In un razzo termico nucleare un fluido di lavoro, di solito idrogeno liquido, viene riscaldato ad alta temperatura in un reattore nucleare e fatto espandere attraverso un ugello per generare la spinta. L'energia del reattore prodotta dalla fissione nucleare sostituisce quella generata dalle reazioni chimiche di un razzo a propulsione chimica.
L'alta densità energetica del combustibile nucleare rispetto a quelli chimici permette una efficienza del propellente (misurata dalla velocità equivalente di efflusso) almeno doppia rispetto a quella dei propellenti chimici.
A parità di spinta, la massa di un razzo nucleare è circa la metà di un razzo convenzionale. Qualora venisse usato come stadio successivo al primo, permetterebbe di mandare in orbita un carico doppio o triplo rispetto agli stadi che sfruttano propellenti chimici.
Generalità
Per un certo periodo si era pensato di usare un razzo a propulsione nucleare come sostituto del motore J-2, utilizzato nel secondo stadio del Saturn V, per missioni in cui erano richieste alte prestazioni, tipicamente missioni su Marte o con grandi carichi. "Rimorchiatori" nucleari erano stati progettati come parte del programma Space Shuttle, in grado di trasferire carichi da un deposito di combustibile in orbita bassa verso orbite alte, la Luna e altri pianeti. Robert W. Bussard propose il vettore monostadio "Aspen", che usava un razzo nucleare per la propulsione e idrogeno liquido come schermo parziale alla radiazione diffusa dei neutroni nella parte bassa dell'atmosferaDewar, James and Bussard, Robert, "The Nuclear Rocket: Making Our Planet Green, Peaceful and Prosperous", Apogee Books, Burlington, Ontario, Canada, 2009.. Anche l'Unione Sovietica studiò motori nucleari per le sue missioni sulla Luna, in particolare per gli ultimi stadi dell'N1, sebbene il programma non avesse mai iniziato una fase di test avanzati come quelli condotti dagli Stati Uniti negli anni 1960 in Nevada. Nonostante diverse prove effettuate al suolo con successo, nessun razzo nucleare venne mai lanciato dagli Stati Uniti prima che la corsa allo spazio finisse.
A oggi, nessun razzo a propulsione nucleare ha mai volato, sebbene i NERVA NRX/EST e NRX/XE fossero stati costruiti e provati al suolo in configurazione di volo. Il Progetto Rover venne portato avanti dagli USA tra il 1955 e il 1972 e accumulò, con successo, oltre diciassette ore di funzionamento. Il NERVA NRX/XE, considerato dalla Space Nuclear Propulsion Office (SNPO) l'ultimo sviluppo tecnologico necessario prima di procedere alla successiva fase di test in volo, accumulò due ore di funzionamento, inclusi ventotto minuti alla massima potenzaDewar, James. "To The End Of The Solar System: The Story Of The Nuclear Rocket", Apogee, 2003..
Il razzo termico nucleare russo RD-0410 è stato provato nel poligono nucleare di Semipalatinsk e il suo impiego era stato previsto per la proposta missione Kurchatov Mars 1994 con equipaggio umano.
Modelli di razzi termici nucleari Un razzo termico nucleare può essere classificato secondo il principio di costruzione del suo reattore che può andare da una semplice struttura solida fino a un più complesso (ed efficiente) reattore a gas.
Nucleo solido Il modello più semplice si basa su un reattore nucleare convenzionale che, lavorando ad alte temperature, riscalda il fluido di lavoro che scorre nel nocciolo.
Questo tipo di reattore è limitato dal punto di fusione dei materiali che costituiscono la struttura interna. Dal momento che l'efficienza di un endoreattore è proporzionale alla radice quadrata della temperatura del fluido di lavoro, il nocciolo deve essere progettato per resistere alla temperatura più elevata possibile. Le reazioni nucleari, però, sono in grado di generare temperature molto superiori a quelle di fusione dei materiali che costituiscono il reattore, ed è quindi chiaro che l'efficienza termica deve essere sacrificata per non distruggere il reattore.
