miniatura|Esbós d'un coet tèrmic nuclear de fissió de nucli sòlid amb turbobomba de connexió Un coet tèrmic nuclear (NTR) és un tipus de coet tèrmic on la calor d'una reacció nuclear substitueix l'energia química dels propulsors en un coet químic. En un NTR, un fluid de treball, generalment hidrogen líquid, s'escalfa a una temperatura elevada en un reactor nuclear i després s'expandeix a través d'una broqueta de coet per crear empenyiment. La font de calor nuclear externa permet teòricament una velocitat d'escapament efectiva més alta i s'espera que dupliqui o tripliqui la capacitat de càrrega útil en comparació amb els propulsors químics que emmagatzemen energia internament. miniatura|1 de desembre de 1967: El primer muntatge de motor de coet nuclear experimental terrestre (XE) es mostra aquí en configuració de "flux fred", mentre arriba a última hora del vespre al banc de proves de motors núm. 1 a Jackass Flats, Nevada. El motor es troba al fons esquerre amb una estructura de blindatge al mig/primer pla. Els NTR s'han proposat com a tecnologia de propulsió de naus espacials, i les primeres proves terrestres es van dur a terme el 1955. Els Estats Units van mantenir un programa de desenvolupament de NTR fins al 1973, quan es va tancar per diverses raons, inclosa la de centrar-se en el desenvolupament del transbordador espacial. Tot i que s'han construït i provat més de deu reactors de potència variable, , cap coet tèrmic nuclear ha volat.
Mentre que totes les primeres aplicacions per a la propulsió de coets tèrmics nuclears utilitzaven processos de fissió, la recerca de la dècada del 2010 s'ha traslladat a enfocaments de fusió. El projecte Direct Fusion Drive al Laboratori de Física del Plasma de Princeton n'és un exemple, tot i que "la fusió amb energia positiva ha continuat sent difícil d'aconseguir". El 2019, el Congrés dels Estats Units va aprovar 125 milions de dòlars en finançament per al desenvolupament de coets de propulsió tèrmica nuclear.
El maig de 2022, DARPA va publicar una sol·licitud de propostes per a la següent fase del seu programa de motor tèrmic nuclear de coets de demostració per a operacions cislunars àgils (DRACO). Això segueix la seva selecció, el 2021, d'un disseny inicial de motor per General Atomics i dos conceptes de nau espacial de Blue Origin i Lockheed Martin. Les següents fases del programa se centrarien en el disseny, desenvolupament, fabricació i muntatge d'un motor de coet tèrmic nuclear.DARPA moving forward with development of nuclear powered spacecraft. DARPA News, 4 May 2022. URL: https://www.darpa.mil/news-events/2022-05-04 El juliol de 2023, Lockheed Martin va obtenir el contracte per construir la nau espacial i BWX Technologies (BWXT) hauria desenvolupat el reactor nuclear. S'esperava un llançament el 2027,DARPA Kicks Off Design, Fabrication for DRACO Experimental NTR Vehicle. DARPA News, 26 July 2023. URL: https://www.darpa.mil/news-events/2023-07-26 però es va suspendre indefinidament a causa dels requisits de prova del reactor nuclear, agreujats posteriorment per les retallades proposades en el pressupost de l'exercici 2026 per la segona administració Donald Trump abans de ser cancel·lat.
El juny de 2025, l'Agència Espacial Europea va proposar el seu propi motor NTP, anomenat Alumni. Al mateix temps, una altra forma de propulsió tèrmica nuclear, anomenada coet tèrmic nuclear centrífug, utilitza urani líquid com a combustible.
Principi de funcionament Els coets tèrmics de propulsió nuclear són més eficaços que els coets tèrmics químics, principalment perquè poden utilitzar propel·lents de baixa massa molecular com l'hidrogen.
