Un cohete térmico nuclear ( NTR ) es un tipo de cohete térmico en el que el calor de una reacción nuclear , a menudo fisión nuclear , reemplaza la energía química de los propulsores en un cohete químico . En una 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 la boquilla de un cohete para crear empuje . En teoría, la fuente de calor nuclear externa permite una mayor velocidad de escape efectiva y se espera que duplique o triplique la capacidad de carga útil en comparación con los propulsores químicos que almacenan energía internamente.
Los NTR se han propuesto como tecnología de propulsión de 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 cerró por diversas razones, por ejemplo, para centrarse en el desarrollo del transbordador espacial . Aunque se han construido y probado más de diez reactores de diferente potencia, hasta 2023 [actualizar]ningún cohete térmico nuclear ha volado. [1]
Mientras que todas las primeras aplicaciones de la propulsión de cohetes térmicos nucleares utilizaban procesos de fisión , la investigación en la década de 2010 se ha desplazado hacia enfoques 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 sigue siendo difícil de alcanzar". 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 RFP para la siguiente fase de su programa de motor térmico nuclear Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO). Esto sigue a su selección, en 2021, de un diseño de motor inicial de General Atomics y dos conceptos de nave espacial de Blue Origin y Lockheed Martin . Las próximas fases del programa se centrarán en el diseño, desarrollo, fabricación y montaje de un motor de cohete térmico nuclear. [2] En julio de 2023, Lockheed Martin obtuvo el contrato para construir la nave espacial y BWX Technologies ( BWXT ) desarrollará el reactor nuclear. Se espera un lanzamiento en 2027. [3]
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.
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 expandirse alejándose del vehículo, llevando consigo impulso y convirtiendo la energía térmica en energía cinética coherente. El impulso específico (Isp) del motor está determinado por la velocidad del flujo de escape. Esto, 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 propulsoras livianas transportan tanta energía cinética como las moléculas propulsoras 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 eficaces que los de alta masa molecular.
Debido a que los cohetes químicos y los cohetes nucleares están hechos de materiales sólidos refractarios, ambos están limitados a operar por debajo de ~3000 °C (5430 °F), debido a las características de resistencia de los metales de alta temperatura. Los cohetes químicos utilizan el propulsor más fácilmente disponible, que son los 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, por lo tanto, el propulsor es principalmente agua (masa molecular 18) y/o dióxido de carbono (masa molecular 44). Por lo tanto, los cohetes térmicos nucleares que utilizan propulsor de hidrógeno gaseoso (masa molecular 2) tienen un Isp máximo teórico que es entre 3 y 4,5 veces mayor que el de los cohetes químicos.
Ya en 1944, Stanisław Ulam y Frederic de Hoffmann contemplaron la idea de controlar la potencia de las explosiones nucleares para lanzar vehículos espaciales. [4] 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 transportar ojivas nucleares con motores de propulsión nuclear. [4] Ya en 1946, North American Aviation y el Proyecto Rand de Douglas Aircraft Company prepararon informes secretos para la Fuerza Aérea de EE. UU. , como parte del proyecto NEPA . [5] 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 muchas cuestiones técnicas que debían resolverse. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
En enero de 1947, sin tener conocimiento de esta investigación clasificada, los ingenieros del Laboratorio de Física Aplicada publicaron su investigación sobre la propulsión de energía nuclear y su informe finalmente fue clasificado. [14] [4] [15] En mayo de 1947, el científico chino educado en Estados Unidos Qian Xuesen presentó su investigación sobre "chorros térmicos" impulsados por un reactor nuclear poroso moderado por grafito en los Seminarios de Ingeniería y Ciencia Nuclear LIV organizados por el Instituto de Massachusetts. de tecnología . [16] [15]
En 1948 y 1949, la física Leslie Shepherd y el científico espacial Val Cleaver produjeron una serie de artículos científicos innovadores que consideraban cómo se podría aplicar la tecnología nuclear a los viajes interplanetarios . Los artículos examinaron tanto la propulsión nuclear térmica como la nuclear eléctrica . [17] [18] [19] [20]
