Megapower un réacteur nucléaire d’un nouveau type qui nous permettra de vivre sur Mars

Le Los Alamos National Laboratory *(LANL), travaille en partenariat avec la NASA sur « Megapower », un nouveau type de réacteur nucléaire qui convient parfaitement aux besoins énergétiques d’un établissement humain sur Mars.

* Appartient au « Department of Energy » (« DOE ») des Etats-Unis.

Megapower est un réacteur extrêmement robuste, aisément transportable et contrôlable. Il pourrait être utilisé dans tous les endroits difficiles d’accès et ne disposant pas d’infrastructures énergétiques préexistantes. On pense évidemment tout de suite à la Lune ou à Mars. Son principe est le même que le réacteur « KRUSTY » (« Kilopower Reactor Using Sterling Technology », présenté en février 2018 dans ce blog) mais il aura une puissance beaucoup plus élevée (jusqu’à 10 MWe* au lieu de 10 kWe*).

*puissances visées par le LANL .

De l’Uranium 235 (235U) sous une forme légèrement enrichi (« LEU » pour « Low Enriched Uranium », 19,75%*) génère de la chaleur par le phénomène de fission généré par l’impact de neutrons provenant d’autres noyaux préalablement fissionnés (2 à 3 en moyenne par fission). L’effet est renforcé par des réflecteurs (en alumine – Al2O3 – ou oxyde de béryllium -BeO) placés autour du cœur et qui renvoient vers l’intérieur de la masse de ce cœur, les neutrons qui auraient tendance à s’en échapper (ce qui permet aussi d’utiliser ce matériau, LEU). La chaleur est conduite par des fluides caloporteurs (sodium dans le cas de KRUSTY, potassium dans le cas de Megapower) circulant dans des tuyaux caloducs (« heat-pipes », conçus par LANL) au dehors du cœur du réacteur, où elle alimente un moteur (Stirling dans le cas de KRUSTY) ou une turbine à gaz (cycle de Brayton dans le cas de Megapower) qui la convertit en énergie mécanique puis en électricité au moyen d’une génératrice couplée au moteur.

*tout près de la limite de 20% qui qualifie cette catégorie; c’est un enrichissement relativement élevé néanmoins si l’on considère que le combustible des centrales nucléaires n’est, lui, enrichi qu’à 3-4 % seulement.

L’efficacité de conversion en énergie électrique est d’autant plus grande qu’il existe un différentiel de températures important entre la chaleur produite par le réacteur et la source froide extérieure dans laquelle est rejetée la chaleur résiduelle (2ème Principe de la thermodynamqiue). Lorsque la demande en énergie est forte le fluide caloporteur retire la chaleur plus vite du cœur, le réacteur commence par se refroidir et le combustible se contracte ce qui tend à faire augmenter le nombre de réactions et in fine à provoquer un plus fort dégagement de chaleur (contre-réaction positive). Inversement lorsque la demande d’énergie est moins forte, la chaleur augmente dans le cœur ce qui conduit le combustible à se dilater et les réactions à diminuer, ce qui permet une auto-régulation et un retour à l’équilibre. C’est la grande originalité et le grand avantage de Megapower qui contrairement aux centrales nucléaires traditionnelles, n’a pas besoin d’un système complexe de valves et de pompes pour obtenir un refroidissement à partir de quantités d’eau importantes prélevées dans un fleuve, dans un lac ou dans la mer. Par ailleurs, le réacteur dispose à sa périphérie (avant le bouclier/réflecteur d’alumine) de 12 tambours rotatifs revêtus chacun d’un arc de carbure de bore qui peut être plus ou moins exposé vers le cœur pour freiner la réaction, et de deux barres de carbure de bore que l’on peut insérer facilement au cœur du dispositif (le carbure de bore, B4C, est un puissant absorbeur de neutrons) en cas d’urgence pour faire chuter rapidement le nombre de neutrons et donc les réactions de fission. Enfin, comme dans tout réacteur, un évacuateur de puissance résiduelle (« decay heat exchanger ») intégré entre le cœur et l’échangeur primaire de chaleur avec le moteur/convertisseur, permet de dégager de l’intérieur du cœur tout excès de chaleur.

La structure du Megapower est complexe, pour exploiter le plus efficacement possible la source de chaleur et assurer la bonne maîtrise du dispositif. C’est un monobloc d’acier inoxydable dans laquelle sont installés en hexagone autour d’un vide central lui-même hexagonal, six secteurs de cœur de réacteur couvrant chacun 60° de celui-ci, dans chacun desquels courent un grand nombre de de tubes verticaux (2112) remplis de pastilles de LEU entre lesquels s’insèrent de nombreux tubes verticaux caloporteurs (1224). Comme indiqué ci-dessus, les tubes de LEU ne sortent pas du cœur du réacteur (il comporte à ses extrémités deux blocs réflecteurs); seuls les tubes caloporteurs se prolongent en dehors pour conduire la chaleur jusqu’au dispositif de conversion en électricité, en passant ensuite par l’évacuateur de puissance résiduelle.

