Aircraft Nuclear Propulsion

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Vestiges du projet, le système HTRE-3, à gauche, et HTRE-1, à droite, exposés au Laboratoire national de l'Idaho, à environ à 29 kilomètres au sud-est d'Arco, dans l'Idaho.

Le programme « Aircraft Nuclear Propulsion » (en français : « Propulsion nucléaire aérienne/Pour avions »), aussi souvent abrégé « ANP», et le projet précédent « Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft » (en français : « Énergie Nucléaire pour la Propulsion des Avions »), abrégé en « NEPA » étaient des projets pour développer un système de propulsion nucléaire pour un avion à très long rayon d'action[1].

Historique[modifier | modifier le code]

L’United States Army Air Forces (USAAF) initia le projet NEPA le [2],[3]. Après un apport de fonds de 10 millions de dollars en 1947[4], le NEPA fut opérationnel jusqu'en , quand le projet fut transféré à l'ANP[5], fruit d'une entreprise conjointe entre la Commission de l'énergie atomique des États-Unis (AEC) et l’US Air Force[6].

L'USAF poursuivit en envisageant deux types différents de moteurs propulsés par une réaction nucléaire : le concept « à cycle d'air direct » (Direct Air Cycle) qui fut développé par General Electric à partir du [5], et le concept « à cycle d'air indirect » (Indirect Air Cycle), qui fut attribué à Pratt & Whitney. Le programme avait pour but de développer et tester le Convair X-6, mais fut abandonné en 1961 avant que cet avion ne soit construit[7].

Cycle d'air direct[modifier | modifier le code]

Le bâtiment d'expérimentations Aircraft Reactor Experiment, au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL).
Le système complet HTRE-3. On distingue les deux General Electric J47 modifiés, dont l'air comprimé est envoyé au réacteur nucléaire (au centre), avant de retourner vers les turbines des deux turboréacteurs.

Un propulseur nucléaire à cycle direct (« Direct Air Cycle ») ressemblerait en fait à un turboréacteur conventionnel, excepté le fait qu'il ne posséderait aucune chambre de combustion. L'air admis par le compresseur serait envoyé vers un plenum qui dirigerait l'air directement dans le cœur du réacteur nucléaire. Un échange thermique s'opérerait à l'endroit où le réacteur est refroidi : l'air entrant refroidit le réacteur, mais cet air est donc réchauffé (il refroidit en prélevant de la chaleur au réacteur), puis envoyé vers un second plenum. Celui-ci dirigerait l'air vers une turbine, qui l'enverrait ensuite vers l'échappement (la tuyère). Le fonctionnement est en fait assez basique, on emploie un cœur nucléaire pour faire fonctionner le turboréacteur, à la place du carburant classique utilisé habituellement. Un avion pourrait se servir de réactions nucléaires en chaîne pour se propulser (et pendant de longues périodes).

Le programme de General Electric, proposé le [5], qui était basé à Evendale dans l'Ohio, fut poursuivi parce qu'il était justement plein d'avantages : il était simple, fiable, convenable et pouvait être démarré rapidement. Des sections de compresseur et de turbine de moteurs à réaction classiques étaient utilisés, la seule différence venant de cet air réchauffé par un réacteur nucléaire avant d'être expulsé à travers la turbine.

L’Aircraft Reactor Experiment (ARE) était une expérience avec un réacteur nucléaire P-1 à neutrons thermiques de 2,5 MW, conçu pour atteindre une haute densité de puissance volumique pour un futur emploi dans un bombardier à propulsion nucléaire. Il utilisait comme carburant nucléaire un mélange de sels fondus NaF-ZrF4 (en)-UF4 (53-41-6 mol%), était modéré par de l'oxyde de béryllium (BeO), utilisait du sodium liquide comme réfrigérant secondaire, et avait une température maximale de 860 °C. Le développement fut accepté en 1952, les tests au sol planifiés pour 1954 et les premiers vols pour 1957[5].Il fonctionna pendant un cycle de 1 000 heures en 1954. Il fut le premier réacteur nucléaire à sels fondus au monde. Les travaux sur ce projet aux États-Unis furent arrêtés en [5], après que l'apparition des missiles balistiques intercontinentaux l'aient rendu obsolète. Les concepts de ces moteurs sont toujours visibles de nos jours au bâtiment mémorial de l’Experimental Breeder Reactor I au Laboratoire national de l'Idaho.

