Systems for Nuclear Auxiliary Power

Systems Nuclear Auxiliary Powers (, pour « systèmes de puissance auxiliaire nucléaires »), plus généralement connu par son acronyme SNAP, était un programme de la Commission de l'énergie atomique des États-Unis (AEC) lancé en 1955 et portant sur la conception et le développement de générateurs thermoélectriques à radio-isotope (RTG) et de réacteurs nucléaires à fission.

Deux générateurs SNAP-19 (indiqués par la flèche) montés sur un satellite météorologique Nimbus (décennie 1970).

Au début de l'ère spatiale, l'énergie nucléaire est envisagée comme un moyen théoriquement commode (faible rapport poids/puissance électrique) d'alimenter en électricité les satellites à une époque où le recours aux cellules photovoltaïques dans l'espace est encore balbutiant. Les RTG sont ainsi déployés à titre expérimental sur des satellites du département de la Défense américain (DoD) (satellite de navigation Transit) et de la NASA (satellite météorologique Nimbus). Mais les inconvénients inhérents à l'utilisation de matériaux radioactifs, les coûts associés et la mise au point de panneaux solaires fiables met fin à cette utilisation. Les RTG développés par la suite dans le cadre du programme SNAP sont utilisés exclusivement pour alimenter des engins spatiaux lancés vers d'autres planètes et confrontés soit à l'absence prolongée d'énergie solaire (nuit lunaire) soit à sa diminution du fait de l'éloignement du Soleil : suite instrumentale ALSEP installée à la surface de la Lune par les missions Apollo, missions Pioneer 10 et 11 lancées vers les planètes externes du système solaire et atterrisseurs martiens Viking.

Les RTG SNAP, mis en œuvre par des missions spatiales utilisaient du plutonium 238 produits spécifiquement pour cet usage, dont l'énergie thermique était transformée en énergie électrique par des thermocouples avec un rendement faible (6 à 7%) inhérent à cette technique. Les modèles développés fournissaient entre 25 et 70 Watts électriques. Si les utilisations dans l'espace des RTG SNAP ont été relativement nombreuses (une trentaine d'exemplaires déployés dans l'espace), un seul réacteur nucléaire du programme (SNAP-10A) produisant 500 kW électriques a été placé en orbite et ce uniquement à des fins expérimentales. Le programme SNAP proprement dit a pris fin comme beaucoup de projets ambitieux de la NASA au milieu des année 1970 mais le recours aux RTG s'est poursuivi avec les mêmes intervenants débouchant sur une première réalisation embarquée sur les sondes spatiales Voyager (RTG MHW-RTG). Par contre les travaux sur les réacteurs nucléaires à fission n'avaient toujours pas connus d'application pratique début 2026.

Contexte : les débuts des recherches sur les applications civiles de l'énergie nucléaire

Seulement quelques années séparent la mise en route du premier réacteur nucléaire à Chicago en 1942 du début des recherches sur les applications spatiales de l'énergie nucléaire aux États-Unis. Peu après la fin de la Seconde guerre mondiale, le contrôle de l'énergie nucléaire est transféré des militaires aux civils par l'Atomic Energy Act voté en 1946 par le Congrès américain. Ce texte crée la Commission de l'énergie atomique (Atomic Energy Commission) ou AEC qui devient opérationnelle le 1^er janvier 1947. Des études menées par l'AEC et de le Département de la Défence (DoD) à la fin de la décennie 1940 et au début de la décennie 1950 démontre que l'énergie dégagée par la désintégration des radioisotopes et le processus de fission nucléaire peut potentiellement avoir des applications autres que la fabrication de bombes atomiques.

Lancement du programme SNAP

La Commission de l'énergie atomique américaine (AEC) fait réaliser en 1952 une étude sur l'emploi de l'énergie nucléaire dans l'espace qui confirme son intérêt. Un rapport de 1954 de la société Rand Corporation (Projet Feedback) démontre la possibilité de développer des satellites de reconnaissance (satellite espion). Toutefois certains modèles de satellite proposés nécessitent de disposer de plusieurs kilowatts d'énergie. L'AEC lance en 1955 les recherches sur la mise au point d'une source d'alimentation nucléaire pour un satellite de reconnaissance (programme Pied Pieper) développé par Lockheed pour le compte de l'Armée de l'Air. A la suite d'une fuite sur ce projet dans le magazine Aviation Week dans le cadre d'un article consacré au vol inaugural de Spoutnik (1957), l'AEC donne comme instruction le 27 octobre à tous les services et sous-traitants concernés d'utiliser SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power) pour désigner ce programme de recherche. Celui-ci se matérialise initialement par deux réalisations. SNAP-1 développé par la société Martin Corporation utilise la désintégration radioactive pour produire de l'énergie électrique (Générateur thermoélectrique à radioisotope ou RTG). De son côté SNAP-2, développé conjointement par Atomics International et North American Aviation utilise un réacteur nucléaire à fission pour produire de l'énergie thermique convertie en énergie électrique. Au cours des années suivantes plusieurs RTG et réacteurs nucléaires sont développés et dans certains cas mis en oeuvre. La numérotation des différentes réalisations reflète le type d'équipement : les numéros impairs sont attribués aux RTG tandis que les numéros pairs sont affectés aux projets de réacteur nucléaire.

