les innombrables difficultés techniques inhérentes à un concept aussi nouveau, le projet avança rapidement et aboutit en 1969 au test au sol d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail...) quasiment qualifié pour le vol.

Le projet résista longtemps aux velléités de coupes budgétaires du Congrès, notamment grâce au soutien du sénateur Clinton P. Anderson qui l'appuya au détriment du projet Grand Tour[1]. Mais en 1971, alors qu'était en cours de conception un dernier étage de fusée Saturn à base de moteur NERVA réutilisable, la NASA en repli avec la fin du programme Apollo (Le programme Apollo est le programme spatial de la NASA mené durant la période 1961 – 1975 qui a permis aux États-Unis d'envoyer pour la première fois des hommes sur la Lune....) n'avait pas de mission envisagée pour cette propulsion dans les dix ans à venir ; le budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) alloué ne fut que d'un cinquième de celui nécessaire et ne porta que sur quelques développements d'équipements critiques[2]. Le programme prit officiellement fin en 1972 et les applications nucléaires spatiales se cantonnèrent ensuite aux sources d'énergie pour alimenter les missions.

Le projet coûta 1,4 milliards de dollars de 1972, soit 9,6 milliards en dollars de 1991.

Cette technologie fut un temps remise au goût du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....) du fait des besoins exprimés par l'Initiative d'Exploration Spaciale (Space Exploration Initiative ou SEI), initié par George Bush en 1989), à savoir la réduction de taille, poids, coût et durée de voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel...) des véhicules spatiaux. Ces exigences imposent une amélioration de l'impulsion spécifique au delà des possibilités de la propulsion chimique (La propulsion chimique est le mode de propulsion utilisé principalement dans les moteurs fusées. Elle ne fait aucun...) conventionnelle. La propulsion nucléaire thermique semblait alors la seule option accessible[3].

Essais

Les nombreux essais se déroulèrent sur le site d'essais nucléaires de Jackass Flats, Nevada[4]. Ils avaient pour but une mise au point (Graphie) progressive d'un réacteur basé sur des matériaux dont les comportements aux températures et pressions d'utilisation étaient initialement inconnus. Des réacteurs maquettes (Honeycomb et Zepo) furent nécessaires pour modéliser les caractéristiques neutroniques d'un système graphite/hydrogène.

La première série de prototypes fut nommée Kiwi (Les kiwis sont des fruits de plusieurs espèces de lianes du genre Actinidia, famille des Actinidiaceae. Ils sont originaires de Chine, notamment de la province de...) d'après l'oiseau (Un oiseau (ou classe des Aves) est un animal tétrapode appartenant à l'embranchement des vertébrés. S'il existe près de 10 000 espèces d'oiseaux, très différentes tant par leur écologie...) terrestre et en référence au fait qu'ils n'étaient absolument pas conçus pour le vol. KIWI-A généra une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 70 MW et éjectait l'hydrogène à 2683 K.

Chronologie des principaux essais de réacteurs nucléaires
Programme NERVA Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...)
test
réacteur
test
moteur
Kiwi Phoebus Pewee Nuclear
Furnace
1959 Kiwi A
Kiwi A'
1960 Kiwi A3
1961 Kiwi B1A
1962 Kiwi B1B
Kiwi B4A
1963
1964 NRX-A1
NRX-A2
Kiwi B4D
Kiwi B4E
1965 NRX-A3 Kiwi TNT Phoebus 1A
1966 NRX-A5 NRX/EST
1967 NRX-A6 Phoebus 1B
1968 XECF Phoebus 2A Pewee
1969 XE
1970
1971
1972 NF-1


Les moteurs NERVA étaient dérivés des réacteurs Kiwi-B et étaient conçus dans l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de missions lunaires avancées ou de missions martiennes habitées, impliquant des véhicules pesant 700 à 1400 t avec un système de propulsion de 900 kN de poussée et une impulsion spécifique supérieure à 800 s. Il fut prévu que ces systèmes utilisent plusieurs moteurs identiques : un modèle de 330 kN de poussée, 825 s d'Isp atteignant 1000 MW de puissance.

La première version nommée NRX (Nuclear Reactor Experimental) ne comprenait pas le système d'alimentation ni le divergent de la tuyère. Son objectif était de pouvoir fonctionner une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) à 2300 K, soit le temps nécessaire à une manœuvre de transfert vers Mars. L'expérimentation fut un succès et incita à passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) rapidement aux tests en configuration de vol.

