Un cohete térmico nuclear ( NTR ) es un tipo de cohete térmico en el que el calor de una reacción nuclear reemplaza la energía química de los propulsores en un cohete químico . En un NTR, un fluido de trabajo , generalmente hidrógeno líquido , se calienta a una temperatura alta en un reactor nuclear y luego se expande a través de una boquilla de cohete para crear empuje . La fuente de calor nuclear externa teóricamente permite una velocidad de escape efectiva más alta y se espera que duplique o triplique la capacidad de carga útil en comparación con los propulsores químicos que almacenan energía internamente.
Los reactores nucleares de propulsión (NTR) se han propuesto como tecnología de propulsión para naves espaciales , y las primeras pruebas en tierra se realizaron en 1955. Estados Unidos mantuvo un programa de desarrollo de NTR hasta 1973, cuando se suspendió por diversas razones, entre ellas, para centrarse en el desarrollo del transbordador espacial . Aunque se han construido y probado más de diez reactores de distinta potencia, hasta 2024 [actualizar]no ha volado ningún cohete nuclear térmico. [1]
Si bien todas las primeras aplicaciones de la propulsión térmica nuclear de cohetes utilizaban procesos de fisión , en la década de 2010 la investigación se ha orientado hacia métodos de fusión . El proyecto Direct Fusion Drive del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton es un ejemplo de ello, aunque "la fusión con energía positiva ha seguido siendo esquiva". En 2019, el Congreso de Estados Unidos aprobó 125 millones de dólares en financiación para el desarrollo de cohetes de propulsión térmica nuclear. [1]
En mayo de 2022, DARPA emitió una solicitud de propuestas para la siguiente fase de su programa de motor térmico nuclear DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) . [2] Esto sigue a su selección, en 2021, de un diseño de motor inicial de General Atomics y dos conceptos de naves espaciales de Blue Origin y Lockheed Martin . Las siguientes fases del programa se centrarán en el diseño, desarrollo, fabricación y ensamblaje de un motor de cohete térmico nuclear. [3] En julio de 2023, Lockheed Martin recibió el contrato para construir la nave espacial y BWX Technologies ( BWXT ) desarrollará el reactor nuclear. Se espera un lanzamiento en 2027. [4] [5]
Los cohetes térmicos de propulsión nuclear son más eficaces que los cohetes térmicos químicos, principalmente porque pueden utilizar propulsores de baja masa molecular, como el hidrógeno. [6] [7]
Como cohetes térmicos, los cohetes térmicos nucleares funcionan casi exactamente como los cohetes químicos : una fuente de calor libera energía térmica en un propulsor gaseoso dentro del cuerpo del motor, y una boquilla en un extremo actúa como un motor térmico muy simple: permite que el propulsor se expanda lejos del vehículo, llevando consigo el momento y convirtiendo la energía térmica en energía cinética coherente. El impulso específico (Isp) del motor está determinado por la velocidad de la corriente de escape. [8] Eso, a su vez, varía como la raíz cuadrada de la energía cinética cargada en cada unidad de masa de propulsor. La energía cinética por molécula de propulsor está determinada por la temperatura de la fuente de calor (ya sea un reactor nuclear o una reacción química ). A cualquier temperatura particular, las moléculas de propulsor ligero transportan tanta energía cinética como las moléculas de propulsor más pesadas y, por lo tanto, tienen más energía cinética por unidad de masa. Esto hace que los propulsores de baja masa molecular sean más efectivos que los de alta masa molecular.
Los cohetes químicos y nucleares están hechos de materiales sólidos refractarios, por lo que ambos están limitados a operar por debajo de los 3000 °C (5000 °F), debido a las características de resistencia de los metales de alta temperatura. Los cohetes químicos utilizan el propulsor más disponible, que son productos de desecho de las reacciones químicas que producen su energía térmica. La mayoría de los cohetes químicos de combustible líquido utilizan hidrógeno o combustión de hidrocarburos, y el propulsor es, por lo tanto, principalmente agua (masa molecular 18) y dióxido de carbono (masa molecular 44). Por lo tanto, los cohetes térmicos nucleares que utilizan propulsor de hidrógeno gaseoso (masa molecular 2) tienen un impulso específico máximo teórico que es de 3 a 4,5 veces mayor que el de los cohetes químicos.
