Ядролық реакторлы қозғалтқыш: ғарышқа қадам басудың жаңа әдісі

Кіріспе

Ядролық термиялық қозғалтқыш – ядролық реакторды итеру күшін жасау үшін пайдаланатын қозғалтқыш.

Ядролық термиялық қозғалтқыш (ЯТҚ) – жылулық қозғалтқыштың бір түрі, онда химиялық қозғалтқыштағы жанар майдың химиялық энергиясын ядролық реакциядан алынған жылу алмастырады. ЯТҚ-да жұмыс сұйықтығы, әдетте сұйық сутегі, ядролық реакторда жоғары температураға дейін қыздырылады, содан кейін итеру күшін жасау үшін ракеталық сопло арқылы кеңейеді. Сыртқы ядролық жылу көзі теориялық тұрғыдан тиімді шығарылу жылдамдығын арттырады және энергияны ішкі түрде сақтайтын химиялық жанар майлармен салыстырғанда жүк көлемін екі есе немесе үш есе арттыруы мүмкін. ЯТҚ ғарыш кемелерін қозғалту технологиясы ретінде ұсынылған, алғашқы сынақтар 1955 жылы жүргізілді. АҚШ 1973 жылға дейін ЯТҚ бағдарламасын жүргізді, бірақ оны Space Shuttle бағдарламасына көшу және басқа да себептерге байланысты тоқтатты. Оннан астам түрлі қуаттылықтағы реакторлар салынды және сынақтан өтті, бірақ 2023 жылға дейін ешбір ядролық термиялық қозғалтқыш ұшқан жоқ. 2021 жылы General Atomics компаниясының алғашқы қозғалтқыш дизайны және Blue Origin және Lockheed Martin компанияларының екі ғарыш кемесінің концепциясы таңдалды. Бағдарламаның келесі кезеңдері ядролық термиялық қозғалтқышты жобалауға, әзірлеуге, жасауға және құрастыруға бағытталған. 2023 жылдың шілдесінде Lockheed Martin ғарыш кемесін жасауға келісімшарт алды, ал BWX Technologies (BWXT) ядролық реакторды әзірлейді. 2027 жылы ұшыру күтілуде.

Жұмыс істеу принципі

Ядролық қуатты жылулық зымырандары химиялық жылулық зымырандардан тиімді, себебі олар сутегі сияқты төмен молекулалық массалы отынды пайдалана алады. Жылулық зымыран ретінде, ядролық жылулық зымыран химиялық зымыран сияқты жұмыс істейді: жылу көзі қозғалтқыштың ішіндегі газ тәрізді отынға жылу энергиясын береді, ал қозғалтқыштың бір жағындағы сопло өте қарапайым жылу машинасы ретінде қызмет етеді: ол отынның қозғалтқыштан кеңінеюіне мүмкіндік береді, осы арқылы инерцияны алып жүреді және жылу энергиясын ұқсас кинетикалық энергияға айналдырады. Қозғалтқыштың меншікті импульсі (Isp) шығарылатын газ ағынының жылдамдығымен анықталады. Бұл, өз кезегінде, отынның әрбір масса бірлігіне берілген кинетикалық энергияның квадрат түбіріне тең. Отынның бір молекуласына шаққандағы кинетикалық энергия жылу көзінің температурасымен анықталады (ол ядролық реактор немесе химиялық реакция болсын). Кез келген температурада, жеңіл отын молекулалары ауыр отын молекулалары сияқты көп кинетикалық энергияны тасымалдайды, сондықтан бірлік массасына шаққанда олардың кинетикалық энергиясы жоғары болады. Бұл төмен молекулалық массалы отындарды жоғары молекулалық массалы отындардан тиімді етеді. Химиялық және ядролық зымырандар жоғары температураға төзімді қатты материалдардан жасалғандықтан, олардың екеуі де жоғары температуралы металдардың беріктік қасиеттерімен шектеліп, 3000 °C (5432 °F) төмен температурада жұмыс істеуге мәжбүр. Химиялық зымырандар олардың жылу энергиясын өндіретін химиялық реакциялардың қалдықтары болып табылатын ең оңай қол жетімді отынды пайдаланады. Көптеген сұйық отынмен жұмыс істейтін химиялық зымырандар сутегі немесе көмірсутектердің жануын пайдаланады, сондықтан отын негізінен су (молекулалық массасы 18) және көмірқышқыл газы (молекулалық массасы 44) болып табылады. Газды сутекті (молекулалық массасы 2) пайдаланатын ядролық жылулық зымыранның теориялық ең жоғары меншікті импульсі химиялық зымырандардан 3-4,5 есе артық.