En 1955, ce programme produisit avec succès le moteur X-39, constitué de deux General Electric J47 modifiés, la chaleur étant fournie par le Heat Transfer Reactor Experiment-1 (HTRE-1). Le premier essai à pleine puissance du HTRE-1 uniquement sur puissance nucléaire prit place en . Un total de 5 004 MWh de fonctionnement furent effectuées pendant le programme de tests[8]. Le HTRE-1 fut remplacé par le HTRE-2, puis finalement par le HTRE-3, fournissant de la puissance aux deux turboréacteurs J47. Le HTRE-3 utilisait un système de bouclier « de type aéronautique », et aurait probablement été utilisé pour propulser le X-6, si le programme avait été mené à son terme.

Le , un autre réacteur fut mis en état critique au Critical Experiments Facility du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), en tant que programme de réacteur à circulation de carburant de la Pratt and Whitney Aircraft Company (PWAC). Il fut désigné PWAR-1, pour « Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 ». Le but de l'expérience était de vérifier expérimentalement les propriétés théoriquement prédites d'un réacteur PWAC. l'expérience ne dura que peu de temps : À la fin du mois de février 1957, toutes les données avaient été collectées et le démantèlement avait commencé. L'expérience avait été menée essentiellement à zéro puissance nucléaire. La température de fonctionnement fut maintenue constante à approximativement 677 °C, ce qui correspondait de près à la température de fonctionnement de conception du modérateur du PWAR-l. Cette température était maintenue par des chauffages externes. Comme l'ARE de 2,5 MWt, le PWAR-1 utilisait le mélange NaF-ZrF4-UF4 comme carburant et réfrigérant principal[9].

Cycle d'air indirect[modifier | modifier le code]

Le cycle indirect (« Indirect Air Cycle ») impliquait l'apparition d'échanges thermiques en-dehors du cœur nucléaire. Au lieu d'aller directement au contact du matériau radioactif, l'air ne serait envoyé que vers un échangeur de chaleur[1], qui lui aurait reçu de l'eau chaude pressurisée ou du métal liquide en provenance du cœur du réacteur. Ce liquide chaud aurait été refroidi par l'air arrivant du compresseur du moteur, qui aurait donc prélevé de la chaleur et aurait été redirigé vers la turbine d'échappement, produisant de la poussée en sortant de la tuyère[1].

Le programme à cycle d'air indirect fut attribué à Pratt & Whitney, à une usine située près de Middletown (Connecticut). De par sa conception, qui favorise un net cloisonnement entre les diverses parties principales du réacteur, ce projet aurait produit beaucoup moins de pollution radioactive que le précédent. Une ou deux boucles de métal liquide auraient fourni la chaleur du réacteur vers les éléments du moteur[1]. Ce programme nécessitait cependant un gros travail de recherche et le développement de beaucoup de systèmes légers utilisables dans un avion, comme des échangeurs de chaleur, des turbopompes à métal liquide et des radiateurs[1].

Finalement, le programme Indirect Cycle n'atteignit jamais le stade de production d'un quelconque élément adapté à l'aéronautique.

« MX-1589 Project »[modifier | modifier le code]

le Convair NB-36H, banc d'essais volant pour le programme X-6.

Le , l'armée de l'air américaine attribua à Convair pour faire voler un réacteur nucléaire à bord d'un B-36 Peacemaker modifié[10], faisant partie du programme ANP, mais sous le nom de code « MX-1589 Project ».