En 1944, Stanisław Ulam y Frederic de Hoffmann contemplaron la idea de controlar el poder de las explosiones nucleares para lanzar vehículos espaciales. [9] Después de la Segunda Guerra Mundial, el ejército estadounidense comenzó el desarrollo de misiles balísticos intercontinentales (ICBM) basados en los diseños de cohetes alemanes V-2 . Algunos cohetes grandes fueron diseñados para llevar ojivas nucleares con motores de propulsión de propulsión nuclear. [9] Ya en 1946, se prepararon informes secretos para la Fuerza Aérea de los EE. UU. , como parte del proyecto NEPA , por parte de North American Aviation y el Proyecto Rand de Douglas Aircraft Company . [10] Estos informes innovadores identificaron un motor de reactor en el que se calienta un fluido de trabajo de bajo peso molecular utilizando un reactor nuclear como la forma más prometedora de propulsión nuclear, pero identificaron muchos problemas técnicos que debían resolverse. [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
En enero de 1947, sin saber de esta investigación clasificada, los ingenieros del Laboratorio de Física Aplicada publicaron su investigación sobre propulsión de energía nuclear y su informe finalmente fue clasificado. [19] [9] [20] En mayo de 1947, el científico chino educado en Estados Unidos Qian Xuesen presentó su investigación sobre "chorros térmicos" impulsados por un reactor nuclear moderado por grafito poroso en los Seminarios de Ciencia e Ingeniería Nuclear LIV organizados por el Instituto Tecnológico de Massachusetts . [21] [20]
En 1948 y 1949, el físico Leslie Shepherd y el científico de cohetes Val Cleaver produjeron una serie de artículos científicos innovadores que analizaban cómo se podría aplicar la tecnología nuclear a los viajes interplanetarios . Los artículos examinaban tanto la propulsión nuclear-térmica como la nuclear-eléctrica . [22] [23] [24] [25]
A través del Proyecto Rover , el Laboratorio Nacional de Los Álamos comenzó a desarrollar motores térmicos nucleares ya en 1955 y probó el primer motor de cohete nuclear experimental del mundo, KIWI-A, en 1959. [26] Este trabajo en Los Álamos continuó luego a través del programa NERVA de la NASA (1961-1973). NERVA logró muchos éxitos y mejoró los primeros prototipos para crear motores potentes que eran varias veces más eficientes que sus contrapartes químicas. Sin embargo, el programa se canceló en 1973 debido a restricciones presupuestarias. Hasta la fecha, nunca se ha implementado un sistema de propulsión térmica nuclear en el espacio. [27]
Un cohete nuclear térmico puede clasificarse por el tipo de reactor, desde un reactor sólido relativamente simple hasta el reactor con núcleo de gas, mucho más difícil de construir pero teóricamente más eficiente. Como ocurre con todos los diseños de cohetes térmicos , el impulso específico producido es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura a la que se calienta el fluido de trabajo (masa de reacción). Para obtener la máxima eficiencia, la temperatura debe ser lo más alta posible. Para un diseño determinado, la temperatura que se puede alcanzar suele estar determinada por los materiales elegidos para las estructuras del reactor, el combustible nuclear y el revestimiento del combustible. [ cita requerida ] La erosión también es un problema, especialmente la pérdida de combustible y las liberaciones asociadas de radiactividad. [ 28 ]
Los reactores nucleares de núcleo sólido se han alimentado con compuestos de uranio que existen en fase sólida en las condiciones en las que se encuentran y experimentan fisión nuclear para liberar energía. Los reactores de vuelo deben ser livianos y capaces de tolerar temperaturas extremadamente altas, ya que el único refrigerante disponible es el fluido de trabajo/propelente. [1] Un motor nuclear de núcleo sólido es el diseño más simple de construir y es el concepto utilizado en todos los reactores nucleares de núcleo sólido probados. [29]
Utilizando hidrógeno como propulsor, un diseño de núcleo sólido normalmente entregaría impulsos específicos (I sp ) del orden de 850 a 1000 segundos, que es aproximadamente el doble de los diseños de hidrógeno líquido - oxígeno como el motor principal del transbordador espacial . También se han propuesto otros propulsores, como amoníaco, agua o LOX , pero estos propulsores proporcionarían una velocidad de escape y un rendimiento reducidos a un costo de combustible marginalmente reducido. Otra marca a favor del hidrógeno es que a bajas presiones comienza a disociarse alrededor de 1500 K, y a altas presiones alrededor de 3000 K. Esto reduce la masa de las especies de escape, aumentando I sp .
