Fission Surface Power

Fission Surface Power ou FSP est un projet de l'agence spatiale américaine, la NASA, développé conjointement avec le Département de l'Énergie dont l'objectif est de mettre au point un réacteur nucléaire à fission opérationnel permettant de produire de l'électricité destinée à alimenter des stations à la surface de la Lune ou de Mars. Ce réacteur doit produire au minimum 40 kilowatts d'électricité. Le projet lancé en 2021 a succédé à plusieurs projets ayant des objectifs similaires dont le dernier en date est Kilopower (2014-2018) qui a mis au point un réacteur nucléaire fonctionnel produisant 1 kW.

La première application de ce réacteur nucléaire est l'alimentation en énergie électrique à l'horizon 2030 de la base que l'agence spatiale doit installer dans la région du pôle sud de la Lune dans le cadre de son programme Artemis. Pour définir les différentes solutions techniques la NASA a sélectionné en 2021 trois sociétés qui ont fourni leurs propositions. Un deuxième appel d'offres devait être lancé en 2025 pour la réalisation d'un réacteur nucléaire fonctionnel par deux des trois concurrents. le projet est piloté par le Centre de recherche Glenn (Cleveland) .

Contexte

Utilisation de l'énergie nucléaire dans l'espace

Les missions spatiales ont besoin d'énergie électrique pour fonctionner. La plupart des engins spatiaux utilisent des panneaux solaires pour réponde à ces besoins. Mais dans un certain nombre de cas - planètes externes éloignées du Soleil, période d'obscurité prolongée (Lune) ou de faible ensoleillement (Mars) - l'énergie nucléaire peut constituer une solution alternative préférable. Il existe de nombreux modes de production de l'énergie nucléaire mais seuls trois d'entre eux ont été réellement utilisés sous forme de prototypes terrestres ou par des engins spatiaux opérationnels :

L'élément chauffant à radioisotope (en anglais RHU radioisotope heater unit) pour qui dégage de la chaleur par désintégration de matériaux radioactifs peut être directement utilisé pour maintenir la température de l'engin spatial dans l'espace. Il contient généralement quelques grammes d'oxyde de plutonium dans une enveloppe formant un blindage.
Le Générateur thermoélectrique à radioisotope utilise la chaleur dégagée par la désintégration de matériaux radioactifs (généralement du plutonium) qui est transformée en électricité via des thermocouples avec un rendement très faible (3 à 7%). Ce mode de production d'énergie a été mis en œuvre par les sondes spatiales de la NASA envoyées vers les planètes externes (MHW-RTG, GPHS-RTG) ainsi que par les astromobiles martiens récents de la NASA (MMRTG) mais uniquement pour faire fonctionner des équipements (pas d'utilisation pour la propulsion).
La propulsion nucléaire thermique (NTP) utilise l'énergie dégagée par un réacteur nucléaire à fission pour chauffer un fluide propulsif (généralement de l'hydrogène liquide) qui est éjecté par une tuyère (le fluide expulsé est donc radioactif...). Il s'agit d'une technique utilisée exclusivement pour la propulsion. Le NTP n'a jamais été mis en œuvre dans l'espace mais des moteurs ont été testés sur Terre. Le plus connu est le moteur américain NERVA qui produisait une poussée comprise entre 250 et 350 kilonewtons et qui a été testé entre 1964 et 1969. Les soviétiques ont de leur côté développé le moteur-fusée RD-0410 entre 1965 et les années 1980.