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. 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 homólogos químicos. Sin embargo, el programa fue cancelado en 1973 debido a limitaciones presupuestarias. Hasta la fecha, nunca se ha implementado en el espacio ningún sistema de propulsión térmica nuclear.[2]
Un cohete térmico nuclear se puede clasificar según el tipo de reactor, desde un reactor sólido relativamente simple hasta un 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 extraer 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 necesaria ] La erosión también es una preocupación, especialmente la pérdida de combustible y las emisiones asociadas de radiactividad. [21]
Los reactores nucleares de núcleo sólido han sido alimentados con compuestos de uranio que existen en fase sólida en las condiciones encontradas y se someten a 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/propulsor. [1] Un motor nuclear de núcleo sólido es el diseño más simple de construir y es el concepto utilizado en todos los NTR probados. [22]
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 que los diseños de hidrógeno - oxígeno líquido , 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 característica más 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 [23] de alcanzar 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 finalmente alcanzaron relaciones empuje-peso de aproximadamente 7:1. Esta sigue siendo una relación empuje-peso mucho más baja que la que se puede lograr con 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 los 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 utilizó un diseño de "ciclo abierto", a diferencia de un diseño de "ciclo cerrado" de menor rendimiento en el que no se permitía que ningún material radiactivo escapara con el propulsor del cohete. [24] )
Una forma de aumentar la temperatura de trabajo del reactor es cambiar los elementos del combustible nuclear. Ésta es la base del reactor de lecho de partículas, que está alimentado por varios elementos (normalmente esféricos) que "flotan" dentro del fluido de trabajo de hidrógeno. Hacer girar todo el motor podría evitar que el elemento combustible sea expulsado por la boquilla. Se cree que este diseño es capaz de aumentar el impulso específico a aproximadamente 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 actualmente generan electricidad. [ cita necesaria ] Desde 1987 hasta 1991, la Oficina de la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) financió el Proyecto Timberwind , un cohete térmico nuclear no giratorio basado en tecnología de lecho de partículas. El proyecto fue cancelado antes de la prueba. [25]
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. Esa temperatura representa una energía muy inferior a la de los neutrones individuales liberados por las reacciones de fisión. Su energía se distribuye por la masa del reactor, provocando que se termalice. En los diseños de centrales eléctricas, el núcleo se enfría luego, 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, permitiendo que los gases de escape alcancen temperaturas mucho más allá del punto de fusión del núcleo del reactor. Como el impulso específico varía directamente con la temperatura, capturar la energía de los neutrones relativistas permite un aumento espectacular del rendimiento. [26]
Para hacer esto, los reactores pulsados operan 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 permite que se enfríe. Luego se enciende, junto con el sistema de refrigeración o flujo de combustible, funcionando 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 determinada, el reactor se vuelve a apagar rápidamente. Durante estos pulsos, la energía que se produce es mucho mayor que la que un reactor del mismo tamaño podría producir continuamente. La clave de este enfoque es que, si bien la cantidad total de combustible que se puede bombear a través del reactor durante estos breves impulsos es pequeña, la eficiencia resultante de estos impulsos es mucho mayor.
Generalmente, 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 terrestre baja , el motor podría funcionar continuamente y proporcionar un Isp similar al del diseño tradicional de núcleo sólido. Pero durante un crucero de larga duración, el motor cambiaría al modo pulsado para aprovechar mejor el combustible.