Las primeras publicaciones dudaban de las aplicaciones espaciales de los motores nucleares. En 1947, un reactor nuclear completo era tan pesado que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido serían totalmente incapaces [30] de lograr una relación empuje-peso de 1:1, necesaria para superar la gravedad de la Tierra en el lanzamiento. Durante los siguientes veinticinco años, los diseños de cohetes térmicos nucleares estadounidenses alcanzaron relaciones empuje-peso de aproximadamente 7:1. Esta sigue siendo una relación empuje-peso mucho menor que la que se puede lograr con los cohetes químicos, que tienen relaciones empuje-peso del orden de 70:1. Combinado con los grandes tanques necesarios para el almacenamiento de hidrógeno líquido, esto significa que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido son más adecuados para su uso en órbita fuera del pozo de gravedad de la Tierra , sin mencionar que evitan la contaminación radiactiva que resultaría del uso atmosférico [1] (si se usara un diseño de "ciclo abierto", en lugar de un diseño de "ciclo cerrado" de menor rendimiento en el que no se permitiera que el material radiactivo escapara con el propulsor del cohete. [31] )
Una forma de aumentar la temperatura de trabajo del reactor es cambiar los elementos de combustible nuclear. Esta es la base del reactor de lecho de partículas, que se alimenta de varios elementos (normalmente esféricos) que "flotan" dentro del fluido de trabajo de hidrógeno. Hacer girar todo el motor podría evitar que el elemento de combustible sea expulsado por la boquilla. Se cree que este diseño es capaz de aumentar el impulso específico a unos 1000 segundos (9,8 kN·s/kg) a costa de una mayor complejidad. Un diseño de este tipo podría compartir elementos de diseño con un reactor de lecho de guijarros , varios de los cuales generan electricidad en la actualidad. [ cita requerida ] De 1987 a 1991, la Oficina de Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) financió el Proyecto Timberwind , un cohete térmico nuclear no giratorio basado en la tecnología de lecho de partículas. El proyecto se canceló antes de las pruebas. [ 32 ]
En un diseño de núcleo sólido convencional, la temperatura máxima de escape de la masa de trabajo es la del reactor y, en la práctica, inferior a ésta. Esa temperatura representa una energía muy inferior a la de los neutrones individuales liberados por las reacciones de fisión. Su energía se distribuye por toda la masa del reactor, lo que hace que se termalice. En los diseños de centrales eléctricas, el núcleo se enfría, normalmente con agua. En el caso de un motor nuclear, el agua se sustituye por hidrógeno, pero el concepto es similar.
Los reactores pulsados intentan transferir la energía directamente de los neutrones a la masa de trabajo, lo que permite que el escape alcance temperaturas muy superiores al punto de fusión del núcleo del reactor. Como el impulso específico varía directamente con la temperatura, la captura de la energía de los neutrones relativistas permite un aumento espectacular del rendimiento. [33]
Para ello, los reactores pulsados funcionan en una serie de pulsos breves en lugar de la reacción en cadena continua de un reactor convencional. El reactor normalmente está apagado, lo que le permite enfriarse. Luego se enciende, junto con el sistema de refrigeración o el flujo de combustible, y funciona a un nivel de potencia muy alto. En este nivel, el núcleo comienza a calentarse rápidamente, por lo que una vez que se alcanza una temperatura establecida, el reactor se apaga rápidamente de nuevo. Durante estos pulsos, la energía que se produce es mucho mayor que la que un reactor del mismo tamaño podría producir de forma continua. La clave de este enfoque es que, si bien la cantidad total de combustible que se puede bombear a través del reactor durante estos pulsos breves es pequeña, la eficiencia resultante de estos pulsos es mucho mayor.