Ерте тарих

1944 жылы Станислав Улам мен Фредерик де Хоффман ғарыш кемелерін ұшыру үшін ядролық жарылыстардың қуатын бақылау идеясын қарастырды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ әскері Германияның V2 ракеталық конструкциялары негізіндегі континентаралық баллистикалық зымырандарды (ICBM) әзірлеуді бастады. Кейбір үлкен ракеталар ядролық оқ-дәрілерді, ядролық қуатпен жұмыс істейтін қозғалтқыштармен тасымалдауға арналған. Бұл жаңа есептерде, ядролық реакторды пайдаланып, төмен молекулалық салмақты жұмыс сұйықтығын қыздыратын реакторлық қозғалтқыш, ядролық жетегінің ең перспективалы түрі деп көрсетілді, бірақ шешілуі тиіс көптеген техникалық мәселелер де анықталды. 1947 жылдың қаңтар айында осы құпия зерттеулер туралы хабарсыз, Қолданбалы физика зертханасының инженерлері ядролық қуатпен жұмыс істейтін жетегі туралы зерттеулерін жариялады, ал олардың есебі кейіннен құпияға алынды. 1947 жылдың мамыр айында американдық білім алған қытай ғалымы Цян Сюйсен Массачусетс технология институтында өткен Ядролық ғылым және инженерия семинары LIV-те порысты графитпен бақыланатын ядролық реактормен қуатталатын "термиялық ағындар" туралы зерттеулерін ұсынды.

НАСА қозғалтқышының алғашқы дамуы

Жоба Ровер арқылы Лос-Аламос ұлттық зертханасы 1955 жылы ядролық жылу қозғалтқыштарын әзірлеуді бастады және 1959 жылы әлемдегі алғашқы тәжірибелік ядролық ракеталық қозғалтқышы KIWI A-ны сынады. Бұл жұмыс Лос-Аламоста NASA-ның NERVA бағдарламасы (1961–1973) аясында жалғастырылды. NERVA көптеген жетістіктерге қол жеткізіп, алғашқы прототиптерді жетілдіре отырып, химиялық аналогтарынан бірнеше есе тиімді қуатты қозғалтқыштар құрды. Дегенмен, бағдарлама 1973 жылы бюджеттік шектеулерге байланысты тоқтатылды. Бүгінгі күнге дейін ғарышқа ешқандай ядролық жылулық жетегі енгізілген жоқ.

Ядролық отын түрлері

Ядролық жылулық зымыран реактор түріне қарай жіктеледі, салыстырмалы түрде қарапайым қатты реактордан бастап, құрастыруы өте қиын, бірақ теориялық тұрғыдан тиімді газ ядролық реакторға дейін. Барлық жылулық зымыран конструкцияларындағыдай, алынатын нақты импульс жұмыс сұйықтығының (реакциялық массаның) қыздырылған температурасының квадрат түбіріне пропорционалды. Максималды тиімділікке қол жеткізу үшін температура мүмкіндігінше жоғары болуы керек. Белгілі бір конструкция үшін қол жеткізілетін температура әдетте реактор құрылымдарына, ядролық отынға және отын қаптамасына таңдалған материалдармен анықталады. Эрозия да маңызды мәселе, әсіресе отынның жоғалуы және оған байланысты радиоактивтіліктің таралуы алаңдатады.