Los motores nucleares de núcleo líquido funcionan 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, con la temperatura máxima de funcionamiento del motor en lugar de estar determinada por la vasija 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 necesaria ]
Sería extremadamente difícil construir un reactor de núcleo líquido con la tecnología actual. Un problema importante es que el tiempo de reacción del combustible nuclear es mucho más largo que el tiempo de calentamiento del fluido de trabajo. Si el combustible nuclear y el fluido de trabajo no están físicamente separados, esto significa que el combustible debe quedar atrapado dentro del motor mientras que se permite que el fluido de trabajo salga fácilmente a través de la boquilla. Una posible solución es rotar la mezcla de combustible/fluido a velocidades muy altas para forzar el combustible de mayor densidad hacia el exterior, pero esto expondría la vasija de presión del reactor a la temperatura máxima de funcionamiento y al mismo tiempo agregaría masa, complejidad y piezas móviles. [ cita necesaria ]
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 sólo podría operarse con seguridad fuera de la atmósfera de la Tierra y tal vez incluso completamente fuera de la magnetosfera de la Tierra . [ cita necesaria ]
La clasificación final de fisión es el motor con 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 medio 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 3.000 a 5.000 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 estudios del "ciclo cerrado" o motor de bombilla nuclear , donde el combustible nuclear gaseoso está contenido en una atmósfera superalta. -Recipiente de cuarzo de temperatura , 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 entregue un impulso específico de aproximadamente 1500 a 2000 segundos (15 a 20 kN·s/kg). [ cita necesaria ]
El RD-0410 soviético pasó por una serie de pruebas en el sitio de pruebas nucleares cerca del sitio de pruebas de Semipalatinsk . [27] [28]
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 . [29]
El desarrollo de NTR de núcleo sólido comenzó en 1955 bajo la Comisión de Energía Atómica (AEC) como Proyecto Rover y duró hasta 1973. [1] El trabajo en 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 . De este proyecto surgieron cuatro diseños básicos: KIWI, Phoebus, Pewee y Nuclear Furnace. Se probaron veinte motores individuales, con un total de más de 17 horas de funcionamiento. [30]
Cuando se formó 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 compartimentada la información clasificada, al mismo tiempo se creó la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO). El programa NERVA de 1961 tenía como objetivo la introducción de motores de cohetes térmicos nucleares en la exploración espacial. A diferencia del trabajo de AEC, cuyo objetivo era estudiar el diseño del reactor en sí, el objetivo de NERVA era producir un motor real que pudiera desplegarse en misiones espaciales. El diseño básico de NERVA de empuje de 334 kN (75.000 lb f ) se basó en la serie KIWI B4. [ cita necesaria ]
Los motores probados incluyeron Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 y Nuclear Furnace. Densidades de poder progresivamente mayores culminaron en los Pewee. [30] Las pruebas del diseño mejorado del Pewee 2 fueron canceladas en 1970 en favor del horno nuclear (NF-1), de menor costo, y el programa de cohetes nucleares de los Estados Unidos finalizó oficialmente en la primavera de 1973. Durante este programa, NERVA acumuló Más de 2 horas de funcionamiento, incluidos 28 minutos a máxima potencia. [1] La SNPO consideró que NERVA era el último reactor de desarrollo tecnológico necesario para proceder al vuelo de los prototipos. [ cita necesaria ]
También se han estudiado hasta cierto punto otros motores de núcleo sólido. El pequeño motor de cohete nuclear, o SNRE, fue diseñado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) para uso en la etapa superior, tanto en lanzadores no tripulados como en el transbordador espacial . Presentaba una boquilla dividida que podía girarse hacia un lado, lo que le permitía ocupar menos espacio en el compartimento de carga del Shuttle. El diseño proporcionaba 73 kN de empuje y operaba con 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 Space. Motor principal del transbordador (SSME), uno de los mejores motores convencionales. [ cita necesaria ]