En general, los diseños no funcionarían únicamente en modo pulsado, sino que podrían variar su ciclo de trabajo según la necesidad. Por ejemplo, durante una fase de vuelo de alto empuje, como al salir de una órbita baja terrestre , el motor podría funcionar de forma continua y proporcionar una ISP similar a la del diseño tradicional de núcleo sólido. Pero durante un crucero de larga duración, el motor cambiaría al modo pulsado para hacer un mejor uso de su combustible.
Los motores nucleares de núcleo líquido se alimentan con compuestos de elementos fisionables en fase líquida . Se propone que un motor de núcleo líquido funcione a temperaturas superiores al punto de fusión del combustible nuclear sólido y del revestimiento, y que la temperatura máxima de funcionamiento del motor no esté determinada por el recipiente de presión del reactor y el material reflector de neutrones . Se esperaría que las temperaturas de funcionamiento más altas proporcionen un rendimiento de impulso específico del orden de 1300 a 1500 segundos (12,8-14,8 kN·s/kg). [ cita requerida ]
Con la tecnología actual sería extremadamente difícil construir un reactor de núcleo líquido. Un problema importante es que el tiempo de reacción del combustible nuclear es mucho mayor que el tiempo de calentamiento del fluido de trabajo. Si el combustible nuclear y el fluido de trabajo no están separados físicamente, esto significa que el combustible debe quedar atrapado dentro del motor mientras que el fluido de trabajo puede salir fácilmente por la boquilla. Una posible solución es hacer girar la mezcla de combustible y fluido a velocidades muy altas para forzar el combustible de mayor densidad hacia el exterior, pero esto expondría el recipiente de presión del reactor a la temperatura operativa máxima, al tiempo que agregaría masa, complejidad y piezas móviles. [ cita requerida ]
Un diseño alternativo de núcleo líquido es el cohete nuclear de agua salada . En este diseño, el agua es el fluido de trabajo y también sirve como moderador de neutrones . El combustible nuclear no se retiene, lo que simplifica drásticamente el diseño. Sin embargo, el cohete descargaría cantidades masivas de desechos extremadamente radiactivos y solo podría operar de manera segura fuera de la atmósfera terrestre y quizás incluso de la magnetosfera . [ cita requerida ]
La última clasificación de fisión es el motor de núcleo de gas . Se trata de una modificación del diseño de núcleo líquido que utiliza la circulación rápida del fluido para crear una bolsa toroidal de combustible de uranio gaseoso en el centro del reactor, rodeada de hidrógeno. En este caso, el combustible no toca en absoluto la pared del reactor, por lo que las temperaturas podrían alcanzar varias decenas de miles de grados, lo que permitiría impulsos específicos de 3000 a 5000 segundos (30 a 50 kN·s/kg). En este diseño básico, el de "ciclo abierto", las pérdidas de combustible nuclear serían difíciles de controlar, lo que ha llevado a los estudios del motor de "ciclo cerrado" o de bombilla nuclear , donde el combustible nuclear gaseoso está contenido en un recipiente de cuarzo de temperatura superalta , sobre el que fluye el hidrógeno. El motor de ciclo cerrado tiene mucho más en común con el diseño de núcleo sólido, pero esta vez está limitado por la temperatura crítica del cuarzo en lugar del combustible y el revestimiento. Aunque es menos eficiente que el diseño de ciclo abierto, se espera que el diseño de ciclo cerrado proporcione un impulso específico de aproximadamente 1500 a 2000 segundos (15 a 20 kN·s/kg). [ cita requerida ]
El RD-0410 soviético pasó por una serie de pruebas en el sitio de pruebas nucleares cerca del Sitio de Pruebas de Semipalatinsk . [34] [35]
En octubre de 2018, el Centro de Investigación Keldysh de Rusia confirmó una prueba terrestre exitosa de radiadores de calor residual para un motor espacial nuclear, así como pruebas anteriores de barras de combustible y motores de iones . [36]
El desarrollo de reactores de núcleo sólido comenzó en 1955 bajo la Comisión de Energía Atómica (AEC) como Proyecto Rover y se prolongó hasta 1973. [1] El trabajo sobre un reactor adecuado se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Área 25 (Sitio de Seguridad Nacional de Nevada) en el Sitio de Pruebas de Nevada . Cuatro diseños básicos surgieron de este proyecto: KIWI, Phoebus, Pewee y el Horno Nuclear. Se probaron veinte motores individuales, con un total de más de 17 horas de tiempo de funcionamiento del motor. [37]