Com a coets tèrmics, els coets nuclears tèrmics funcionen gairebé exactament com els coets químics: una font de calor allibera energia tèrmica en un propel·lent gasós dins del cos del motor, i una broqueta en un extrem actua com un motor tèrmic molt simple: permet que el propel·lent s'expandeixi lluny del vehicle, transportant l'impuls i convertint l'energia tèrmica en energia cinètica coherent. L'impuls específic (Isp) del motor està establert per la velocitat del corrent d'escapament. Això, al seu torn, varia com l'arrel quadrada de l'energia cinètica carregada a cada unitat de massa de propel·lent. L'energia cinètica per molècula de propel·lent està determinada per la temperatura de la font de calor (ja sigui un reactor nuclear o una reacció química). A qualsevol temperatura particular, les molècules de propel·lent lleugeres porten tanta energia cinètica com les molècules de propel·lent més pesades i, per tant, tenen més energia cinètica per unitat de massa. Això fa que els propel·lents de baixa massa molecular siguin més eficaços que els propel·lents d'alta massa molecular.
Com que els coets químics i els coets nuclears estan fets de materials sòlids refractaris, tots dos estan limitats a funcionar per sota , per les característiques de resistència dels metalls d'alta temperatura. Els coets químics utilitzen el propel·lent més fàcilment disponible, que són productes residuals de les reaccions químiques que produeixen la seva energia calorífica. La majoria dels coets químics de combustible líquid utilitzen la combustió d'hidrogen o hidrocarburs, i per tant el propel·lent és principalment aigua (massa molecular 18) i diòxid de carboni (massa molecular 44). Els coets tèrmics nuclears que utilitzen propel·lent d'hidrogen gasós (massa molecular 2) tenen, per tant, un impuls específic màxim teòric que és de 3 a 4,5 vegades més gran que el dels coets químics.
Història primerenca El 1944, Stanisław Ulam i Frederic de Hoffmann van contemplar la idea de controlar la potència de les explosions nuclears per llançar vehicles espacials. Després de la Segona Guerra Mundial, l'exèrcit dels Estats Units va iniciar el desenvolupament de míssils balístics intercontinentals (ICBM) basats en els dissenys de coets V-2 alemanys. Alguns coets grans van ser dissenyats per transportar ogives nuclears amb motors de propulsió nuclear. Ja el 1946, es van preparar informes secrets per a la Força Aèria dels Estats Units, com a part del projecte NEPA, pel Projecte Rand de North American Aviation i Douglas Aircraft Company. Aquests informes innovadors van identificar un motor de reactor en què s'escalfa un fluid de treball de baix pes molecular mitjançant un reactor nuclear com la forma més prometedora de propulsió nuclear, però van identificar molts problemes tècnics que calia resoldre.H. P. Yockey, T. F. Dixon (1 July 1946), "A Preliminary study on the Use of Nuclear Power in Rocket Missiles", Report NA-46-574R. Gomog (3 August 1946), "Rocket Computations", Report NEPA-508 L. A. Oblinger (13 August 1946), "Pilot Plant for Nuclear Powered Aircraft", Report NEEA-505L. A. Ohlinger (21 November 1946) "Controls for Nuclear Powered Aircraft", Report NEPA-511 Feasibility of Nuclear Powered Rockets and Ramjets, Report NA 47-15, February 1947"Nuclear-Powered Flight", LEXP-1, 30 September 1948
Desenvolupament inicial del motor de la NASA A través del Projecte Rover, el Laboratori Nacional de Los Alamos va començar a desenvolupar motors tèrmics nuclears ja el 1955 i va provar el primer motor de coet nuclear experimental del món, KIWI-A, el 1959. Aquest treball a Los Alamos va continuar a través del programa NERVA de la NASA (1961–1973). NERVA va aconseguir molts èxits i va millorar els primers prototips per crear motors potents que eren diverses vegades més eficients que els seus homòlegs químics. Tanmateix, el programa es va cancel·lar el 1973 a causa de restriccions pressupostàries. Fins ara, no s'ha implementat mai cap sistema de propulsió tèrmica nuclear a l'espai.