L'avion de tests nucléaires (Nuclear Test Aircraft, NTA) NB-36H (en) devait permettre d'étudier les besoins de boucliers anti-radiations pour un réacteur aéroporté, afin de déterminer si oui ou non un avion à propulsion nucléaire était faisable. Il s'agit là toujours du seul programme connu d'expérimentations de réacteurs nucléaires aéroportés entrepris par les Américains avec un vrai réacteur opérationnel à bord. Le NTA effectua un total de 47 vols de tests du réacteur au-dessus de l'Ouest du Texas et du Sud du Nouveau-Mexique. Le réacteur, désigné « Aircraft Shield Test Reactor » (ASTR), était opérationnel mais ne propulsait pas l'avion, étant donné que le but principal de ces vols était le test de boucliers.

Basé sur les résultats des expériences menées avec le NTA, le X-6 et le programme ANP entier furent abandonnés en 1961.

Abandon[modifier | modifier le code]

Après de nombreux problèmes, le projet fut mis en sommeil en , pour n'être rouvert qu'un an après. La compétition technologique avec l'Union soviétique, représentée par exemple par le lancement de Spoutnik 1, et le soutien en continu apporté par l’US Air Force permit au programme de tenir un temps, malgré des divisions assez importantes entre le Département de la Défense (DoD) et la Commission à l'énergie atomique (AEC). L'élection de John F. Kennedy comme président changea la donne. Il écrivit : « 15 ans et près d'un milliard de dollars ont été alloués à la tentative de développement d'un avion à propulsion nucléaire, mais la possibilité de créer un appareil militaire utilisable dans un futur proche est toujours très éloignée »[Note 1] dans son discours clôturant le programme ANP le [6],[11].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. « 15 years and about $1 billion have been devoted to the attempted development of a nuclear-powered aircraft; but the possibility of achieving a militarily useful aircraft in the foreseeable future is still very remote »

Références[modifier | modifier le code]

  1. a b c d et e (en) Gerald Wendt, « A Scientist Preview The First Atomic Airplane », Popular Science, Volta Torrey, vol. 159, no 4,‎ , p. 98 à 102 (lire en ligne)
  2. (en) Emme 1961, p. 49 à 63, chapitre : « Aeronautics and Astronautics Chronology, 1945-1949 »
  3. (en) stoffel 2000, p. 2
  4. (en) Raul Colon, « Flying on Nuclear, The American Effort to Built a Nuclear Powered Bomber », (consulté le 13 novembre 2016)
  5. a b c d et e (en) stoffel 2000, p. 3
  6. a et b (en) Worcester Polytechnic Institute, « The Decay of the Atomic Powered Aircraft Program », Megazone, (consulté le 13 novembre 2016)
  7. (en) « Nuclear Powered Aircraft », Brookings Institution, (consulté le 13 novembre 2016)
  8. (en) Introduction to nuclear propulsion- introduction and background - lecture #1, NASA Technical Reports Server, 26,27 et 28 février 1963, 80 p. (lire en ligne [PDF]), p. 30
  9. (en) AEC Research & Development Report 1963, p. 3
  10. (en) Emme 1961, p. 3, chapitre : « Aeronautics and Astronautics Chronology, 1950-1954 »
  11. (en) Martin 2012, p. 109 à 112

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Eugene M. Emme, Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960, Washington DC (USA), NASA, (lire en ligne)
  • (en) D. Scott, G.W. Alwang, E.F. Demski, W.J. Fader, E.V. Sandin et R.E. Malenfant, AEC Research & Develelopment Report : A Zero Power Reflector-Moderated Reactor at Elevated Temperature, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), , 101 p. (lire en ligne [PDF])
  • (en) Eugene M. Emme, Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960, Washington DC (USA), NASA, (lire en ligne)
  • (en) Jesse Stoffel, Dreams of Nuclear Flight — The NEPA and ANP programs, University of Wisconsin-Madison, , 23 p. (lire en ligne [PDF])
  • (en) Richard Martin, SuperFuel: Thorium, the Green Energy Source for the Future, MacMillan, , 272 p. (ISBN 0230341918 et 9780230341913, lire en ligne), « ANP »

Liens externes[modifier | modifier le code]