Қатты өзек

Қатты ядролық реакторлар кездесетін жағдайларда қатты фазада болатын және энергияны босату үшін ядролық бөлінуге ұшырайтын уран қосылыстарымен отынмен толықтырылады. Ұшу реакторларының жеңіл болуы және ең жоғары температураға төзуге қабілетті болуы керек, себебі жалғыз салқындатқыш жұмыс сұйықтығы/үрлейтін газ болып табылады. Ядролық қатты ядролы қозғалтқыш – құрылысы ең қарапайым конструкция және барлық сынақтан өткен NTR-лерде қолданылатын ұғым. Сутекті үрлейтін газ ретінде пайдаланғанда, қатты ядролық конструкция әдетте 850-1000 секундқа жуық нақты импульс (Isp) береді, бұл сұйық сутек-оттегі конструкцияларынан, мысалы, ғарыш шаттлының негізгі қозғалтқышынан шамамен екі есе жоғары. Аммиак, су немесе LOX сияқты басқа үрлейтін газдар да ұсынылған, бірақ бұл үрлейтін газдар жанармай шығындары аздаған төмендеуімен бірге, шығарылатын газдың жылдамдығын және тиімділігін төмендетуі мүмкін. Сутектің артықшылығы – төмен қысымда ол шамамен 1500 К-де, ал жоғары қысымда шамамен 3000 К-де диссоциациялана бастайды. Бұл шығарылатын газдың массасын төмендетеді, соның салдарынан Isp артады. Алғашқы жарияланымдарда ядролық қозғалтқыштардың ғарышқа қолданылуы күмәнді болды. 1947 жылы толық ядролық реактор соншалықты ауыр болды, қатты ядролық термиялық қозғалтқыштар 1:1 итеру күші мен салмақ арақатынасына (ұшу кезінде Жердің тартылысын жеңу үшін қажетті көрсеткіш) қол жеткізе алмайтын еді. Келесі жиырма бес жыл ішінде АҚШ-тың ядролық термиялық ракета жобалары шамамен 7:1 итеру күші мен салмақ арақатынасына жетті. Бұл химиялық ракеталармен салыстырғанда, олардың итеру күші мен салмақ арақатынасы 70:1 шамасында болады, әлдеқайда төмен көрсеткіш. Сұйық сутекті сақтау үшін қажетті үлкен бактармен байланыстыра қарағанда, қатты ядролық термиялық қозғалтқыштар Жердің тартылысынан тыс орбитада пайдалануға көбірек бейім, сонымен қатар атмосфералық қолданудан туындайтын радиоактивті ластанудан сақтануға болады. Бұл бөлшектік төсек реакторының негізі, ол сутегі жұмыс сұйықтығының ішінде "қалқып" жүретін бірнеше (әдетте шар тәрізді) элементтермен отынмен толықтырылады. Қозғалтқыштың толық айналуы отын элементінің соплодан шығарылуын болдырмауы мүмкін. Бұл конструкция нақты импульсті шамамен 1000 секундқа (9,8 кН·с/кг) дейін арттыруға қабілетті деп есептеледі, бірақ бұл үшін конструкцияның күрделілігі артады. Мұндай конструкция тас төсек реакторының жобалау элементтерін бөлісе алады, олардың бірнешеуі қазіргі уақытта электр энергиясын өндіреді. 1987 жылдан 1991 жылға дейін Стратегиялық қорғаныс бастамасы (SDI) кеңсесі бөлшектік төсек технологиясына негізделген айналмасыз ядролық термиялық ракета – "Timberwind" жобасын қаржыландырды. Жоба сынақтан бұрын тоқтатылды.

Solid core nuclear reactors have been fueled by compounds of uranium that exist in solid phase under the conditions encountered and undergo nuclear fission to release energy. Flight reactors must be lightweight and capable of tolerating extremely high temperatures, as the only coolant available is the working fluid/propellant. A nuclear solid core engine is the simplest design to construct and is the concept used on all tested NTRs. Using hydrogen as a propellant, a solid core design would typically deliver specific impulses (Isp) on the order of 850 to 1000 seconds, which is about twice that of liquid hydrogen oxygen designs such as the Space Shuttle main engine. Other propellants have also been proposed, such as ammonia, water, or LOX, but these propellants would provide reduced exhaust velocity and performance at a marginally reduced fuel cost. Yet another mark in favor of hydrogen is that at low pressures it begins to dissociate at about 1500 K, and at high pressures around 3000 K. This lowers the mass of the exhaust species, increasing Isp. Early publications were doubtful of space applications for nuclear engines. In 1947, a complete nuclear reactor was so heavy that solid core nuclear thermal engines would be entirely unable to achieve a thrust to weight ratio of 1:1, which is needed to overcome the gravity of the Earth at launch. Over the next twenty five years, U. S. nuclear thermal rocket designs eventually reached thrust to weight ratios of approximately 7:1. This is still a much lower thrust to weight ratio than what is achievable with chemical rockets, which have thrust to weight ratios on the order of 70:1. Combined with the large tanks necessary for liquid hydrogen storage, this means that solid core nuclear thermal engines are best suited for use in orbit outside Earth's gravity well, not to mention avoiding the radioactive contamination that would result from atmospheric use)

One way to increase the working temperature of the reactor is to change the nuclear fuel elements. This is the basis of the particle bed reactor, which is fueled by several (typically spherical) elements that "float" inside the hydrogen working fluid. Spinning the entire engine could prevent the fuel element from being ejected out the nozzle. This design is thought to be capable of increasing the specific impulse to about 1000 seconds (9.8 kN·s/kg) at the cost of increased complexity. Such a design could share design elements with a pebble bed reactor, several of which are currently generating electricity. From 1987 through 1991, the Strategic Defense Initiative (SDI) Office funded Project Timberwind, a non rotating nuclear thermal rocket based on particle bed technology. The project was canceled before testing.

Импульсті ядролық термиялық зымыран

Кәдімгі қатты ядролық конструкцияда жұмыс массасының ең жоғары шығарылатын температурасы реактор температурасына тең, бірақ практикада одан да төмен болады. Бұл температура бөліну реакцияларында бөлінетін жеке нейтрондардың энергиясынан әлдеқайда төмен. Олардың энергиясы реактор массасы бойынша таралып, оны жылулықтандырады. Энергия станцияларының жобаларында ядро әдетте суды пайдалана отырып салқындатылады. Ядролық қозғалтқышта су сутегімен алмастырылады, бірақ басқа жағынан, принцип бірдей. Импульстік реакторлар энергияны нейтрондардан жұмыс массасына тікелей беруге тырысады, бұл шығарылатын температураның реактор ядросының балқу температурасынан әлдеқайда жоғары болуына мүмкіндік береді. Ұсынылатын импульс температураға тура пропорционал, сондықтан релятивистік нейтрондардың энергиясын пайдалану өнімділіктің күрт өсуіне әкеледі. Мұны істеу үшін импульстік реакторлар үнемі тізбекті реакция жасайтын кәдімгі реактордың орнына қысқа импульстер сериясында жұмыс істейді. Реактор әдетте өшіріліп, салқындауға мүмкіндік береді. Содан кейін ол, салқындату жүйесімен немесе отын ағынымен бірге, өте жоғары қуат деңгейінде қосылады. Бұл деңгейде ядро тез қызып, белгілі бір температураға жеткенде реактор тез өшіріледі. Осы импульстер кезінде өндірілетін қуат бірдей өлшемдегі реактордың үнемі өндіретін қуатынан әлдеқайда артық. Бұл тәсілдің кілті – реактор арқылы осы қысқа импульстер кезінде сорғыланатын отынның жалпы мөлшері аз болғанымен, осы импульстердің тиімділігі әлдеқайда жоғары. Әдетте, конструкциялар тек импульстік режимде жұмыс істемейді, бірақ қажеттілікке қарай жұмыс циклін өзгерте алады. Мысалы, ұшудың жоғары итермелі кезеңінде, төмен жер орбитасынан шығу сияқты, қозғалтқыш үнемі жұмыс істей алады және дәстүрлі қатты ядролық конструкцияға ұқсас ұсынылатын импульс бере алады. Бірақ ұзаққа созылған круиз кезінде қозғалтқыш отынды тиімдірек пайдалану үшін импульстік режимге ауысады.