Un diseño relacionado que tuvo algo de trabajo, pero que nunca llegó a la etapa de prototipo, fue Dumbo. Dumbo era similar a KIWI/NERVA en concepto, pero utilizaba técnicas de construcción más avanzadas para reducir el peso del reactor. El reactor Dumbo constaba de varios tubos grandes en forma de barril, que a su vez estaban construidos con placas apiladas de material corrugado. Las ondulaciones se alinearon de modo que la pila resultante tuviera canales que iban desde el interior hacia el exterior. Algunos de estos canales se llenaron con combustible de uranio, otros con un moderador y algunos se dejaron abiertos como canal de gas. El hidrógeno se bombeaba al centro del tubo y el combustible lo calentaba a medida que viajaba a través de los canales mientras se abría camino hacia el exterior. El sistema resultante era más ligero que un diseño convencional para cualquier cantidad particular de combustible. [ cita necesaria ]
Entre 1987 y 1991, se estudió un diseño de motor avanzado en el marco del Proyecto Timberwind , en el marco de la Iniciativa de Defensa Estratégica , que luego se amplió a un diseño más grande en el programa de Propulsión Nuclear Térmica Espacial (STNP). Los avances en los metales de alta temperatura, los modelos informáticos y la ingeniería nuclear en general dieron como resultado una mejora espectacular del rendimiento. Si bien se proyectó que el motor NERVA pesaría alrededor de 6.803 kilogramos (14.998 lb), el STNP final ofreció poco más de 1/3 del empuje de un motor de solo 1.650 kilogramos (3.640 lb) al mejorar el I sp a entre 930 y 1000 segundos. [ cita necesaria ]
KIWI fue el primero en ser encendido, comenzando en julio de 1959 con KIWI 1. El reactor no estaba diseñado para volar y recibió su nombre del ave no voladora Kiwi. El núcleo era simplemente una pila de placas de óxido de uranio sin revestir sobre las que se vertía el hidrógeno . Se generó una potencia térmica de 70 MW con una temperatura de escape de 2683 K. Dos pruebas adicionales del concepto básico, A1 y A3, agregaron revestimientos a las placas para probar conceptos de barras de combustible. [ cita necesaria ]
La serie KIWI B estaba alimentada por pequeñas esferas de dióxido de uranio (UO 2 ) incrustadas en una matriz de grafito con bajo contenido de boro y recubiertas con carburo de niobio . A lo largo de los haces había diecinueve agujeros, a través de los cuales fluía el hidrógeno líquido. En los disparos iniciales, un inmenso calor y vibraciones 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 . Posteriormente, el tipo de combustible se cambió a carburo de uranio , y el último motor funcionó en 1964. Los problemas de erosión y agrietamiento del haz de combustible mejoraron, pero nunca se resolvieron por completo, a pesar del prometedor trabajo con materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne . [ cita necesaria ]
NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental), comenzó a probarse en septiembre de 1964. El motor final de esta serie fue el XE, diseñado con hardware representativo de vuelo y disparado a una cámara de baja presión para simular un vacío. SNPO disparó NERVA NRX/XE veintiocho veces en marzo de 1968. Todas las series generaron 1100 MW, y muchas de las pruebas concluyeron sólo cuando el banco de pruebas se quedó sin propulsor de hidrógeno. NERVA NRX/XE produjo el empuje básico de 334 kN (75.000 lb f ) que el Centro Marshall de Vuelos Espaciales requería en los planes de misión a Marte . El último disparo del NRX perdió 17 kg (38 lb) de combustible nuclear en 2 horas de prueba, lo que SNPO consideró suficiente para misiones espaciales. [ cita necesaria ]
Basándose en la serie KIWI, la serie Phoebus eran 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 esto a 1500 MW durante 30 minutos. La prueba final del 2A en junio de 1968 duró más de 12 minutos a 4000 MW, en ese momento el reactor nuclear más potente jamás construido. [ cita necesaria ]
También se construyó una versión más pequeña de KIWI, el Pewee. Se encendió varias veces a 500 MW para probar revestimientos hechos de carburo de circonio (en lugar de carburo de niobio ), pero Pewee también aumentó la densidad de potencia del sistema. Un sistema refrigerado por agua conocido como NF-1 (por Horno Nuclear ) utilizó elementos combustibles de Pewee 2 para futuras pruebas de materiales, mostrando reducciones aún mayores de un factor de 3 en la corrosión del combustible. Pewee 2 nunca se probó en el stand y se convirtió en la base de los diseños actuales de NTR que se están investigando en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y en el Centro Marshall de vuelos espaciales. [ cita necesaria ]
El proyecto NERVA/Rover fue finalmente cancelado en 1972 con el cierre general de la NASA en la era post- Apolo . Sin una misión humana a Marte , la necesidad de un cohete térmico nuclear no está clara. Otro problema serían las preocupaciones del público sobre la seguridad y la contaminación radiactiva .