En 1966, le réacteur suivant NRX/EST (Engine System Test) était donc équipé de turbopompes et d'une tuyère complète. En plus de l'endurance (L'endurance est la capacité de maintenir dans le temps un certain niveau d'intensité exigée.), il devait tester les régimes intermédiaires, arrêts et redémarrages multiples. Ces essais furent plus que satisfaisants, accomplissant ainsi les objectifs initiaux du projet Rover. Les essais suivants apportèrent diverses améliorations qui amenèrent en 1969 à la construction du moteur XE et de son banc de test vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) dépressurisé ETS-1 (Engine Test Stand). Cet ultime modèle comprenait tous les sous-systèmes critiques définitifs et pouvait démarrer et se réguler de façon autonome. Il atteignit une température de 2270 K et une Isp de 710 s.

Parallèlement à ces essais, d'autres réacteurs validaient des techniques alternatives :

  • Phoebus dans le domaine des hautes puissances, le modèle 1A fonctionna pendant 10 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) à 1090 MW et 2370 K, le modèle B pendant 30 minutes à 1500 MW et finalement Phoebus 2A atteignit 4000 MW pendant 12 minutes (le réacteur nucléaire le plus puissant jamais construit);
  • Pewee, un modèle réduit de Kiwi, expérimenta les revêtements en carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type...) de zirconium ZrC et atteignit 500 MW, améliorant ainsi la densité énergétique du système et l'Isp à 825 s;
  • Nuclear Furnace, dix fois moins puissant que Pewee, était conçu pour un fonctionnement prolongé (6500 s à 44 MW) et pour permettre un démontage automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a...) et une réutilisation après remplacement du cœur. Son rôle était de tester les nouvelles compositions et configurations de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une...). Ce modèle fut le premier et le seul fonctionnant en cycle fermé, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) les autres rejetaient leurs gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) dans l'atmosphère.

À la fin du projet, la conception prévoyait plusieurs améliorations permettant un fonctionnement à 2500 K et une Isp de 890 s. Dans le même temps, une évolution technologique baptisée ENABLER devait permettre au moteur d'atteindre 2700 K et une Isp de 925 s grâce à un nouveau type de combustible qui ne fut testé que dans NF-1.

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) des essais dégagèrent plus de 6 GWh d'énergie.

Fonctionnement

Carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) nucléaire

Configuration des barres de carburant
Configuration des barres de carburant

Le combustible nucléaire est constitué d'un substrat de graphite, ensemencé de particules micrométriques de dioxyde d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...) UO2 (KIWI A à B4D), ou de perles de 100 µm de carbure d'uranium UC2 enrobées de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) pyrolitique (KIWI B4E, NERVA, Phoebus et Pewee). Dans la version ENABLER, le combustible est en matrice composite de graphite contenant 35% volumiques de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) de carbure d'uranium et de zirconium (U,Zr)C.

Le matériau est sous forme de barres percées de canaux de passage[5], obtenues par extrusion d'un mélange farine de graphite-combustible-résine liante. Elles sont ensuite cuites lentement pour lier la résine, puis fortement pour les re-graphiter.

Le choix du substrat en graphite était justifié par ses caractéristiques neutroniques et sa résistance aux hautes températures. Cependant, l'hydrogène réagit à son contact et entraîne une corrosion importante du cœur, c'est pourquoi les barres sont revêtues d'une pellicule de 0,05 mm de carbure de niobium ou de carbure de zirconium. Le revêtement est réalisé par dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) vapeur (), ou par insertion dans les canaux de tubes de niobium transformés en couche de carbure NbC par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) jusqu'à la température d'eutectique (Un eutectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante, contrairement aux mélanges habituels. Il se comporte...) carbone+niobium.

Néanmoins, ce revêtement n'empêche pas complètement la dégradation du cœur par divers mécanismes (corrosion et diffusion), d'environ 1 g/min pour l'ensemble d'un réacteur NRX. Dans NRX-A6, une fine couche de molybdène est ajoutée sur les barres pour combler les micro-fissures de la couche protectrice, diminuant les pertes à 0,2 g/min.

Avec ENABLER, la structure composite du combustible et la couche protectrice en ZrC diminuent encore les pertes grâce à des coefficients de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression...) plus compatibles, préservant ainsi le revêtement de déformations mécaniques fissurantes ou décollantes.

Dans la conception finale, l'assemblage est réalisé autour de barres spécifiques refroidies par le circuit de régénération. Ces barres permettent de relier 2 à 6 barres de combustible et contiennent un élément modérateur en zirconium hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou...) (ZrH). Ainsi, la puissance du réacteur assemblé peut être réglée non seulement par la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) des barres (90 cm ou 1,30 m), mais aussi par la proportion de barres d'assemblages (de 1/6 à 1/2)[6].

Voie d'écoulement

Dessin en coupe du moteur NERVA
Dessin en coupe du moteur NERVA

En régime établi, l'hydrogène emprunte le circuit suivant :

  • poussé par la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) du réservoir jusqu'au moteur en passant par un cardan permettant d'orienter la poussée du réacteur ;
  • comprimé par des pompes centrifuges ;
  • passe par le circuit de régénération de la tuyère ;
  • remonte par la double paroi du col de la tuyère pour être distribué dans les organes périphériques du réacteur (réflecteur de neutrons, barres de contrôle et enceinte pressurisée) ;
  • remonté au sommet du réacteur, l'hydrogène est envoyé dans le cœur d'où il s'échappe surchauffé vers la tuyère ;
  • 3 % du flot est perdu car soutiré avant le cœur (topping cycle) ou avant le col de la tuyère (hot bleed cycle) pour entraîner les turbines des pompes (pour être à une température compatible avec les matériaux de ces turbines, il est en plus redilué avec de l'hydrogène provenant directement du réservoir).

Spécification d'étage de fusée NERVA

De nombreuses configurations de véhicule ou d'étage à base de moteur NERVA ont été proposées pendant et après le projet. Ci-dessous sont présentées les caractéristiques de trois de ces configurations :

  • Saturn C-3BN : proposition de remplacement du dernier étage S-IVB des fusées Saturn C-3 par un étage nucléaire ;
  • Saturn V-25(S)U : la fusée proposée par Boeing (Boeing (nom officiel en anglais The Boeing Company) est l'un des plus grands constructeurs aéronautiques et aérospatiaux au monde. Son siège social est situé à Chicago, dans l'Illinois. Ses deux plus grandes...) sert à mettre en orbite basse (L'orbite terrestre basse (Low Earth orbit, LEO, en anglais) est un type d'orbite terrestre situé entre 350 et 1 400 kilomètres d'altitude. On considère généralement que l'orbite basse est comprise entre...) un étage NERVA, cinq de ces étages sont ensuite assemblés pour constituer un véhicule habité à destination de Mars ;
  • Nerva 2 : actualisation (L'actualisation est la méthode qui sert à ramener à une même base des flux financiers non directement comparables car se produisant à des dates différentes. Cela permet non seulement de les comparer...) du concept NERVA en 1991.
Année 1961 1969 1991
Véhicule Saturn C-3BN Saturn V-25(S)U Nerva 2
Étagement LOX/Kérosène
LOX/LH2
Saturn S-N C-3BN
4 boosters solides
LOX/Kérosène
LOX/LH2
Saturn S-N V-25(S)U
2 boosters Titan (Cliquez sur l'image pour une description)
NERVA 2/NTR
étage NERVA
Nom moteur NERVA NERVA NERVA NTR
Isp 800 s 825 s 925 s
Poussée (vide) 266 kN 889 kN 333 kN
Temps d'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse...) 720 s 1500 s 3575 s
Diamètre 10,1 m 10,1 m 10,0 m
Hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) 16,6 m 48,2 m 47,6 m
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) initiale 32,5 t 245 t 158 t
Masse sèche 7,7 t 71 t 27 t

Notes et références

  1. Andrew J. Butrica, « §11. Voyager: The Grand Tour of Big Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que...) », 1998, From engineering science to big science, Nasa History Division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction...). Consulté le 20/10/2006
  2. T.A. Heppenheimer, « §9. Nixon's decision », 1999, The Space Shuttle decision, Nasa History Division. Consulté le 20/10/2006
  3. John E. Pike, « Space Exploration Initiative - Nuclear Thermal Propulsion », Federation of American Scientists. Consulté le 20/10/2006
  4. Les installations du Nuclear Rocket Development Station (NRDS) sont toujours visible ici : 36° 50' N, 116° 17' O
  5. KIWI A' et A3 : cylindres 1/6 de longueur, ∅ 19mm, à 4 canaux; KIWI B1A : cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une...) 1/2 longueur à 7 canaux; à partir de KIWI B4A : prisme hexagonal 19 mm x 1,3 m à 19 canaux de 2,54 mm
  6. (en)  [pdf] Stanley K. Borowski, Robert R. Corban, Melissa L. McGuire et Erik G. Beke, « Nuclear Thermal Rocket/Vehicle Design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques...) Options for Future NASA Missions to the Moon and Mars », 1993, AIAA. Consulté le 04-12-2006
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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