Les autres programmes américains portant sur l'utilisation de l'énergie nucléaire

En parallèle la NASA et la Commission de l'énergie atomique lancent deux projets ayant pour objectif la mise au point de réacteurs nucléaires assurant directement la propulsion d'engins spatiaux (propulsion nucléaire thermique) : de l'hydrogène réchauffé à très haute température en traversant le coeur d'un réacteur nucléaire est expulsé à très haute vitesse. Cette technologie permet une impulsion spécifique bien supérieure à ce qui peut être obtenu avec des moteurs-fusées classiques (utilisant l'énergie chimique des ergols) les plus performants. Le programme Rover lancé en 1955 doit mettre au point les technologies nécessaires. Un réacteur nucléaire est construit à cet effet sur le site de Parajito au Laboratoire national de Los Alamos où il est testé à faible puissance. Il est ensuite transféré sur le site du test du Nevada ou des essais à forte puissance sont menés. Dans le cadre de la première phase de ce projet, baptisé Kiwi, 7 réacteurs sont construits et testés entre 1959 et 1964. La phase deux, baptisée Phoebus, est dédiée à la mise au point de réacteurs nucléaires plus avancés. Le projet NERVA qui débute en 1961 a pour objectif de développer un réacteur nucléaire utilisable dans l'espace. Les tests d'un réacteur nucléaire complet sont menés au sol. A plusieurs reprises la NASA envisage d'utiliser le moteur développé pour propulser l'étage supérieur dans le cadre de missions avec équipage vers la Lune (programme Apollo) ou vers Mars. Mais cette solution est à chaque fois écartée et le projet, bien que soutenu par le Congrès américain, est finalement annulé en 1972.

Développement des RTG SNAP

SNAP-1

SNAP-1 est le premier générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) développé dans le cadre du programme SNAP par la société Martin Corporation (vers 1958). Il utilise la désintégration de Cerium-144 qui porte à l'ébullition du mercure. Celui-ci actionne une turbine en utilisant le cycle de Rankine. L'objectif était de produire 500 Watts électrique durant 60 jours. Bien que la faisabilité d'un tel système ait été prouvé, le générateur ne sera jamais été complètement développé pour plusieurs raisons dont une durée de vie trop courte pour répondre aux besoins spatiaux et l'existence de matériaux thermoélectriques ayant un meilleur rendement.

SNAP-3

Un générateur SNAP-3 avec son tube permettant l'évacuation de l'hélium-4 produit par la désintégration du polonium 210.

Martin Corporation choisit de poursuivre le programme en utilisant des générateurs thermoélectriques qui ne comportent pas de pièces en mouvement. Dans ce type de RTG, l'énergie thermique est transformée en énergie électrique par des thermocouples en exploitant l'effet Seebeck (Le scientifique allemand Thomas Johann Seebeck avait découvert en 1821 qu'un courant électrique était généré lorsque deux matériaux conducteurs étaient reliés de manière à former un circuit fermé et que les deux jonctions étaient portées à des températures différentes). En 1958 la société Martin sélectionne pour ce besoin deux sociétés Westinghouse Electric et Minnesota Mining and Manufacturing (3M). A la même époque la Commission de l'énergie atomique (AEC) passe contrat avec d'autres sociétés pour développer des générateurs. Ces travaux fournissent très rapidement des résultats. La société 3M fournit à Martin un générateur thermoélectrique dès décembre 1958. Il est assemblé par Martin avec des éléments chauffants utilisant du polonium 210 (demi-vie 138 jours). Livré à l'AEC l'ensemble baptisé SNAP-3 produit 96 Watts thermiques et fournit 2,5 Watts électriques avec une demi-charge de polonium. L'AEC était désormais en mesure de produire des générateurs capables de produire 120 Watts électriques de manière continue durant une année. En janvier 1959 le président Eisenhower présenta en personne au public dans le bureau ovale de la Maison-Blanche cette nouvelle application de l'énergie atomique sans doute pour détourner l'attention de l'utilisation militaire de l'atome (les missiles balistiques intercontinentaux entrent en service à cette époque).

Création de la NASA

Présentation en janvier 1959 du SNAP-3 dans le bureau ovale de la Maison-Blanche en présence du président Eisenhower (à l'extrême gauche) avec à sa gauche le président de l'AEC Donald Kern qui sera remplacé en janvier 1961 par le prix Nobel de chimie Glenn Seaborg.

L'agence spatiale américaine, la NASA, est créée en 1958 avec l'objectif de confier le programme spatial à une instance civile indépendante du complexe militaro-industriel conformément aux souhaits du président Eisenhower. En mai 1960 le premier administrateur de la NASA Glennan écrit que le recours à l'énergie nucléaire est sans doute l'unique moyen de mener certaines missions spatiales mais que les problèmes de sécurité que celle-ci soulève (personnel, équipements, astronautes, contamination de l'environnement spatial) doivent être prises en compte et pourraient limiter son utilisation. Glennan propose que l'AEC se charge de définir les conditions d'utilisation des systèmes de production d'énergie nucléaire. En aout 1960 les deux agences signent un mémorandum d'entente pour développer l'usage spatiale de l'énergie nucléaire.Un bureau conjoint AEC-NASA est créé pour développer les applications du programme SNAP dans les missions de la NASA.