In a conventional solid core design, the maximum exhaust temperature of the working mass is that of the reactor, and in practice, lower than that. That temperature represents an energy far below that of the individual neutrons released by the fission reactions. Their energy is spread out through the reactor mass, causing it to thermalize. In power plant designs, the core is then cooled, typically using water. In the case of a nuclear engine, the water is replaced by hydrogen, but the concept is otherwise similar. Pulsed reactors attempt to transfer the energy directly from the neutrons to the working mass, allowing the exhaust to reach temperatures far beyond the melting point of the reactor core. As specific impulse varies directly with temperature, capturing the energy of the relativistic neutrons allows for a dramatic increase in performance. To do this, pulsed reactors operate in a series of brief pulses rather than the continual chain reaction of a conventional reactor. The reactor is normally off, allowing it to cool. It is then turned on, along with the cooling system or fuel flow, operating at a very high power level. At this level the core rapidly begins to heat up, so once a set temperature is reached, the reactor is quickly turned off again. During these pulses, the power being produced is far greater than the same sized reactor could produce continually. The key to this approach is that while the total amount of fuel that can be pumped through the reactor during these brief pulses is small, the resulting efficiency of these pulses is much higher. Generally, the designs would not be operated solely in the pulsed mode but could vary their duty cycle depending on the need. For instance, during a high thrust phase of flight, like exiting a low earth orbit, the engine could operate continually and provide an Isp similar to that of traditional solid core design. But during a long duration cruise, the engine would switch to pulsed mode to make better use of its fuel.

Сұйық өзек

Сұйық ядролық қозғалтқыштар сұйық фазадағы бөлінетін элементтердің қосылыстарымен отынмен тоқталады. Сұйық ядролы қозғалтқыш қатты ядролық отын мен қаптаманың балқу температурасынан жоғары температурада жұмыс істеуге арналған, ал қозғалтқыштың максималды жұмыс температурасы реакторлық қысым ыдысы мен нейтрондық рефлектор материалымен емес, анықталады. Жоғары жұмыс температуралары 1300-1500 секундқа (12,8-14,8 кНс/кг) жуық импульстік сипаттаманы қамтамасыз етуі күтіледі. Қазіргі технологиямен сұйық ядролық реакторды құру өте қиын. Бір маңызды мәселе – ядролық отынның реакцияға келу уақыты жұмыс сұйықтығының қызу уақытынан әлдеқайда ұзақ. Егер ядролық отын мен жұмыс сұйықтығы физикалық түрде бөлінбесе, отын қозғалтқыш ішінде ұсталып қалуы керек, ал жұмыс сұйықтығы сопло арқылы еркін шығуы тиіс. Мүмкін болатын шешімдердің бірі – жоғары тығыздықтағы отынды сыртқа итеру үшін отын/сұйықтық қоспасын өте жоғары жылдамдықпен айналдыру, бірақ бұл реакторлық қысым ыдысын максималды жұмыс температурасына ұшыратады, сонымен қатар массаны, күрделілікті және қозғалмалы бөліктерді арттырады. Сұйық ядроның тағы бір нұсқасы – ядролық тұзды су ракетасы. Бұл конструкцияда су жұмыс сұйықтығы болып табылады және сонымен қатар нейтрондық тежегіш ретінде де қызмет етеді. Ядролық отын сақталмайды, бұл конструкцияны едәуір жеңілдетеді. Дегенмен, ракета өте радиоактивті қалдықтарды шығарады және оны Жер атмосферасынан тыс жерде ғана, тіпті Жердің магнитосферасынан тыс жерде ғана қауіпсіз пайдалануға болады.

Газдық өзек

Ақырғы бөліну жіктеуі – газды ядролық қозғалтқыш. Бұл сұйық ядролық конструкцияның модификациясы болып табылады, ол сұйықтықтың жоғары жылдамдықта айналуын пайдаланып, реактордың ортасында газ тәрізді уран отынының тороид тәрізді қалтасын жасайды, ал оны сутегі қоршап тұрады. Мұндай жағдайда отын реактор қабырғасына тігізбейді, сондықтан температура бірнеше он мың градусқа дейін жетеді, бұл 3000-нан 5000 секундқа дейін (30-дан 50 кН·с/кг-ға дейін) нақты импульсқа мүмкіндік береді. Бұл негізгі конструкцияда, "ашық циклде" ядролық отынның жоғалуын бақылау қиын, сондықтан "жабық цикл" немесе ядролық шам қозғалтқышын зерттеуге көшті, онда газ тәрізді ядролық отын сутегі ағып тұратын өте жоғары температуралы кварц ыдысында орналасқан. Жабық циклды қозғалтқыш қатты ядролық конструкцияға көбірек ұқсас, бірақ бұл жолы ол отын мен қаптаманың орнына кварцтың шекті температурасымен шектеледі. Ашық циклды конструкцияға қарағанда тиімділігі төмен болғанымен, жабық циклды конструкция шамамен 1500-2000 секунд (15-20 кН·с/кг) нақты импульс береді деп күтілуде.

