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

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 () ou AEC qui devient opérationnelle le . 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 ) 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 à tous les services et sous-traitants concernés d'utiliser SNAP () 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 vignette|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 . 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 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 vignette|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 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)