Le choix du plutonium 238

Le plutonium 238 présente plusieurs caractéristiques idéales pour une application spatiale. Il est caractérisé par une demi-vie de 88 ans bien adaptée à la durée des missions d'exploration du système solaire - celle-ci peut atteindre voir dépasser 20 ans (Cassini-Huygens (1997-2017) ou Voyager (1977-...) - , une puissance initiale importante (390 Watts thermiques/kg) et un rayonnement peu nocif qui facilite sa manipulation et limite son impact sur l'électronique. Pour toutes ces raisons il a été retenu presque dès le début de l'ère spatiale par la NASA pour alimenter les RTG de ses engins spatiaux. Mais sa fabrication résulte d'un processus à la fois coûteux (5 millions US$/kg en 2016) et sans autre débouché. Il repose sur un traitement long et complexe du neptunium 237 issu du combustible usé des centrales nucléaires. Les États-Unis lancent la production de plutonium 238 à compter de 1959 sur le site de Savannah River.

SNAP-3A : premier RTG dans l'espace (juin 1961)

Le premier Générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) lancé par les États-Unis dans l'espace est le SNAP-3A qui reprend les caractéristiques du SNAP-3 mais utilise du plutonium 238. Les ingénieurs du laboratoire APL, qui ont conçu pour le compte de l'US Navy la constellation de satellites de navigation militaire Transit, décident d'équiper à titre expérimental les deux premiers exemplaires - Transit 4A et 4B - avec le petit RTG SNAP-3B fournissant 2,7 Watts pour alimenter une expérience embarquée sur ces petits satellites. Les problèmes diplomatiques soulevés par le lancement dans l'espace de matériel radioactif qui doit survoler Cuba et l'Amérique du sud déclenchent des débats au sein des instances gouvernementales qui filtrent dans la presse. Finalement le premier des deux satellites équipés est placé en orbite le 29 juin 1961. Le lancement fait la une de la presse avec dans le quotidien New York Journal-American un article accrocheur US Orbits Atomic Battery (Les États-Unis mettent en orbite une batterie atomique). La Commission à l'énergie atomique tente de capitaliser sur ce premier succès dans les semaines suivantes à travers un communiqué de presse et dans le cadre d'une conférence réunissant des scientifiques et des ingénieurs. Le deuxième satellite équipé d'un SNAP-3 fut lancé sans rencontré de problèmes le 15 novembre 1961.

Un vent favorable pour les RTG

L'équipe chargée du programme SPARC au sein de l'AEC ayant démontré le caractère opérationnel des RTG se met à la recherche d'applications spatiales. A l'époque toutes les conditions sont réunies pour permettre le développement du programme SNAP. Le futur de l'énergie nucléaire civile semble prometteur, le projet a le soutien du Congrès américain, le mouvement anti-nucléaire est peu développé et l'AEC est dirigé par Seaborg (chercheur et professeur d'université, prix Nobel de chimie ayant découvert une dizaine d'éléments chimiques dont le plutonium) qui suit directement le projet tout en accordant une grande liberté de décision à ses responsables. Le budget requis est peu important et les développements sont réalisés avec un nombre limité d'intervenants : Martin Corporation et ses sous-contractants de 3M, le laboratoire Mound de Monsanto pour le conditionnement des radio-isotopes et les utilisateurs finaux comme le laboratoire APL de l'Université John Hopkins. Ce groupe décide de développer le RTG SNAP-9A avec l'objectif de répondre aux besoins d'énergie des satellites Transit opérationnels (toujours développés par APL) dont le premier lancement est prévu fin 1962. En parallèle Martin développe les RTG SNAP-7 pour l'alimentation en énergie les sonars de la Navy, les bouées des gardes côtes et des stations météorologiques du service météorologique. Jusque là seul le Département de la Défense avait manifesté un intérêt concret pour les RTG avec son programme Transit. La situation change au cours de l'automne 1961, lorsque la NASA demande à l'AEC de développer deux RTG (SNAP-11) pour alimenter en énergie électrique les sondes Surveyor qui doivent se poser à la surface de la Lune deux ans plus tard. Mi-1962, l'agence spatiale américaine entame des échanges sur la possibilité d'utiliser des RTG pour alimenter la série d'engins spatiaux du programme Interplanetary Monitoring Probes (après des péripéties aboutira à la sonde spatiale européenne Ulysses). Fin 1962, la NASA dans son plan prévisionnel à 10 ans, la NASA ajoute aux utilisations potentielles des RTG les satellites d'astronomie OAO et les satellites météorologiques Nimbus.

SNAP-7 : première utilisation terrestre

Bouée flottante située près de Baltimore dont le feu scintillant est alimenté par un RTG SNAP 7A.