En enero de 1965, el programa Rover de EE. UU. modificó intencionalmente un reactor Kiwi (KIWI-TNT) para que se volviera rápidamente crítico, lo que provocó la destrucción inmediata de la vasija de presión del reactor, la boquilla y los conjuntos de combustible. Con la intención de simular el peor de los casos de una caída desde una altitud al océano, como la que podría ocurrir en caso de una falla del propulsor después del lanzamiento, la liberación de radiación resultante habría causado muertes a 183 m (600 pies) y lesiones a 610. m (2000 pies). El reactor fue colocado en un vagón de ferrocarril en el área de Jackass Flats del sitio de pruebas de Nevada . [31]
En enero de 2012, el grupo de propulsión del Proyecto Ícaro estaba estudiando un sistema de propulsión NTR, [32] pero ha visto poca actividad desde 2019. [33]
En 1987, Ronen & Leibson [34] [35] publicaron un estudio sobre las aplicaciones de 242 m Am (uno de los isótopos del americio ) como combustible nuclear para reactores nucleares espaciales , destacando su sección transversal térmica y su densidad de energía extremadamente altas . Los sistemas nucleares propulsados por 242 millones de Am requieren menos combustible en un factor de 2 a 100 en comparación con los combustibles nucleares convencionales .
El cohete de fragmentos de fisión que utiliza 242 m Am fue propuesto por George Chapline [36] en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en 1988, quien sugirió una propulsión basada en el calentamiento directo de un gas propulsor mediante fragmentos de fisión generados por un material fisionable. Ronen et al. [37] demuestran que 242 m Am puede mantener una fisión nuclear sostenida como una película metálica extremadamente delgada, de menos de 1/1000 de milímetro de espesor. 242m Am requiere sólo 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 Negev demostró además que el combustible nuclear basado en 242 m Am podría acelerar los vehículos espaciales desde la Tierra a Marte en tan solo dos semanas. [38]
Los 242 m Am como combustible nuclear se derivan del hecho de que tiene la sección transversal de fisión térmica más alta (miles de graneros ), aproximadamente 10 veces la siguiente sección transversal más alta de 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 . [39] [40]
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 242m Am puede sostener una reacción en cadena incluso como una película delgada y podría usarse para un nuevo tipo de cohete nuclear . [37] [41] [42] [43]
Dado que la sección transversal de absorción térmica de 242 m Am es muy alta, la mejor manera de obtener 242 m 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 242 m Am en reactores de agua a presión (PWR) existentes. [44] Un estudio del Instituto Tecnológico de Karlsruhe de 2008 informó sobre una resistencia a la proliferación de 242 m Am . [45]
En 2000, Carlo Rubbia del CERN amplió aún más el trabajo de Ronen [46] y Chapline [47] sobre un cohete de fragmentos de fisión que utilizaba 242 m Am como combustible. [48] El Proyecto 242 [49] basado en el diseño de Rubbia estudió un concepto de NTR calentado con fragmentos de fisión de película delgada basado en Am de 242 m [50] 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. [51] Los resultados preliminares fueron muy satisfactorios, y se ha observado que un sistema de propulsión de estas características podría hacer factible la misión. Otro estudio se centró en la producción de 242 millones de Am en reactores nucleares térmicos convencionales. [52]
Los diseños actuales de cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido tienen como objetivo limitar en gran medida la dispersión y fragmentación de elementos combustibles radiactivos en caso de una falla catastrófica. [53]
A partir de 2013, en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales con el Centro de Investigación Glenn se está estudiando una NTR para viajes interplanetarios desde la órbita de la Tierra a la órbita de Marte . [54] 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 más corta del vuelo, estimada en 3 a 4 meses con motores NTR, [55] en comparación con 6 a 9 meses con motores químicos, [56] reduciría la exposición de la tripulación a rayos cósmicos potencialmente dañinos y difíciles de proteger . [57] [58] [59] [60] Los motores NTR, como el Pewee del Project Rover , fueron seleccionados en Mars Design Reference Architecture (DRA). [58] [59] [61] [62]