Cuando se creó la NASA en 1958, se le dio autoridad sobre todos los aspectos no nucleares del programa Rover. Para permitir la cooperación con la AEC y mantener la información clasificada compartimentada, se creó al mismo tiempo la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO). El programa NERVA de 1961 tenía como objetivo conducir a la entrada de motores de cohetes térmicos nucleares en la exploración espacial. A diferencia del trabajo de la AEC, que tenía como objetivo estudiar el diseño del reactor en sí, el objetivo de NERVA era producir un motor real que pudiera desplegarse en misiones espaciales. El diseño de referencia de NERVA, con un empuje de 334 kN (75 000 lb f ), se basó en la serie KIWI B4. [ cita requerida ]
Entre los motores probados se encontraban el Kiwi, el Phoebus, el NRX/EST, el NRX/XE, el Pewee, el Pewee 2 y el Nuclear Furnace. Las densidades de potencia progresivamente mayores culminaron en el Pewee. [37] Las pruebas del diseño mejorado del Pewee 2 se cancelaron en 1970 en favor del Nuclear Furnace (NF-1), de menor costo, y el programa de cohetes nucleares de los EE. UU. terminó oficialmente en la primavera de 1973. Durante este programa, el NERVA acumuló más de 2 horas de tiempo de funcionamiento, incluidos 28 minutos a plena potencia. [1] La SNPO consideró que el NERVA era el último reactor de desarrollo tecnológico necesario para proceder a los prototipos de vuelo. [ cita requerida ]
También se han estudiado en cierta medida otros motores de núcleo sólido. El motor de cohete nuclear pequeño, o SNRE, fue diseñado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) para su uso en la etapa superior, tanto en lanzaderas no tripuladas como en el transbordador espacial . Presentaba una tobera dividida que podía rotar hacia un lado, lo que le permitía ocupar menos espacio en la bodega de carga del transbordador. El diseño proporcionaba 73 kN de empuje y funcionaba a un impulso específico de 875 segundos (8,58 kN·s/kg), y se planeó aumentarlo a 975 segundos, logrando una fracción de masa de aproximadamente 0,74, en comparación con 0,86 para el motor principal del transbordador espacial (SSME).
Un diseño relacionado que se trabajó un poco, pero que nunca llegó a la etapa de prototipo, fue Dumbo. Dumbo era similar al KIWI/NERVA en concepto, pero utilizaba técnicas de construcción más avanzadas para reducir el peso del reactor. El reactor Dumbo consistía en varios tubos grandes con forma de barril, que a su vez estaban construidos con placas apiladas de material corrugado. Las corrugaciones estaban alineadas de modo que la pila resultante tuviera canales que iban desde el interior hasta el exterior. Algunos de estos canales se llenaban con combustible de uranio, otros con un moderador y algunos se dejaban abiertos como un canal de gas. El hidrógeno se bombeaba al centro del tubo y se calentaba con el combustible a medida que viajaba a través de los canales a medida que avanzaba hacia el exterior. El sistema resultante era más ligero que un diseño convencional para cualquier cantidad particular de combustible. [ cita requerida ]
Entre 1987 y 1991, se estudió un diseño avanzado de motor en el marco del Proyecto Timberwind , en el marco de la Iniciativa de Defensa Estratégica , que más tarde se amplió a un diseño más grande en el programa de Propulsión Nuclear Térmica Espacial (STNP). Los avances en metales de alta temperatura, modelado por computadora e ingeniería nuclear, en general, dieron como resultado un rendimiento drásticamente mejorado. Si bien se proyectó que el motor NERVA pesaría alrededor de 6803 kilogramos (14 998 libras), el STNP final ofrecía poco más de 1/3 del empuje de un motor de solo 1650 kilogramos (3640 libras) al mejorar la I sp a entre 930 y 1000 segundos. [ cita requerida ]
El primero en ser encendido fue el KIWI, que comenzó en julio de 1959 con el KIWI 1. El reactor no estaba diseñado para volar y recibió el nombre de Kiwi, un pájaro no volador . El núcleo era simplemente una pila de placas de óxido de uranio sin revestimiento sobre las que se vertía el hidrógeno . Se generó una potencia térmica de 70 MW a una temperatura de escape de 2683 K. Dos pruebas adicionales del concepto básico, A1 y A3, añadieron revestimientos a las placas para probar los conceptos de las barras de combustible. [ cita requerida ]