Au milieu des années 1960 au moins six RTG SNAP-7 (versions A, D et F) sont construits pour alimenter en énergie électrique des phares et des bouées. De masse importante (850 à 8720 kg) ils utilisent du strontium-90 et produisent environ 30 Watts électriques en début de vie.

SNAP-9

L'utilisation spatiale du SNAP-3B ayant donné satisfaction, les ingénieurs de l'APL décident de donner un rôle central au RTG pour leur nouvelle génération de satellites Transit de 70 kg. Une des motivations des ingénieurs de l'APL était que la durée de vie prévue de ces engins spatiaux avait été portée à 5 ans et à l'époque il n'était pas certain que les panneaux solaires et les batteries continuent de fonctionner aussi longtemps dans l'espace. Le système d'alimentation principal de la série de satellites Transit 5BN (N pour nucléaire) était donc un RTG SNAP-9A qui fournissait 25 Watts électriques. Il était prévu qu'en cas d'échec au lancement le RTG se désintègre et que la charge de plutonium (1 kilogramme) se disperse dans la haute atmosphère. Selon les simulations effectuées en laboratoire, les modalités de dispersion d'une quantité de plutonium aussi faible ne devait pas créer de problème pour la santé humaine. Après deux mises en orbite réussies des satellites Transit 5BN-1 et 5 BN-2 respectivement en septembre et décembre 1963, la fusée Thor Ablestar, victime d'une défaillance de son système de guidage, ne parvient pas à placer en orbite le satellite Transit 5BN-3 en avril 1964 et celui-ci se désintègre dans l'espace avec sa charge de plutonium. De nouvelles simulations ayant démontré que la dispersion du plutonium pouvait constituer une menace pour la santé humaine et les panneaux solaires ayant démontré entre temps leur capacité à durer, les ingénieurs de l'APL décident d'abandonner l'utilisation des RTG.

SNAP-19 (Nimbus) : prise en considération d'exigences renforcées de sûreté nucléaire

La probabilité d'un lancement raté avait été minorée par l'équipe SNAP qui était persuadée qu'une dispersion accidentelle d'éléments radioactifs dans l'atmosphère entrainerait l'arrêt du programme. Toutefois avant le lancement du premier SNAP-9A en 1963 qui emporte pour la première fois une charge significative de plutonium (1 kg), un groupe de travail comprenant des représentants de l'AEC, du DoD et de la NASA (non concernée mais invitée) est constitué pour mettre au point des procédures et réaliser les revues associées à l'emport de matériaux radioactifs par une fusée. Les équipes chargées des lancements n'étaient pas préparées à la multiplicité des scénarios catastrophes potentiels pouvant se produire durant le lancement d'une fusée emportant une charge utile contenant des éléments radioactifs (explosion au sol, retombée dans un autre pays, , etc.). Des procédures adaptées sont mises au point progressivement durant les premiers lancements.

La dispersion dans l'atmosphère du plutonium contenu dans le troisième SNAP-9A à la suite de l'échec du lancement du Transit 5BN-3 en 1964, suscite peu de répercussions. L'Union soviétique est le seul pays ayant réagi à la perte du RTG et l'AEC parvient à rassurer les sénateurs américains qui avaient demandé des précisions sur les impacts sanitaires, en indiquant que les mesures de l'impact de cette incident réalisées à l'aide d'instruments embarqués sur des ballons-sondes étaient conformes aux prévisions. En septembre 1965, la NASA signe un accord avec l'AEC pour la fourniture de RTG SNAP-19 produisant 30 Watts électriques qui doivent constituer une source d'alimentation secondaire pour ses satellites météorologiques Nimbus (chaque satellite utilise deux RTG). Le RTG SNAP-19 emporte une quantité de plutonium nettement plus importante (1 kg par RTG) ce qui suscite des débats très vifs entre le National Aeronautics and Space Council et l'AEC. Ceux-ci débouchent sur des modifications de la conception du RTG visant à réduire l'impact sanitaire d'une rentrée atmosphérique accidentelle. Plusieurs solutions sont tour à tour envisagées puis abandonnées. La première est le conditionnement du plutonium sous forme de microsphères de 30 à 150 microns en partant de l'hypothèse que leur taille ne permet pas leur inhalation. Mais des tests réalisés par le centre de recherche Ames (NASA) démontrent que les microsphères se brisent en éléments plus petits qui peuvent être inhalés. Le deuxième scénario étudié consistait à placer la capsule de plutonium dans un bloc de graphite résistant à la chaleur de la rentrée atmosphérique mais celui-ci se brisait lors de l'impact avec le sol, dispersant les éléments radioactifs tout autour du cratère. Finalement pour résister aux forces destructrices d'un tel événement, la solution retenue est d'encapsuler le plutonium dans une enveloppe en matériau réfractaire capable de résister à la fois aux températures subies durant la rentrée atmosphérique et à l'impact sur les sols les plus durs.