Un altro limite ancor più stringente è la frattura del combustibile nucleare a causa dell'elevata escursione termica (da 22 K a 3 000 K su una barra di combustibile di 1,3) e della necessità di combinare i vari coefficienti di dilatazione termica dei vari componenti.
Usando idrogeno come propellente, un reattore a nucleo solido è in grado di generare un impulso specifico (Isp) tra 850 e 1 000 secondi, circa il doppio di un endoreattore chimico a propellente liquido come quello installato sullo Space Shuttle.
Sono stati proposti anche altri tipi di propellente: ammoniaca, acqua o ossigeno liquido. Anche se forniscono una velocità di efflusso minore dell'idrogeno, la loro disponibilità e il costo inferiore riducono notevolmente il costo di missioni in cui non è necessario raggiungere velocità troppo elevate, tipicamente voli per la Luna o tra l'orbita terrestre e quella marziana.
Immediatamente dopo la seconda guerra mondiale, il peso di un reattore nucleare completo era così grande che si dubitava di poter raggiungere un rapporto spinta-peso di 1:1Alvarez, Luis, "There Is No Obvious Or Simple Way To Use Atomic Energy For Space Ships", U.S. Air Services, January 1947, pp. 9-12. necessario a vincere la forza di gravità terrestre per il lancio. Nei 25 anni seguenti, grazie all'evoluzione tecnologica nel campo nucleare, il rapporto spinta-peso è lievitato a circa 7:1, comunque sempre inferiore ai 70:1 degli endoreattori chimici. Il basso rapporto spinta-peso unito alla necessità di grandi serbatoi per l'idrogeno, rendono questi motori utili per gli stadi superiori di un lanciatore, quando la velocità di volo è già quasi orbitale, come "rimorchiatore" spaziale interplanetario, o come lanciatore da pianeti (o lune) con bassa forza di gravità dove la spinta necessaria al decollo è minore. Per essere utilizzabile come lanciatore dalla Terra, infatti, un razzo termico nucleare dovrebbe essere più leggero o fornire un impulso specifico maggiore. Il suo uso rimane quindi rivolto all'esplorazione spaziale, fuori dall'atmosfera terrestre.
Un modo per aumentare la temperatura, e di conseguenza l'impulso specifico, consiste nell'isolare gli elementi di combustibile in modo che non debbano più garantire la rigidità. In un reattore a "letto di particelle", il combustibile (UC-ZrC), sotto forma di piccole particelle (con diametri da 100 a 500 µm), è trattenuto dalla forza centrifuga in una struttura rotante cilindrica costituita da un materiale poroso. L'idrogeno, dopo aver raffreddato l'ugello e il riflettore, attraversa radialmente il cilindro verso l'interno. Facendo ruotare il reattore, il combustibile nucleare si dispone lungo le pareti raffreddate dall'idrogeno. Questo disegno permette, al costo di una maggiore complessità, di ottenere impulsi specifici sui 1 000 secondi con rapporti spinta-peso 1:1Proceeding of a Symposium on Advanced Compact Reactor Systems -15-17 Nov. 1982.. Anche il reattore nucleare modulare pebble bed (utilizzato oggi come generatore elettrico) condivide alcune soluzioni tecnologiche con questo progetto.
Nucleo liquido Un notevole aumento delle prestazioni è teoricamente possibile miscelando il combustibile nucleare con il fluido di lavoro e permettendo che le reazioni abbiano luogo nella miscela liquida stessa. Questo è il concetto di base dei motori a nucleo liquido, che possono operare a temperature più elevate, oltre il punto di fusione del combustibile nucleare.