Le tout donne un ensemble cylindrique de 4 mètres de long et de 1,5 mètres de diamètre qui devrait peser entre 35 et 45 tonnes (dont 3 tonnes de combustible). Ce n’est ni léger ni tout petit mais un vaisseau spatial du type Starship de SpaceX devrait pouvoir déposer 100 tonnes sur Mars et ni le volume ni le poids de Megapower ne devraient donc poser problème.

Le transport entre la Terre et Mars de tels réacteurs est donc possible. Un village martien d’un millier d’habitants comme il est envisagé d’en établir une vingtaine d’années après le 1er vol habité vers la quatrième planète, pourrait fonctionner avec quatre ou cinq d’entre eux, avec en complément plusieurs réacteurs KRUSTY pour donner de la flexibilité et peut-être équiper quelques sites éloignés de la base et du fait que KRUSTY sera aisément transportable d’un endroit à l’autre. Il ne faut pas oublier qu’il n’y a aucune infrastructure sur Mars et qu’il faudra tout installer et tout construire, y compris des unités d’industrie lourde pour produire acier, verre, aluminium, éthylène, polyéthylène, méthanol, engrais, etc…On aura donc besoin de beaucoup d’énergie dès le « début ». On commencera sans doute par expédier deux réacteurs avec la première mission habitée (redondance minimum nécessaire) puis on expédiera un réacteur lors de chaque fenêtre de tirs (tous les 26 mois). On aura ainsi toujours plus de puissance disponible, en parallèle avec la croissance des possibilités de l’utiliser. Comme pour d’autres produits sophistiqués, il ne peut être question au début de fabriquer ces réacteurs sur Mars. Il faudra en continuer l’importation depuis la Terre pendant la durée nécessaire, pour en augmenter le nombre et renouveler régulièrement ceux qui arriveront en fin de vie car ils ne devraient maintenir leur puissance nominale que sur une dizaine d’années. Progressivement, il faudra s’efforcer de produire sur Mars les éléments les plus massifs ou dont le transport pourrait poser problème. Il faudra s’y appliquer dès le début car pouvoir réduire le transport de volumes et de masses depuis la Terre sera une des premières conditions d’une installation pérenne, compte tenu du coût élevé du transport, des limitations en volume des soutes des vaisseaux spatiaux et de l’espacement des fenêtres de tirs.

On voit bien les avantages de ce type de réacteur pour l’installation de l’homme sur Mars. Le Soleil sera certes également une source d’énergie. Il serait stupide de ne pas en tirer profit mais il est impossible de compter dessus pour satisfaire l’ensemble des besoins. L’irradiance solaire varie de 492 à 715 W/m2 à la distance de l’orbite martienne contre 1321 à 1413 à la distance de l’orbite terrestre, l’efficacité énergétique des panneaux photovoltaïques est (aujourd’hui) au maximum de 40% et bien sûr, les panneaux solaires ne fonctionnent pas la nuit, moins bien si on s’éloigne de l’équateur et plus du tout pendant les tempêtes de poussière ! Donc l’énergie solaire ne pourra être qu’un appoint et, comme il n’y a ni charbon, ni pétrole, ni eau courante, les autres sources possibles d’énergie se réduisent à la géothermie, si l’on trouve des points chauds offrant avec la surface un différentiel de températures intéressant.

LANL espère que ses réacteurs seront prêts dans 5 ans, c’est juste ce qu’il nous faut puisque le premier voyage avec le Starship d’Elon Musk devrait avoir lieu en 2024 ! Il ne reste qu’à souhaiter plein succès aux ingénieurs qui travaillent à résoudre les dernières difficultés techniques levées par l’« INL » (« Idaho National Laboratory ») qui appartient aussi au DOE et qui a été chargé par ce dernier de faire une étude critique du projet.

Image à la Une : Un réacteur Megapower dans son camion de livraison. Cela donne une bonne idée des dimensions. Crédit LANL

Image ci-dessous : volumes principaux d’un Megapower (crédit LANL).

Images ci-dessous : coupe horizontale du réacteur (crédit LANL). On y voit les six segments de cœur du réacteur, en acier inoxydable, traversés par des tubes où sont empilées les pastilles LEU de 235U, entourées par d’autres tubes remplis de potassium, tout autour les 12 tambours de contrôle portant leurs arcs en carbure de bore et au centre la cavité hexagonale dans laquelle peuvent être introduites les barres en carbure de bore. Le cercle jaune extérieur est le bouclier/réflecteur en Alumine.

Image ci-dessous : coupe horizontale de l’un des six segments du cœur du réacteur (crédit LANL). Chaque tube de combustible (“fuel”, couleur pourpre) de LEU est entouré de trois conduites de transport de chaleur (blanc).

Image ci-dessous à gauche: un des six segments du cœur du réacteur (crédit LANL) et, à droite, une coupe verticale de ce segment (crédit LANL).

             

 

Des précisions / corrections ont été introduites après relecture par le Dr Pierre-André Haldi (directeur du Master of Advanced Studies en énergie, à l’EPFL)

Références :

article dans 1663 (la revue du LANL) : https://www.lanl.gov/discover/publications/1663/2019-february/_assets/docs/1663-33-Megapower.pdf

Proposition alternative de l’INL : https://ndiastorage.blob.core.usgovcloudapi.net/ndia/2017/power/Ananth19349.pdf

 

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Index L’appel de Mars 19 05 10