Кеңес Одағы мен Ресей

Кеңестік RD 0410 Семей ядролық сынақ полигонының жанындағы сынақ алаңында бірқатар сынақтардан өтті. 2018 жылдың қазан айында Ресейдің Келдыш ғылыми-зерттеу орталығы ядролық ғарыш қозғалтқышына арналған қалдық жылу радиаторларының жердегі сынағының сәтті өткенін, сондай-ақ отын таяқшалары мен иондық қозғалтқыштардың бұрынғы сынақтарының нәтижелерін растады.

Америка Құрама Штаттары

Қатты ядролық NTR-ді әзірлеу 1955 жылы Атом энергиясы жөніндегі комиссия (AEC) аясында "Ровер" жобасы ретінде басталып, 1973 жылға дейін жалғасты. 1958 жылы NASA құрылғанда, оған "Ровер" бағдарламасының ядролық емес аспектілеріне қатысты билік берілді. AEC-мен ынтымақтастық орнату және құпия ақпаратты бөліп сақтау мақсатында, Ғарыш ядролық жетегі кеңсесі (SNPO) сол кезде құрылды. 1961 жылғы NERVA бағдарламасы ядролық терморекеттік қозғалтқыштарды ғарыш зерттеуіне енгізуге бағытталған. AEC жүргізген жұмыстар реактордың дизайнын зерттеуге арналған болса, NERVA-ның мақсаты ғарыш миссияларында қолданылатын нақты қозғалтқыш жасау еді. NERVA-ның негізгі конструкциясы KIWI B4 сериясына негізделген. Тестіленген қозғалтқыштарға Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 және Nuclear Furnace кірді. Қуат тығыздығының прогрессивті жоғарылауы Pewee қозғалтқышында аяқталды.

Ұлыбритания

2012 жылдың қаңтарынан бастап «Икар» жобасының қозғалту тобы NTR қозғалтқыш жүйесін қарастырып келді, бірақ 2019 жылдан бері қызметі азайып кетті.

Израиль

1987 жылы Ронен мен Лейбсон 242mAm (америций изотоптарының бірі) ғарыш ядролық реакторларында ядролық отын ретінде қолдану мүмкіндіктері туралы зерттеу жариялады, оның өте жоғары жылулық қимасы мен энергия тығыздығына тоқталды. 242mAm отыны бар ядролық жүйелерге дәстүрлі ядролық отынға қарағанда 2-100 есе аз отын қажет. 1988 жылы Джордж Чаплин Лоренс Ливермор ұлттық зертханасында (LLNL) 242mAm пайдаланатын бөліну реакциялық қозғалтқышты ұсынды, ол бөлінуге қабілетті материалдың бөліну фрагменттерімен қозғалтқыш газын тікелей қыздыруға негізделген күш беруді ұсынды. Ронен және авторлар тобы. 242mAm-ның ядролық отын ретінде қолданылуының себебі – оның ең жоғары жылулық бөліну қимасына ие болуында (мыңдаған барн), бұл көрсеткіш барлық белгілі изотоптардың арасындағы ең жоғары көрсеткіштен шамамен 10 есе артық. 242mAm бөлінуге қабілетті (өйткені оның нейтрондары тақ санда) және 239Pu-мен салыстырылатын төмен критикалық массаға ие. Оның бөлінуге өте жоғары қимасы бар, сондықтан ядролық реакторда салыстырмалы түрде жылдам жойылады. Тағы бір мәліметте 242mAm тіпті жұқа пленка түрінде тізбекті реакцияны сақтай алатыны және оны жаңа типтегі ядролық зымыран үшін пайдалануға болатыны айтылады. 242mAm-ның жылулық сіңіру қимасы өте жоғары болғандықтан, оны алудың ең тиімді жолы – жылдам реакторда сәулеленген америций-241-де жылдам немесе эпитермальды нейтрондарды ұстау болып табылады. Алайда, жылдам спектрлі реакторлар кеңінен қолжетімді емес. Қолданыстағы қысымды су реакторларында (ҚСР) 242mAm-ның өндірілуіне қатысты егжей-тегжейлі талдау жүргізілді. 242mAm-ның таралуға қарсы тұру қабілеті Карлсруэ технология институтының 2008 жылғы зерттеуінде қарастырылған.