El combustible de la serie KIWI B estaba compuesto por pequeñas esferas de dióxido de uranio (UO2 ) incrustadas en una matriz de grafito con bajo contenido de boro y recubiertas de carburo de niobio . Diecinueve agujeros recorrían la longitud de los haces, a través de los cuales fluía el hidrógeno líquido. En los encendidos iniciales, el calor inmenso y la vibración agrietaron los haces de combustible. Los materiales de grafito utilizados en la construcción del reactor eran resistentes a altas temperaturas, pero se erosionaban bajo la corriente de hidrógeno sobrecalentado, un agente reductor . La especie de combustible se cambió más tarde a carburo de uranio , y el último motor funcionó en 1964. Los problemas de erosión y agrietamiento de los haces de combustible se mejoraron, pero nunca se resolvieron por completo, a pesar del prometedor trabajo sobre materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne . [ cita requerida ]
El NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental) comenzó a probarse en septiembre de 1964. El último motor de esta serie fue el XE, diseñado con hardware representativo de vuelo y encendido en una cámara de baja presión para simular el vacío. SNPO encendió el NERVA NRX/XE veintiocho veces en marzo de 1968. La serie generó 1100 MW y muchas de las pruebas concluyeron solo cuando el banco de pruebas se quedó sin combustible de hidrógeno. El NERVA NRX/XE produjo el empuje de referencia de 334 kN (75.000 lb f ) que el Centro Marshall de Vuelos Espaciales requería en los planes de la misión a Marte . El último encendido del NRX perdió 17 kg (38 lb) de combustible nuclear en 2 horas de prueba, lo que SNPO consideró suficiente para misiones espaciales. [ cita requerida ]
Basándose en la serie KIWI, la serie Phoebus estaba formada por reactores mucho más grandes. La primera prueba 1A, en junio de 1965, duró más de 10 minutos a 1090 MW y una temperatura de escape de 2370 K. La prueba B, en febrero de 1967, mejoró esta cifra hasta los 1500 MW durante 30 minutos. La prueba final 2A, en junio de 1968, duró más de 12 minutos a 4000 MW, el reactor nuclear más potente jamás construido en aquel momento. [ cita requerida ]
También se construyó una versión más pequeña de KIWI, el Pewee. Se disparó varias veces a 500 MW para probar revestimientos hechos de carburo de circonio (en lugar de carburo de niobio ), pero el Pewee también aumentó la densidad de potencia del sistema. Un sistema refrigerado por agua, conocido como NF-1 (por Nuclear Furnace ), utilizó los elementos de combustible del Pewee 2 para futuras pruebas de materiales, mostrando una reducción de factor 3 en la corrosión del combustible aún mayor. El Pewee 2 nunca se probó en el banco de pruebas y se convirtió en la base de los diseños actuales de NTR que se investigan en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y el Centro Marshall de Vuelos Espaciales. [ cita requerida ]
El proyecto NERVA/Rover fue finalmente cancelado en 1972 con la reducción general de la NASA en la era posterior a la misión Apolo . Sin una misión humana a Marte , no está clara la necesidad de un cohete nuclear térmico. Otro problema sería la preocupación pública por la seguridad y la contaminación radiactiva .
En enero de 1965, el programa estadounidense Rover modificó intencionadamente un reactor Kiwi (KIWI-TNT) para que entrara en estado crítico de inmediato, lo que provocó la destrucción inmediata de la vasija de presión, la boquilla y los conjuntos de combustible del reactor. Con la intención de simular el peor escenario posible de una caída desde la altura al océano, como podría ocurrir en caso de una falla del propulsor después del lanzamiento, la liberación de radiación resultante habría causado muertes hasta 200 m (600 pies) y lesiones hasta 600 m (2000 pies). El reactor estaba ubicado en un vagón de ferrocarril en el área de Jackass Flats del Sitio de Pruebas de Nevada . [38]
En enero de 2012, el grupo de propulsión del Proyecto Ícaro estaba estudiando un sistema de propulsión NTR, [39] pero ha tenido poca actividad desde 2019. [40]
En 1987, Ronen y Leibson [41] [42] publicaron un estudio sobre las aplicaciones del 242m Am (uno de los isótopos del americio ) como combustible nuclear para reactores nucleares espaciales , destacando su sección transversal térmica y densidad energética extremadamente altas . Los sistemas nucleares alimentados por 242m Am requieren menos combustible en un factor de 2 a 100 en comparación con los combustibles nucleares convencionales .