In questo modo la temperatura massima è data da quella massima sopportabile dal contenitore (in genere un materiale che riflette i neutroni) raffreddato attivamente dall'idrogeno. Si stima che con questo tipo di reattore si possano raggiungere impulsi specifici compresi tra 1 300 e 1 500 secondi.
Al momento questi motori sono considerati estremamente difficili da costruire. Il tempo di reazione del combustibile nucleare è molto maggiore del tempo di riscaldamento del fluido di lavoro ed è necessario un metodo per trattenere il combustibile nel motore mentre il fluido di lavoro esce dall'ugello. Diversi motori a fase liquida si basano sulla rotazione ad alta velocità della miscela combustibile/fluido, centrifugando il combustibile verso l'esterno (l'uranio è più pesante dell'idrogeno). Per molti aspetti è simile al disegno di un motore a letto di particelle, ma opera a temperature più elevate.
Un altro modello di nucleo liquido, il reattore nucleare ad acqua salata, è stato studiato da Robert Zubrin. In questo caso il fluido di lavoro è acqua che, tra l'altro, funziona anche come moderatore di neutroni. Il combustibile nucleare non è trattenuto all'interno del motore e se da un lato semplifica la costruzione, dall'altro rilascia una gran quantità di residui radioattivi e può quindi essere utilizzato solo al di fuori dell'atmosfera o, meglio, al di fuori della magnetosfera terrestre.
Nucleo gassoso Questo reattore può essere visto come un reattore a nucleo liquido in cui una rapida circolazione del fluido crea, al centro del reattore, una sacca toroidale di uranio allo stato di plasma circondata da idrogeno. In questo modo il combustibile non tocca le pareti del reattore e le temperature sono libere di salire anche a diverse decine di migliaia di gradi, con impulsi specifici compresi tra 3 000 e 5 000 secondi. In questo schema base (a "ciclo aperto"), la perdita di combustibile nucleare sarebbe difficile da controllare. Una possibile variante a "ciclo chiuso" prevede il contenimento del combustibile nucleare gassoso ad altissime temperature in un contenitore di quarzo attorno al quale scorre l'idrogeno. Il ciclo chiuso sarebbe più simile a un reattore a nucleo solido, ma questa volta la temperatura limitante è data dalla temperatura critica del quarzo invece di quella delle barre di combustibile. Sebbene sia meno efficiente del ciclo aperto, il ciclo chiuso potrebbe comunque essere in grado di generare impulsi specifici compresi tra 1 500 e 2 000 secondi.
Programmi di sviluppo
Sebbene siano stati studiati tutti questi modelli di reattori, in realtà sono stati costruiti solo motori a nucleo solido. Il loro sviluppo iniziò nel 1955 sotto l'egida della Atomic Energy Commission degli Stati Uniti con il Project Rover presso i laboratori di ricerca di Los Alamos e nell'Area 25 nel Nevada Test Site. I quattro progetti principali furono: KIWI, Phoebus, Pewee e la Nuclear Furnace. In tutto furono provati venti razzi.
Quando nel 1958 venne fondata la NASA, le fu affidata il controllo su tutti gli aspetti non nucleari del programma Rover. Per far cooperare la NASA con la AEC venne creata l'agenzia Space Nuclear Propulsion Office.
Nel 1961 venne lanciato il programma NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications). Nel Marshall Space Flight Center si sviluppava il KIWI come studio di missione, mentre il NERVA era stato usato per formalizzare l'ingresso della tecnologia nucleare nell'esplorazione spaziale. A differenza del lavoro della AEC (che era finalizzato allo studio del reattore in sé), lo scopo del NERVA era di costruire un motore reale che potesse essere usato nell'esplorazione spaziale. Con 75 000 lbf (334 kN) di spintaRobbins, W.H. and Finger, H.B., "An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program", NASA Lewis Research Center, July 1991., il NERVA (basato sul KIWI B4) era stato preso in considerazione per un certo periodo come stadio superiore del Saturn V al posto del J-2 che invece volò effettivamente.