SNAP-11, 13 et 15 restés à l'état de projet

La NASA prévoit initialement d'équiper ses atterrisseurs lunaires Surveyor (les premières sondes spatiales à se poser en douceur sur la Lune) avec des RTG pour leur permettre de survivre à la longue nuit lunaire (14 jours). Ce besoin conduit au développement sans suite opérationnelle du SNAP-11 qui devait fournir 18,6 Watts durant une mission de 90 jours. D'une masse de 14 kg, l'énergie thermique était fournie par du curium-242. Un autre développement sans suite pour le programme Surveyor est le SNAP-14 qui fournissait 12,5 Watts et utilisait du césium. Le SNAP-15, également resté à l'état de prototype, était le plus petit des RTG développés dans le cadre du programme SNAP. Développé pour une mission classifiée il utilisait du plutonium 238 pour générer 0,001 Watt durant cinq ans.

SNAP-19

Réplique du RTG SNAP-19 équipant les sondes spatiales Pioneer 10 et 11.

A titre expérimental, la NASA demande aux responsables du programme SNAP de concevoir un RTG pouvant fournir 50 Watts pour alimenter en énergie la deuxième sous-série de ses satellites météorologiques Nimbus (la première sous-série Nimbus-A était alimentée par des panneaux solaires). Pour répondre à ce besoin les ingénieurs mettent au point le SNAP-19 dont les éléments chauffants utilisent du plutonium 238 et dont les thermocouples sont constitués de tellurures de plomb et d'antimoine. Chaque satellite est équipé de deux SNAP-19 produisant chacun 30 Watts électriques. Le premier satellite Nimbus-B1 est lancé le 18 mai 1968 depuis la base de Vandenberg (Californie) mais suite à une erreur humaine, la mise en orbite échoue deux minutes après le décollage. La destruction du lanceur est déclenchée et les débris du satellite et de l'étage supérieur Agena retombent dans l'Océan Pacifique à quelques kilomètres au nord del'Île San Miguel. Le RTG avec sa capsule de plutonium intacte sont retrouvés à une profondeur d'un peu plus de 100 mètreset il est récupéré en octobre 1968. Ayant démontré dans le cadre d'un vol réel deuxième satellite Nimbus-B-2 est lancé le 14 avril 1969 et le plutonium sera réutilisé par le satellite Nimbus 3.

SNAP-27

Extraction de la capsule de plutonium de son logement dans le module lunaire durant la mission Apollo 12 (1969).

Le RTG de la mission Apollo 14 au premier plan photographié à la surface de la Lune (1971).

Le générateur thermoélectrique à radioisotope (RTG) SNAP-27 est développé pour alimenter en énergie électrique la suite d'instruments ALSEP déposée à la surface de la Lune par les équipage des missions Apollo 12 (1969) à Apollo 17 (1972). Ce générateur fournit 63 à 74 Watts en début de vie en 16 Volts continu. Le matériau radioactif est du plutonium 238. Le RTG comprend d'une part la capsule cylindrique contenant le plutonium (Fuel Capsule Assembly ou FCA) d'une masse de 7 kg et d'autre part le RTG proprement dit d'une masse de 13 kg au centre duquel est placé la capsule et qui comprend une structure comportant plusieurs parois, les thermocouples transformant l'énergie thermique en énergie électrique et des ailettes formant radiateur évacuant la chaleur excédentaire. Le plutonium génère en début de vie 1430 à 1520 Watts thermiques. La partie chaude des thermocouples est portée à une température comprise entre 482 et 537 °C et sa partie froide entre 177 et 288 °C. Le RTG est haut de 46 cm cm pour un diamètre de 41 cm. La capsule de plutonium est haute 43 cm de pour un diamètre de 6,6 cm. Un transformateur électrique régule et convertit le courant électrique produit pour alimenter les différents instruments.

Les différents éléments du SNAP-27 sont transportés à la surface de la Lune par le module lunaire Apollo. La capsule de plutonium y est stocké dans un container qui dissipe sa chaleur et empêche le plutonium de brûler et de se disperser en cas de rentrée atmosphérique consécutive à un accident durant une mission. Un tel accident se produisit à la suite de la défaillance du vaisseau de la mission Apollo 13. Le module lunaire Apollo ne put se poser sur la Lune et revint s'écraser à la surface de la Terre. Resté à bord du module lunaire le RTG a plongé avec celui-ci dans l'océan Pacifique, au sud des îles Fidji dans la fosse des Tonga.

Le RTG est assemblé à la surface de la Lune par l'équipage. Pour ce faire un astronaute récupère la capsule contenant le plutonium avec un instrument spécialisé puis l'insère dans le RTG. Il transporte ensuite l'ensemble non loin du site d'atterrissage.

• Mise en service du RTG à la surface de la Lune
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  Schéma du RTG SNAP-27
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  Extraction de la capsule de plutonium de son logement dans le module lunaire avec l'outil dédié.
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  Insertion de la capsule de plutonium dans le RTG.