Tipus de combustible nuclear Un coet tèrmic nuclear es pot classificar segons el tipus de reactor, des d'un reactor sòlid relativament simple fins al reactor amb nucli de gas, molt més difícil de construir però teòricament més eficient. Com passa amb tots els dissenys de coets tèrmics, l'impuls específic produït és proporcional a l'arrel quadrada de la temperatura a la qual s'escalfa el fluid de treball (massa de reacció). Per obtenir la màxima eficiència, la temperatura ha de ser tan alta com sigui possible. Per a un disseny determinat, la temperatura que es pot assolir normalment ve determinada pels materials escollits per a les estructures del reactor, el combustible nuclear i el revestiment del combustible. L'erosió també és una preocupació, especialment la pèrdua de combustible i les emissions de radioactivitat associades.
Nucli sòlid miniatura|Un disseny de nucli sòlid de NERVA Els reactors nuclears de nucli sòlid s'han alimentat amb compostos d'urani que existeixen en fase sòlida en les condicions trobades i experimenten fissió nuclear per alliberar energia. Els reactors de vol han de ser lleugers i capaços de tolerar temperatures extremadament altes, ja que l'únic refrigerant disponible és el fluid de treball/propulsor. Un motor nuclear de nucli sòlid és el disseny més senzill de construir i és el concepte utilitzat en tots els NTR provats.Solid Core NTR Beyond Nerva. Retrieved 4 May 2022
Coet tèrmic nuclear pulsat miniatura|Concepte de cel·la unitària de coet tèrmic nuclear pulsat per a l'amplificació d'I sp. En aquesta cel·la, el propel·lent d'hidrogen s'escalfa mitjançant els polsos intensos de neutrons continus als canals de propel·lent. Al mateix temps, l'energia no desitjada dels fragments de fissió s'elimina mitjançant un canal de refrigeració solitari amb liti o un altre metall líquid. En un disseny convencional de nucli sòlid, la temperatura màxima d'escapament de la massa de treball és la del reactor, i a la pràctica, inferior. Aquesta temperatura representa una energia molt inferior a la dels neutrons individuals alliberats per les reaccions de fissió. La seva energia es distribueix per la massa del reactor, fent que es termalitzi. En els dissenys de centrals elèctriques, el nucli es refreda, normalment amb aigua. En el cas d'un motor nuclear, l'aigua se substitueix per hidrogen, però el concepte és similar.
Nucli líquid Els motors nuclears de nucli líquid s'alimenten amb compostos d'elements fissionables en fase líquida. Es proposa un motor de nucli líquid per funcionar a temperatures superiors al punt de fusió del combustible nuclear sòlid i el revestiment, amb la temperatura màxima de funcionament del motor en lloc de ser determinada pel recipient de pressió del reactor i el material reflector de neutrons. S'espera que les temperatures de funcionament més altes proporcionin un rendiment d'impuls específic de l'ordre de 1300 a 1500 segons (12,8-14,8 kN·s/kg).
Nucli de gas miniatura|Diagrama d'un motor de coet de cicle tancat amb nucli de gas nuclear, "bombeta" nuclear La classificació final de la fissió és el motor de nucli de gas. Aquesta és una modificació del disseny de nucli líquid que utilitza la circulació ràpida del fluid per crear una bossa toroïdal de combustible d'urani gasós al mig del reactor, envoltada d'hidrogen. En aquest cas, el combustible no toca la paret del reactor en absolut, de manera que les temperatures podrien arribar a diverses desenes de milers de graus, cosa que permetria impulsos específics de 3000 a 5000 segons (30 a 50 kN·s/kg). En aquest disseny bàsic, el "cicle obert", les pèrdues de combustible nuclear serien difícils de controlar, cosa que ha portat a estudis del "cicle tancat" o motor de bombeta nuclear, on el combustible nuclear gasós està contingut en un recipient de quars a temperatura súper alta, sobre el qual flueix l'hidrogen. El motor de cicle tancat té molt més en comú amb el disseny de nucli sòlid, però aquest temps està limitat per la temperatura crítica del quars en lloc del combustible i el revestiment. Tot i que és menys eficient que el disseny de cicle obert, s'espera que el disseny de cicle tancat proporcioni un impuls específic d'uns 1500 a 2000 segons (15 a 20 kN·s/kg). miniatura|Diagrama d'un motor de coet de cicle obert amb nucli de gas nuclear
Referències