En 1988, George Chapline [43] propuso un cohete de fragmentos de fisión que utiliza 242m Am en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), y sugirió una propulsión basada en el calentamiento directo de un gas propulsor mediante fragmentos de fisión generados por un material fisible. Ronen et al. [44] demostraron que el 242m Am puede mantener una fisión nuclear sostenida como una película metálica extremadamente delgada, de menos de 1/1000 de milímetro de espesor. El 242m Am requiere solo el 1% de la masa de 235 U o 239 Pu para alcanzar su estado crítico. El grupo de Ronen en la Universidad Ben-Gurion del Néguev demostró además que el combustible nuclear basado en 242m Am podría acelerar el transporte de vehículos espaciales de la Tierra a Marte en tan solo dos semanas. [45]
El 242m Am como combustible nuclear se deriva del hecho de que tiene la sección transversal de fisión térmica más alta (miles de barns ), aproximadamente 10 veces la siguiente sección transversal más alta entre todos los isótopos conocidos. El 242m Am es fisible (porque tiene un número impar de neutrones ) y tiene una masa crítica baja , comparable a la del 239 Pu . [46] [47]
Tiene una sección transversal muy alta para la fisión y, si se encuentra en un reactor nuclear, se destruye con relativa rapidez. Otro informe afirma que el 242m Am puede sostener una reacción en cadena incluso como una película delgada y podría utilizarse para un nuevo tipo de cohete nuclear . [44] [48] [49] [50]
Dado que la sección transversal de absorción térmica de 242m Am es muy alta, la mejor manera de obtener 242m Am es mediante la captura de neutrones rápidos o epitermales en Americio-241 irradiado en un reactor rápido . Sin embargo, los reactores de espectro rápido no están fácilmente disponibles. Se proporcionó un análisis detallado de la reproducción de 242m Am en reactores de agua presurizada (PWR) existentes. [51] El estudio de 2008 del Instituto de Tecnología de Karlsruhe informó sobre la resistencia a la proliferación de 242m Am . [52]
En 2000, Carlo Rubbia , del CERN, amplió aún más el trabajo de Ronen [53] y Chapline [54] sobre un cohete de fragmentos de fisión que utiliza 242m Am como combustible. [55] El proyecto 242 [56], basado en el diseño de Rubbia, estudió un concepto de NTR calentado por fragmentos de fisión de película delgada basado en 242m Am [57] mediante el uso de una conversión directa de la energía cinética de los fragmentos de fisión en un aumento de la entalpía de un gas propulsor. El proyecto 242 estudió la aplicación de este sistema de propulsión a una misión tripulada a Marte. [58] Los resultados preliminares fueron muy satisfactorios y se ha observado que un sistema de propulsión con estas características podría hacer viable la misión. Otro estudio se centró en la producción de 242m Am en reactores nucleares térmicos convencionales. [59]
Los diseños actuales de cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido tienen como objetivo limitar en gran medida la dispersión y ruptura de elementos combustibles radiactivos en caso de una falla catastrófica. [60]
A partir de 2013, se está estudiando un NTR para viajes interplanetarios desde la órbita de la Tierra a la órbita de Marte en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales con el Centro de Investigación Glenn . [61] En pruebas históricas en tierra, los NTR demostraron ser al menos dos veces más eficientes que los motores químicos más avanzados, lo que permitiría un tiempo de transferencia más rápido y una mayor capacidad de carga. La duración de vuelo más corta, estimada en 3-4 meses con motores NTR, [62] en comparación con los 6-9 meses utilizando motores químicos, [63] reduciría la exposición de la tripulación a rayos cósmicos potencialmente dañinos y difíciles de proteger . [64] [65] [66] [67] Los motores NTR, como el Pewee del Proyecto Rover , fueron seleccionados en la Arquitectura de Referencia de Diseño de Marte (DRA). [65] [66] [68] [69]
En 2017, la NASA continuó la investigación y el desarrollo de NTR, diseñando para aplicaciones espaciales con materiales aprobados para uso civil, con un contrato de tres años por 18,8 millones de dólares. [70]