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 valor de 18,8 millones de dólares. [63]
En 2019, un proyecto de ley de asignaciones aprobado por el Congreso de los EE. UU. incluía 125 millones de dólares [1] en financiación para la investigación de la propulsión térmica nuclear, incluida la planificación de una misión de demostración de vuelo para 2024. [64]
A partir de 2021, la Fuerza Espacial de los Estados Unidos y DARPA han mostrado mucho interés en los cohetes térmicos nucleares para usos orbitales y cis-lunares. 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 . [65] DARPA ha adjudicado 2 contratos para su programa Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO), cuyo objetivo es demostrar un sistema de propulsión térmica nuclear en órbita: un premio en septiembre de 2020 a Gryphon Technologies por 14 millones de dólares estadounidenses, [65] y otra adjudicación en abril de 2021 a General Atomics por 22 millones de dólares, ambas para diseños preliminares del reactor. [66] 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. [67]
En enero de 2023, la NASA y DARPA anunciaron una asociación en DRACO para demostrar un motor NTR en el espacio, una capacidad que permite las misiones tripuladas de la NASA a Marte. [68] En julio de 2023, agencias estadounidenses anunciaron que a Lockheed Martin se le había adjudicado un contrato de 499 millones de dólares para ensamblar el vehículo del reactor térmico nuclear experimental (X-NTRV) y su motor. [69]
Un fallo de un cohete atmosférico u orbital podría provocar la dispersión de material radiactivo en el medio ambiente. Una colisión con desechos orbitales, una falla del material debido a una fisión incontrolada, imperfecciones o fatiga del material o fallas de diseño humano podrían causar una brecha en la contención del material fisionable. Una falla tan catastrófica durante el vuelo podría liberar material radiactivo sobre la Tierra en un área amplia e impredecible. La cantidad de contaminación dependería del tamaño del motor del cohete nuclear térmico, mientras que la zona de contaminación y su concentración dependerían del clima predominante y de los parámetros orbitales en el momento del reingreso. [ cita necesaria ]
Se considera poco probable que los elementos combustibles de un reactor estén repartidos en una zona amplia, ya que están compuestos de materiales como compuestos de carbono o carburos y normalmente están recubiertos con hidruro de circonio . [70] Antes de que ocurra la criticidad, el combustible NTR de núcleo sólido no es particularmente peligroso. Una vez que el reactor se pone en marcha por primera vez, se producen productos de fisión extremadamente radiactivos de corta vida, 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 (en realidad: limitada por) la cantidad total de calor de fisión producido desde el arranque con combustible nuevo. [71] [72] Además, todas las estructuras del motor están expuestas al bombardeo directo de neutrones, lo que resulta en su activación radiactiva. [ cita necesaria ]
Las primeras pruebas de cohetes nucleares comenzaron en 1955 con el Proyecto Rover en el Laboratorio Científico de Los Álamos. El avance clave fue miniaturizar los reactores lo suficiente como para poder colocarlos en un cohete. Durante los años siguientes, los ingenieros construyeron y probaron más de una docena de reactores de diferentes tamaños y potencias.
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .(Presentado en un seminario del Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1947)
Investigaciones anteriores de NERVA encontraron que los motores alimentados con compuestos de grafito presentaban erosión y grietas no deseadas.
Se seleccionaron diseños preliminares, pero no se probaron componentes prototipo antes de que se cancelara el programa. Nunca se lanzó ningún sistema.
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .{{cite web}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .