La DARPA américaine fait progresser l'exploitation autonome des réacteurs nucléaires spatiaux

Récemment, l'Agence américaine des projets de recherche avancée de défense (DARPA) a annoncé l'attribution d'un accord d'échange (OTA) à la start-up de propulsion nucléaire spatiale Space Nuclear Power Corporation (SpaceNukes) dans le cadre du programme Fat Cat. Ce projet, géré par la cheffe de projet Tabitha·Dodson du Bureau des sciences de la défense de la DARPA, vise à développer une technologie d'exploitation autonome de réacteurs à fission nucléaire pour l'espace lointain, capable de s'autoréguler sans nécessiter de supervision humaine continue.

Il est dirigé par l'équipe d'ingénieurs qui avait mené avec succès l'essai au sol du réacteur de base de classe kilowatt (KRUSTY) utilisant la technologie Stirling en 2018. L'équipe comprend le directeur général Andy·Phelps, le directeur technique David·Poston, le directeur des opérations Patrick·McClure et l'ingénieur en chef Marc·Gibson. L'intégration des composants sera réalisée dans les installations de SpaceNukes à Medina, dans l'Ohio, et des essais nucléaires au sol complets du nouveau matériel et de la logique logicielle autonome seront finalement menés.

Sur le plan de l'architecture technique, SpaceNukes a adopté la solution technologique Kilopower sous licence du Laboratoire national de Los Alamos (LANL), dont le cœur est constitué d'une pièce coulée solide d'uranium-235 allié au molybdène, entourée de plusieurs caloducs à sodium scellés. Dans la phase de condensation et d'échange thermique, le cœur transmet la chaleur à haute température à un moteur Stirling haute efficacité de Sunpower via des caloducs passifs pour entraîner un piston alternatif produisant de l'électricité ; le nouvel accord introduit en outre, sur la base de la régulation purement passive précédente, des barres de contrôle actives et un mécanisme de gestion dynamique de la puissance afin de faire face aux transitoires d'exploitation extrêmes.

La motivation centrale de l'introduction d'un contrôleur autonome réside dans la résolution du problème du délai de communication à la vitesse de la lumière auquel sont confrontées l'exploration de l'espace lointain et les plateformes orbitales. Étant donné que la transmission radio à sens unique entre la Terre et Mars ou les planètes externes peut prendre de plusieurs minutes à plusieurs heures, une station de contrôle au sol ne peut intervenir à temps en cas de défaillance grave telle qu'une chute de tension ou un pic thermique. Le contrôleur nucléaire autonome embarqué utilise un logiciel intégré pour surveiller à intervalles de millisecondes la température interne, le flux neutronique et les contraintes mécaniques, et peut effectuer directement localement les calculs de transitoires physiques et commander l'ajustement des barres de contrôle actives ou la redistribution de la charge des moteurs.

Lors de l'essai au sol KRUSTY de 2018, le prototype a réussi à fonctionner en continu à pleine puissance pendant 28 heures sur le site d'essai national de sécurité du Nevada (NNSS), avec une température de cœur atteignant 800 à 880 degrés Celsius, et a démontré une stabilité physique intrinsèque extrêmement remarquable lors de la simulation d'une perte de refroidissement et d'une variation de charge thermique extrême de 175 %. Le programme Fat Cat actuel vise à approfondir davantage le couplage entre cette haute sûreté intrinsèque et la logique logicielle intelligente, afin de réaliser le passage d'une réponse physique passive à une prise de décision autonome hautement sensible.

À mesure que les futures missions d'exploration de l'espace lointain s'étendent vers le système solaire externe et que la demande des installations orbitales en électricité continue et fiable croît, les percées dans la technologie d'exploitation autonome des réacteurs nucléaires spatiaux élimineront complètement la dépendance humaine à la télécommande. La coopération entre SpaceNukes et la DARPA marque non seulement une étape de démonstration vers la commercialisation et l'ingénierie de la propulsion nucléaire spatiale américaine, mais fournit également une pierre angulaire énergétique décarbonée à haute survie pour la prochaine génération de sondes de l'espace lointain et d'actifs spatiaux de sécurité nationale.