En 2019, un proyecto de ley de asignación de fondos aprobado por el Congreso de los EE. UU. incluyó 125 millones de dólares [1] en fondos para la investigación de propulsión térmica nuclear, incluida la planificación de una misión de demostración de vuelo para 2024. [71]
A partir de 2021, ha habido mucho interés en los cohetes térmicos nucleares por parte de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos y DARPA para usos orbitales y cislunares. Además del ejército estadounidense, el administrador de la NASA Jim Bridenstine también ha expresado interés en el proyecto y sus posibles aplicaciones para una futura misión a Marte . [72] DARPA ha otorgado 2 contratos para su programa de cohetes de demostración para operaciones cislunares ágiles (DRACO), que tiene como objetivo demostrar un sistema de propulsión térmica nuclear en órbita: una adjudicación en septiembre de 2020 a Gryphon Technologies por US$14 millones, [72] y otra adjudicación en abril de 2021 a General Atomics por US$22 millones, ambos para diseños preliminares para el reactor. [73] Se seleccionaron dos diseños conceptuales de naves espaciales de Blue Origin y Lockheed Martin. Las propuestas para una demostración de vuelo de propulsión térmica nuclear en el año fiscal 2026 debían presentarse el 5 de agosto de 2022. [74]
En enero de 2023, la NASA y DARPA anunciaron una asociación en DRACO para demostrar un motor NTR en el espacio, una capacidad habilitadora para misiones tripuladas de la NASA a Marte. [75] En julio de 2023, las agencias estadounidenses anunciaron que Lockheed Martin había recibido un contrato de 499 millones de dólares para ensamblar el vehículo de reactor térmico nuclear experimental (X-NTRV) y su motor. [76]
Un fallo atmosférico u orbital de un cohete podría provocar la dispersión de material radiactivo en el medio ambiente. Una colisión con desechos orbitales, un fallo de material debido a una fisión descontrolada, imperfecciones o fatiga del material o fallos de diseño humanos podrían provocar una ruptura del confinamiento del material fisionable. Un fallo tan catastrófico durante el vuelo podría liberar material radiactivo sobre la Tierra en una zona amplia e impredecible. La cantidad de contaminación dependería del tamaño del motor térmico nuclear del cohete, mientras que la zona de contaminación y su concentración dependerían de las condiciones meteorológicas y los parámetros orbitales predominantes en el momento de la reentrada. [ cita requerida ]
Se considera improbable que los elementos de combustible de un reactor se distribuyan en un área extensa, ya que están compuestos de materiales como compuestos de carbono o carburos y normalmente están recubiertos con hidruro de circonio . [77] Antes de que se produzca la criticidad, el combustible NTR de núcleo sólido no es particularmente peligroso. Una vez que el reactor se ha puesto en marcha por primera vez, se producen productos de fisión de vida corta extremadamente radiactivos, así como productos de fisión menos radiactivos pero de vida extremadamente larga. La cantidad de productos de fisión es cero en el arranque con combustible nuevo y aproximadamente proporcional a (en realidad: limitada por) la cantidad total de calor de fisión producido desde el arranque con combustible nuevo. [78] [79] Además, todas las estructuras del motor están expuestas al bombardeo directo de neutrones, lo que resulta en su activación radiactiva. [ cita requerida ]
Las primeras pruebas de cohetes nucleares comenzaron en 1955 con el Proyecto Rover en el Laboratorio Científico de Los Álamos. El desarrollo clave fue miniaturizar los reactores lo suficiente como para poder colocarlos en un cohete. Durante los siguientes años, los ingenieros construyeron y probaron más de una docena de reactores de diferentes tamaños y potencias.
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Investigaciones anteriores de NERVA descubrieron que los motores alimentados con compuestos de grafito presentaban erosión y agrietamiento no deseados.
Se habían seleccionado diseños preliminares, pero no se habían probado componentes del prototipo antes de que se cancelara el programa. Nunca se lanzó ningún sistema.
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