Les RTG SNAP lancés dans l'espace

Liste des missions spatiales utilisant des RTG SNAP

Pays	Mission	Lancement	Statut du générateur	Position	Modèle générateur (nbre)	Combustible	Puissance	Référence
USA	Transit-4A	1961		Orbite terrestre	SNAP-3B	Plutonium 238	2,7 We
USA	Transit-4B	1961		Orbite terrestre	SNAP-3B	Plutonium 238	2,7 We
USA	Transit 5BN-1	1963		Orbite terrestre	SNAP-9A	Plutonium 238	25,2 We
USA	Transit 5BN-2	1963		En orbite terrestre	SNAP-9A	Plutonium 238	26,8 We
USA	Transit 5BN-3	1964	Détruit	Echec de la mise en orbite, détruit durant la rentrée atmosphérique.	SNAP-9A	Plutonium 238	25 We
USA	Nimbus B (Nimbus-B1)	18 mai 1968	Détruit	Échec du lancement, plutonium récupéré dans l'océan et réutilisé par la suite	SNAP-19B (2)	Plutonium 238	56 We
USA	Nimbus 3 (Nimbus-B2)	14 avril 1969	Détruit	Rentrée dans l'atmosphère en 1972	SNAP-19 (2)	Plutonium 238	56 We
USA	Apollo 12 ALSEP	1969		A la surface de la Lune (Océan des Tempêtes)	SNAP-27	Plutonium 238	73,6 We
USA	Apollo 13 ALSEP	1970		A plus de 2000 mètres de profondeur dans la Fosse des Tonga de l'Océan Pacifique	SNAP-27	Plutonium 238	73 We
USA	Nimbus 4	1970		Orbite terrestre	SNAP-19
USA	Apollo 14 ALSEP	1971		A la surface de la Lune (Fra Mauro)	SNAP-27	Plutonium 238	72,5 We
USA	Apollo 15 ALSEP	1971		A la surface de la Lune (Hadley–Apennine)	SNAP-27	Plutonium 238	74,7 We
USA	Nimbus 5	1972		Orbite terrestre	SNAP-19
USA	Nimbus 6	1975	Endommagé	Orbite terrestre	SNAP-19
USA	Nimbus 7	1978	Endommagé	Orbite terrestre	SNAP-19
USA	Pioneer 10	1972		Trajectoire interstellaire	SNAP-19 (4)	Plutonium 238	162,8 We + 12 Wt
USA	Apollo 16 ALSEP	1972		Hauts plateaux Descartes)	SNAP-27	Plutonium 238	70,9 We
USA	Apollo 17 ALSEP	1972		A la surface de la Lune (Taurus-Littrow)	SNAP-27	Plutonium 238	75,4 We
USA	Pioneer 11	1973		Sur une trajectoire interstellaire	SNAP-19 (4)	Plutonium 238	159,6 We + 12 Wt
USA	Viking 1	1976		A la surface de Mars (Chryse Planitia)	SNAP-19 (2)	Plutonium 238	84,6 We
USA	Viking 2	1976		à la surface de Mars (Utopia Planitia)	SNAP-19 (2)	Plutonium 238	86,2 We

Développement des réacteurs nucléaires SNAP

Les recherches sur les réacteurs nucléaires répondant à des besoins spatiaux sont initialement menées conjointement par le département du développement des réacteurs de l'AEC et par le Centre de développement Wright de l'Armée de l'Air. Le contrôle de ce programme est entièrement confié à l'AEC à compter de 1957. Atomics International est le principal contractant du programme.

SNAP-2

Réacteur nucléaire SNAP-2.

Le réacteur nucléaire SNAP-2 est développé à compter de 1955 avec l'objectif de disposer en sortie d'une source d'énergie électrique d'une puissance comprise entre 1 et 10 kW durant au minium un an sans intervention humaine. L'architecture d'origine repose sur un réacteur nucléaire ayant comme modérateur de l'hydrure de zirconium et refroidi par un fluide métallique sodium/potassium. L'énergie thermique est transformée en énergie électrique par une turbine Rankine utilisant du mercure. La conception évolue par la suite vers un réacteur produisant 55 kW thermiques convertis en 5 kW électriques opérant à une température de 650°C et avec une masse de 100 kg sans bouclier anti-radiations. Ce réacteur fut testé durant plus de 10 000 heures. Le SNAP-2 s'effectue en trois phases :

• La première phase destinée à tester différentes configurations débutent en octobre 1957 (peu après le lancement de Spoutnik-1). Deux demi-sphères constituées d'un noyau d'uranium 235 enrichi à 93% et représentant 8° de la masse combinée hydrure de zirconium/uranium avec une réflecteur interne en béryllium et un réflecteur en externe en graphite sont assemblées.
• La deuxième phase se déroule en 1959 et 1960. Un réacteur nucléaire expérimental S2ER ou SER (qui ne représente toutefois pas une bonne représentation d'un modèle opérationnel) est développé pour vérifier la géométrie du coeur nucléaire et les contrôles des réactions nucléaires ainsi que pour tester les composants primaires du système de refroidissement du circuit primaire et d'autres choix de conception de base. Le réacteur fonctionne durant un an à compter de novembre 1959 en cumulant 1000 de tests continus aux conditions prévues. Il est démantelé par la suite.
• En 1961 et 1962 le réacteur de développement S2DR ou SDR est assemblé dans une nouvelle installation du laboratoire de Atomics International à Santa Susana qui devait permettre de mieux gérer les exigences de test de ce réacteur plus avancé. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un modèle opérationnel, le S2DR devait permettre de mettre au point de manière beaucoup plus précise le fonctionnement de celui-ci. Il incorporait de nombreuses modifications découlant des tests du modèle précédent. Le réacteur nucléaire fonctionnera de l'été 1961 jusqu'à décembre 1962.