L'énergie nucléaire électrique utilise la chaleur dégagée par la réaction de fission nucléaire pour produire de l'électricité via un convertisseur qui peut être un moteur Sterling ou utiliser un cycle de Brayton fermé (pas d'expulsion de fluide radioactif) ou ouvert. L'énergie électrique produite peut être utilisée par une propulsion spatiale électrique (NEP) ou des équipements de l'engin spatial ou pour répondre aux besoins d'une base lunaire ou martienne. Cette technique a été utilisée par la série de radars de reconnaissance soviétiques RORSAT (générateur BES-5) lancés entre 1967 et 1988. Deux réacteurs soviétiques TOPAZ plus puissants ont été également testés dans l'espace à la fin des années 1980. Les États-Unis ont testé dans l'espace un réacteur fonctionnant selon le même principe en 1965 : le SNAP-10A qui produisait 500 watts électriques. Le projet de gigantesque sonde spatiale Promotheus à destination des planètes externes utilisait également cette forme d'énergie nucléaire. Pour ses projets de base lunaire et martienne, a testé au sol des prototypes plus ou moins avancés de réacteurs de ce type : Kilopower, Fission Surface Power 1 (2007-2014). Le projet Fission Surface Power 2 objet de cet article met en oeuvre ce mode de production d'énergie.

Histoire des réacteurs nucléaires de la NASA produisant de l'énergie électrique

L'agence spatiale américaine, la NASA, effectue des recherches sur l'utilisation de l'énergie nucléaire pour produire de l'électricité dans l'espace depuis plus 20 ans. Le projet Prometheus (2001-2005) était un concept de réacteur nucléaire à fission produisant 200 kilowatts pour alimenter une sonde spatiale à destination des planètes externes. Fission Surface Power 1.0 (2006-2014) était un projet de réacteur nucléaire conçu pour fournir 40 kW à une base installée à la surface de Mars. Fission Surface Power est le successeur direct du programme Kilopower (2014-2018) qui avait mis au point un réacteur nucléaire à fission capable de produire 1 kilowatt en utilisant une technologie relativement simple. Ce réacteur utilisait du sodium (liquide fluide caloporteur) chauffé à 1100 kelvin. L'énergie thermique était transformé en énergie électrique par un moteur Stirling. Sa masse était de 400 kg.

Projets de la NASA de réacteurs nucléaires produisant de l'énergie électrique pour des besoins spatiaux
Caractéristique	Prometheus	Fission Surface Power 1	Kilopower	Fission Surface Power 2
Date	2001-2006	2007-2014	2015-2018	2019-
Puissance électrique	200 kW	40 kW	1 kW	40 kW
Durée de vie	20 ans	8 ans	10 ans
Pour alimenter ...	... la propulsion électrique d'une sonde spatiale	... les équipements d'une base lunaire ou martienne
Technologie utilisée	Uranium refroidi par Hélium-xénon à 1200 kelvin	Oxyde d'uranium refroidi par du sodium à 900 kelvin	Uranium-molybdène refroidi par du sodium à 1100 kelvin
Convertisseur	Cycle de Brayton	Moteur Stirling		Cycle de Brayton
Masse	6,6 tonnes	5,8 tonnes	400 kg	< 6 tonnes
Ratio masse/kW	33 kg	145 kg	400 kg	< 150 kg
Degré de développement	Concept	Prototype partie non nucléaire	Prototype fonctionnel	Réacteur opérationnel
Cout du projet	400 millions US$	50 millions US$	20 millions US$

Apport d'un réacteur nucléaire pour les stations en surface d'autres planètes

Pour les missions avec équipage se déroulant à la surface de la Lune ou de Mars, l'énergie nucléaire est une source fiable et essentielle. La fission nucléaire permet de produire une grande quantité d'énergie quelles que soient les conditions environnementales : durant les nuits lunaires qui durent 14,5 jours et durant les tempêtes à la surface de Mars qui affectent l'ensemble de la planète durant plusieurs semaines. Le système qui sera développé pour l'environnement lunaire est directement utilisable à la surface de Mars.

Une réponse aux besoins du programme Artemis

Dans le cadre de son programme Artemis, la NASA prévoit, que à la fin de la décennie 2020, des équipages comportant quatre astronautes effectuent des séjours de plusieurs semaines à la surface de la Lune dans un base qui sera installée non loin du pôle sud. Le développement d'un réacteur nucléaire opérationnel répond donc à un besoin opérationnel à brève échéance. Le partenariat que la NASA a noué avec le Département de l'Énergie (DOE) depuis 50 ans pour développer les générateurs thermoélectrique à radioisotope ainsi que plusieurs projets de réacteur nucléaire a été renouvelé en janvier 2026 dans le but de mettre au point un réacteur nucléaire opérationnel à la surface de la Lune en 2030. Le rôle du DOE, précisé par un mémorandum d'entente, est d'apporter son expertise, fournir 400 kilogrammes d'uranium faible enrichi et de gérer tous les aspects de la sûreté nucléaire tout au long du processus (test, assemblage, lancement)^,^,.

Historique du projet

Le projet de réacteur nucléaire Fission Surface Power est piloté par le Centre de recherche Glenn (établissement de la NASA) en collaboration aec les laboratoires INL (Idaho National Lab) et LANL (Los Alamos National Lab) du Département de l'énergie. L'INL est chargé de gérer les contrats avec les industriels tandis que LANL apporte son expertise dans le domaine des réacteurs. Le projet doit développer le concept proposé par l'agence et porter à maturité les technologies de conversion de l'énergie nucléaire et de production de l'énergie nucléaire.

En novembre 2021 la NASA lance un appel d'offres pour une première phase d'une durée d'un an portant sur la conception d'un réacteur nucléaire répondant au cahier des charges de l'agence spatiale. Trois sociétés sont sélectionnées et reçoivent chacune 5 millions US$^, :

Intuitive Machines et X-Energy en partenariat avec Maxar et Boeing
Lockheed Martin en partenariat avec BWXT et Creare
Westinghouse en partenariat avec Aerojet Rocketdyne

Le deuxième appel d'offres qui devait être lancé en 2025 a pour objectif de produire deux exemplaires fonctionnels du réacteur nucléaire : un pour la qualification et l'autre pour le déploiement sur la Lune qui doit intervenir au début de la décennie 2030.

Par ailleurs la NASA a passé des contrats en 2024 les sociétés Rolls Royce North American Technologies, Brayton Energy et General Electric pour développer des convertisseurs utilisant le cycle de Brayton.

Cahier des charges

Le cahier des charges soumis aux sociétés pour la première phase du projet est le suivant :

Production de 40 kW d'électricité à 120 V continu.
Masse maximum de 6 tonnes.
Radioactivité produite sur une année < 5 rem à une distance de 1 kilomètre.
Fonctionnant sur l'atterrisseur ou transporté sur un site distant.

Notes et références

1 2 (en) Lindsay Kaldon, « Overview of NASA Fission Surface Power », Centre de recherche Glenn, 2 mai 2023
1 2 3 4 5 (en) Todd Tofiln, « NASA's Fission Surface Power Project », Centre de recherche Glenn, 24 octobre 2022
↑ (en-US) William Harwood, « NASA announces major overhaul of Artemis moon program: “We’ve got to get back to basics” », sur spaceflightnow.com, 27 février 2026.
↑ (en) Jennifer M. Dooren, « NASA, Department of Energy to Develop Lunar Surface Reactor by 2030 », NASA, 13 janvier 2026
↑ (en) NASA et Département de l’Énergie, Memory of Understanding between the NASA and the Department of Energy concerning Fission Surface Power, NASA, janvier 2026, 5 p. (lire en ligne)
↑ (en) « Let’s Workshop This: Exploration Power for the Moon, Mars, and Beyond », NASA, 21 décembre 2022
1 2 (en) Ellen Bausback, « NASA’s Fission Surface Power Project Energizes Lunar Exploration », NASA, 31 janvier 2024

Sources

(en) NASA et Département de l’Énergie, Memory of Understanding between the NASA and the Department of Energy concerning Fission Surface Power, NASA, janvier 2026, 5 p. (lire en ligne)
mémorandum d'entente entre la NASA et le Département de l’Énergie américain portant sur le développement du réacteur nucléaire Fission Surface Power pour le programme Artemis.