Италия

2000 жылы ЦЕРН-дегі Карло Руббия Ронен мен Чаплиннің 242mAm отын ретінде пайдаланатын бөлініс фрагменттері ракетасы жұмысын одан әрі дамытты. Руббианың жобасына негізделген 242 жобасы, 242mAm негізіндегі жұқа пленкалық фиссиондық фрагменттермен қыздырылатын NTR (ядролық терморакеттік қозғалтқыш) тұжырымдамасын зерттеді. Бұл үшін фиссиондық фрагменттердің кинетикалық энергиясын тікелей түрлендіру арқылы қозғалтқыш газдың энталпиясын арттыру көзделіпті. 242 жобасы осы қозғалтқыш жүйенің Марсқа адамды тасымалдау миссиясында қолданылу мүмкіндігін зерттеді. Алдын ала нәтижелер өте жақсы болды және мұндай сипаттамалары бар қозғалтқыш жүйесі миссияны іске асыруға мүмкіндік беретіні анықталды. Тағы бір зерттеу 242mAm-нің дәстүрлі термоядролық реакторларда өндірілуіне қатысты болды.

АҚШ-тағы қазіргі зерттеулер 2000 жылдан бері

Қазіргі кездегі қатты ядролық термиялық зымырандардың жобалары апатты жағдайда радиоактивті отын элементтерінің таралуын және ыдырауын едәуір шектеуге бағытталған. 2013 жылдан бастап Маршалл ғарыш орталығында, Гленн зерттеу орталығымен бірлесіп, Жер орбитасынан Марс орбитасына қатынайтын планетааралық сапарлар үшін NTR зерттелуде. Тарихи жердегі сынақтар көрсеткендей, NTR ең жетілген химиялық қозғалтқыштардан кем дегенде екі есе тиімдірек, бұл жылдамдатылған тасымалдау уақытын және арттырылған жүк көлемін қамтамасыз етеді. Химиялық қозғалтқыштармен 6-9 айға дейін созылатын ұшу ұзақтығы, NTR қозғалтқыштарымен 3-4 айға дейін қысқартылуы мүмкін, бұл экипаждың зиянды және қорғанышуы қиын ғарыш сәулелеріне ұшырауын азайтады. Pewee (Project Rover) сияқты NTR қозғалтқыштары Марс дизайнының анықтамалық архитектурасында (DRA) таңдалды. 2017 жылы NASA NTR-ді зерттеу және дамыту жұмыстарын жалғастырды, азаматтық бекітілген материалдарды қолдана отырып, ғарышқа арналған жобаларды жасады, үш жылдық 18,8 миллион АҚШ доллары көлемінде келісімшартқа қол қойылды. 2019 жылы АҚШ Конгресі қабылдаған қаржыландыру туралы заңға 125 миллион АҚШ доллары қарастырылды. 2021 жылға қарай АҚШ Ғарыш күштері мен DARPA орбиталық және ай орбитасында қолдану үшін ядролық термиялық зымырандарға үлкен қызығушылық танытты. АҚШ әскери күштерімен қатар, NASA әкімшісі Джим Бриденстайн да жобаға қызығушылық білдіріп, оны болашақта Марсқа миссия ұйымдастыруда қолдану мүмкіндігін атап өтті. DARPA өздерінің Агильді цислундық операциялар үшін демонстрациялық зымыран (DRACO) бағдарламасы бойынша 2 келісімшарт жасады, мақсаты – орбитада ядролық термиялық итермелеу жүйесін көрсету: 2020 жылдың қыркүйегінде Gryphon Technologies компаниясына 14 миллион АҚШ доллары көлемінде бірінші келісімшарт берілді. Blue Origin және Lockheed Martin компанияларының екі концептуалды ғарыш кемесі дизайны таңдалды. 2026 қаржы жылында ядролық термиялық итермелеуді ұшу арқылы демонстрациялауға қатысты ұсыныстар 2022 жылдың 5 тамызында қабылдауға тиіс болды. 2023 жылдың қаңтарында NASA және DARPA NASA-ның Марсқа экипаждық миссияларын жүзеге асыруға мүмкіндік беретін ғарышта NTR қозғалтқышын демонстрациялау мақсатында DRACO серіктестігін жариялады. 2023 жылдың шілдесінде АҚШ агенттіктері Lockheed Martin компаниясына тәжірибелік ядролық термиялық реакторлық көлік құралын (X NTRV) және оның қозғалтқышын құрастыруға 499 миллион долларлық келісімшарт берілгенін хабарлады.