• SNAP-2
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  Schéma du réacteur SNAP-2
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  Schéma du réacteur SNAP-2

SNAP-8

Un prototype du SNAP-8 est préparé pour des tests de vibration.

En 1959 la NASA, tout nouvellement formée et dans l'otique de l'alimentation en énergie d'une station spatiale de grande taille, formule un besoin pour un réacteur nucléaire à fission d'une puissance électrique de 30 à 60 kW électriques capable de fonctionner durant un an. Ce besoin dépasse largement les modestes capacités du SNAP-2 en cours de développement (3 kW) et de son successeur SNAP-10A (1 kW), puissances que l'AEC avaient retenu par prudence. Le SNAP-8 est développé par Aerojet General contractant de l'AEC mais le financement du convertisseur électrique est financé par la NASA. Les caractéristiques les plus notables du SNAP-2 sont reprises - composition du combustible nucléaire, modérateur de forme cylindrique, conversion de l'énergie thermique par une turbine Rankine - mais des modifications significatives sont apportées pour atteindre la puissance attendue. Cela aboutit à un réacteur générant 600 kW thermiques avec une température en sortie de 700°C. Selon la puissance exigée en sortie (30 ou 60 kWe), une ou deux turbines utilisant du mercure sont activées ce qui permet de faciliter leur conception. A compter de 1960 un programme de recherche est entièrement consacré à la mise au point d'un coeur nucléaire capable de fournir une puissance thermique aussi élevée. Ce réacteur expérimental (S8ER) est mis en service en 1963. A l'issue de ces tests, une maquette complète de réacteur nucléaire est assemblée sur la base de la conception figée en 1962. Chacun de ses composants non nucléaires est testé de manière extensive mais le réacteur nucléaire proprement dit ne sera jamais mis en marche. Le dernier réacteur de cette série, le S8DR, va tester l'ensemble du processus. Entre janvier et décembre 1969 il génère 600 kW thermiques durant 668 heures et 1000 kW thermiques durant 429 heures. Mais son fonctionnement se heurte à des difficultés diverses portant notamment sur le système de conversion de l'énergie, la géométrie du coeur nucléaire, le comportement des neutrons. Le programme débouche sur quatre nouvelles études qui ne portent plus la désignation SNAP-8.

• SNAP-8
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  Schéma du coeur nucléaire du SNAP-8.
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  Assemblage du coeur nucléaire

SNAP-10A

Le réacteur nucléaire SNAP-10A durant les essais au sol (1965).

Le SNAP-10A est le seul réacteur nucléaire à fission lancé dans l'espace par les États-Unis. Sur le plan technique le SNAP-10A est composé de trois sous-ensembles : un réacteur nucléaire à fission compact produisant de la chaleur, un convertisseur transformant l'énergie thermique dégagée en chaleur et un radiateur évacuant la chaleur excédentaire. Le réacteur, long de 39,72 centimètres pour 22,4 centimètres de diamètre, contient 37 crayons d'alliage uranium-zirconium. Le réacteur produit 30 kilowatts thermiques et a une masse (sans le blindage) de 290 kg. L'énergie thermique est transporté par un liquide caloporteur (mélange sodium-potassium) qui réchauffe des thermocouples produisant environ 500 Watts électriques. Des radiateurs évacuent la chaleur résiduelle.

Le réacteur nucléaire SNAP-10A est installé sur le satellite expérimental SNAPSHOT qui est lancé le 3 avril 1965 par une fusée Atlas-Agena D depuis la base de Vandenberg. Le satellite est placé sur une orbite polaire à une altitude de 1300 kilomètres. Le réacteur nucléaire est mis en route et fonctionne durant 43 jours jusqu'à ce qu'un composant non lié au réacteur nucléaire tombe en panne. Le réacteur est alors arrêté. Il circule sur cette orbite et sa rentrée atmosphérique ne devrait pas se produire avant 1000 ans.

SNAP-50

Le réacteur nucléaire SNAP-50 est le dernier réacteur nucléaire développé dans le cadre du programme SNAP et le plus puissant d'entre eux. L'origine de ce réacteur est complètement différente de celle des trois réacteurs SNAP qui l'ont précédé. Il fait initialement partie du programme Aircraft Nuclear Propulsion de l'Armée de l'Air mais devient par la suite un programme de la NASA destiné à alimenter en énergie la future station spatiale modulaire qui sera annulée au milieu des années 1970. Du fait de son origine, il utilise une technologie différente : le combustible nucléaire est du nitrure d'uranium tandis que le fluide caloporteur est du lithium maintenu à une température élevée. Le nitrure d'uranium fut choisi après de nombreux tests car il présentait l'avantage de permettre une densité de matière fissile beaucoup plus élevée que les autres combustibles nucléaires à base d'uranium mais il devait être maintenu à une température plus basse. Il était noyé dans une matrice en tungstène pour accroitre sa conductivité thermique et réduire la température du combustible. Contrairement aux SNAP-2 et SNAP-8, la conversion de l'énergie thermique était effectuée par une turbine Rankine qui utilisait comme fluide de la vapeur de potassium. La température élevée du fluide caloporteur et la densité du combustible nucléaire permettait de disposer d'un réacteur à la fois plus puissant et plus léger que les autres réacteurs SNAP. Des tests très complets sur le comportement du combustible permirent de déterminer qu'il pouvait atteindre la durée de vie de 10 000 heures exigée par la NASA. L'échangeur thermique, les pompes et les radiateurs furent testés avec des résultats satisfaisants mais l'annulation du programme ne permit pas de développer un réacteur complet qui du fait de sa forte toxicité n'aurait pu fonctionner que dans l'espace.