Current solid core nuclear thermal rocket designs are intended to greatly limit the dispersion and break up of radioactive fuel elements in the event of a catastrophic failure. As of 2013, an NTR for interplanetary travel from Earth orbit to Mars orbit is being studied at Marshall Space Flight Center with Glenn Research Center. In historical ground testing, NTRs proved to be at least twice as efficient as the most advanced chemical engines, which would allow for quicker transfer time and increased cargo capacity. The shorter flight duration, estimated at 3–4 months with NTR engines, compared to 6–9 months using chemical engines, would reduce crew exposure to potentially harmful and difficult to shield cosmic rays. NTR engines, such as the Pewee of Project Rover, were selected in the Mars Design Reference Architecture (DRA). In 2017, NASA continued research and development on NTRs, designing for space applications with civilian approved materials, with a three year, US$18.8 million contract. In 2019, an appropriation bill passed by the U. S. Congress included US$125 million

As of 2021, there has been much interest in nuclear thermal rockets by the United States Space Force and DARPA for orbital and cis lunar uses. In addition to the U. S. military, NASA administrator Jim Bridenstine has also expressed interest in the project and its potential applications for a future mission to Mars. DARPA has awarded 2 contracts for their Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) program, which aims to demonstrate a nuclear thermal propulsion system in orbit: one award in September 2020 to Gryphon Technologies for US$14 million, Two conceptual spacecraft designs by Blue Origin and Lockheed Martin were selected. Proposals for a flight demonstration of nuclear thermal propulsion in FY2026 were due on August 5, 2022. In January 2023, NASA and DARPA announced a partnership on DRACO to demonstrate an NTR engine in space, an enabling capability for NASA crewed missions to Mars. In July 2023, U. S. agencies announced that Lockheed Martin had been awarded a $499 million contract to assemble the experimental nuclear thermal reactor vehicle (X NTRV) and its engine.

Қауіптері

Атмосфералық немесе орбиталық ракетаның істен шығуы радиоактивті материалдың қоршаған ортаға таралуына әкелуі мүмкін. Орбиталық қиындықтармен соқтығысу, бақылаусыз тілсізденуден туындаған материалдың бұзылуы, материалдың ақаулары немесе тозуы, немесе адам жасаған құрылыс қателіктері бөлінетін материалдың қорғанысын бұзуы мүмкін. Ұшу кезіндегі мұндай катастрофалық ақаулық радиоактивті материалды Жер бетіне кең және болжауға қиын аймаққа таратуы мүмкін. Ластану мөлшері ядролық термиялық ракета қозғалтқышының мөлшеріне байланысты болады, ал ластану аймағы мен оның концентрациясы қайта кіру кезіндегі ауа райы мен орбиталық параметрлерге байланысты болады. Реактордың отын элементтерінің кең аумаққа тарауы ықтимал емес, өйткені олар көміртек композиттері немесе карбидтер сияқты материалдардан жасалған және әдетте цирконий гидридімен қапталған. Критикалық деңгейге жеткенше, қатты ядролық NTR отыны аса қауіпті емес. Реактор алғаш рет іске қосылғаннан кейін, өте радиоактивті, қысқа өмір сүретін бөліну өнімдері, сондай-ақ аз радиоактивті, бірақ өте ұзақ өмір сүретін бөліну өнімдері пайда болады. Жаңа отынмен іске қосылғанда бөліну өнімдерінің мөлшері нөлге тең, ал жаңа отынмен іске қосылғаннан бері пайда болған бөліну жылуының жалпы мөлшеріне пропорционал (нақтырақ айтқанда, оған шектеледі). Сонымен қатар, барлық қозғалтқыш құрылымдары тікелей нейтрондық сәулеленуге ұшырайды, нәтижесінде олар радиоактивтеніп, сәулеленуге ие болады.