Réacteurs nucléaires SNAP testés dans la zone IV du laboratoire d'essais de Santa Susana

Code	Désignation	Date début/fin	Puissance (kW thermiques)	N° batiment
SER	SNAP Experimental Reactor	Sept 1959 – Déc 60	50	010
SDR a.k.a. S2DR	SNAP (2) Developmental Reactor	Avr 61 – Déc 62	65	024
S8ER	SNAP 8 Experimental Reactor	Mai 63 – Avr 65	600	010
SNAP 10A FS-3	Duplicate of launched SNAP 10A FS-4	Jan 65 – Mars 66	38	024
S8DR	SNAP 8 Developmental Reactor	Juin 68 –Déc 69	600/1000	059

Fin du programme SNAP et programmes lui ayant succédé

Le programme SNAP proprement dit prend fin comme beaucoup de projets ambitieux de la NASA en 1973 mais le développement des RTG se poursuit au cours des décennies suivantes (et est toujours en cours début 2026) débouchant sur trois générations de générateurs thermoélectriques à radio-isotope (MHW-RTG, GPHS-RTG et MMRTG) embarqués sur des sondes spatiales à destination des planètes du système solaire externe (comme les sondes spatiales Voyager ou des astromobiles circulant à la surface de Mars.

Les travaux sur les réacteurs nucléaires à fission répondant à des besoins spatiaux sont réactivés avec le développement du SP-100 (1978-1995) dont l'objectif était de fournir 100 kW électriques durant 7 ans grâce à un réacteur produisant 2 MégaWatts thermiques. Ce réacteur devait répondre à des différents besoins : sondes spatiales, applications militaires et bases planétaires. Les dépassements de budget, retards et la modification des priorités nationales entrainent la suspension du projet au début des années 1990 puis son annulation quelques années plus tard. Plusieurs projets de réacteurs nucléaires dont les caractéristiques et le niveau de développement sont résumés dans le tableau ci-dessous, sont développés par la suite aux Etats-Unis :

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 (objectif) (mission Space Reactor‑1 Freedom)
Cout du projet	400 millions US$	50 millions US$	20 millions US$

Notes et références

Sources

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Département de l'Énergie des États-Unis, Atomic Power in Space - A History, mars 1987, 192 p. (lire en ligne). 
  Histoire du programme nucléaire spatial américain de ses débuts jusqu'à la fin des années 1970
• (en) Greg Hula, Atomic Power in Space II, Département de l'Énergie des États-Unis - Laboratoire National de l'Idaho (INL), janvier 2015, 221 p. (lire en ligne). 
  Suite de l'ouvrage précédent. Histoire du programme nucléaire spatial américain de la fin des années 1970 jusqu'au début de la décennie 2010.
• (en) Susan S. Voss, SNAP Reactor Overview, Air Force Weapons Laboratory, 1984, 103 p. (lire en ligne). 
  Histoire des réacteurs nucléaires développé dans le cadre du programme SNAP.
• (en) « Systems for Nuclear Auxiliary Power (SNAP) », sur Beyond NERVA - Nuclear Propulsion for Humanity's Expanse into the Cosmos (consulté le 11 avril 2026). 
• (en) National Research Council, Priorities in Space Science Enabled by Nuclear Power and Propulsion, Washington, D.C., The National Academies Press, 2006 (ISBN 978-0-309-10011-3, lire en ligne)
• (en) George Schmidt, Tom Sutliff et Leonard Dudzinski « Radioisotope Power: A Key Technology for Deep Space Exploration » (28 septembre 2008) [PDF].
  — 59th International Astronautical Congress. — Histoire des RTG mis en oeuvre par la NASA dans le cadre de ses missions d'exploration du système solaire.
• (en) Teledyne, SNAP 19 Pioneer F & G Final Report, 2008, 158 p. (lire en ligne) — Rapport décrivant les caractéristiques et le fonctionnement du SNAP-19 utilisé par les sondes spatiales Pioneer.

Annexes

Articles connexes

• Générateur thermoélectrique à radioisotope
• SNAP-10A
• Liste des systèmes utilisant l'énergie nucléaire dans l'espace
• MHW-RTG, GPHS-RTG et MMRTG successeurs des RTG SNAP.
• Atomics International

Liens externes

• [PDF] (en) SNAP-8 Electrical Generating System Development Program, Final Report sur le site de la NASA
• [PDF] (en) G. L. Bennett, Space Nuclear Power, 2006