核熱ロケット

核熱ロケット （ NTR ）は、多くの場合核分裂である核反応からの熱が化学ロケットの推進剤の化学エネルギーに置き換わるタイプの熱ロケットです。 NTRでは、通常は液体水素である作動流体が原子炉内で高温に加熱され、その後ロケットノズルを介して膨張して推力を生成します。外部の核熱源は理論的にはより高い実効排気速度を可能にし、エネルギーを内部に貯蔵する化学推進剤と比較してペイロード容量を2倍または3倍にすることが期待されています。

NTRは宇宙船の推進技術として提案されており、1955年に初期の地上試験が行われました。米国は、1973年までNTR開発プログラムを維持し、スペースシャトルの開発に専念しました。さまざまな出力の10を超える原子炉が建設され、テストされていますが、2019年現在、核熱ロケットは飛行していません。

飛行した宇宙用途の原子力には、核分裂電気SNAP-10AおよびTOPAZシリーズの衛星と放射性同位体熱電発電機が含まれます。

核熱ロケット推進の初期のアプリケーションはすべて核分裂プロセスを使用していましたが、2010年代の研究は核融合アプローチに移行しました。 Princeton Plasma Physics LaboratoryのDirect Fusion Driveプロジェクトはその一例です。 2019年、米国議会は、核熱推進ロケットの開発資金として1億2500万米ドルを承認しました。

核燃料の種類

核熱ロケットは、比較的単純な固体原子炉から、構築するのがはるかに難しいが理論的には効率的なガスコア原子炉まで、原子炉の種類によって分類できます。すべてのサーマルロケットの設計と同様に、生成される特定のインパルスは、作動流体（反応質量）が加熱される温度の平方根に比例します。最大の効率を引き出すには、温度を可能な限り高くする必要があります。所定の設計に対して、達成できる温度は通常、原子炉構造、核燃料、および燃料被覆材に選択された材料によって決まります。侵食も懸念事項であり、特に燃料の損失とそれに伴う放射能の放出が懸念されます。

ソリッドコア

固体コア原子炉は、遭遇する条件下で固相に存在し、核分裂を受けてエネルギーを放出するウランの化合物によって燃料供給されてきました。利用可能な唯一の冷却剤は作動流体/推進剤であるため、飛行反応器は軽量で、非常に高い温度に耐えることができなければなりません。核ソリッドコアエンジンは、構築が最も簡単な設計であり、テスト済みのすべてのNTRで使用される概念です。

固体炉の性能は、最終的に、核燃料および原子炉圧力容器で使用される材料の融点などの材料特性によって制限されます。核反応は、ほとんどの材料が通常耐えることができる温度よりもはるかに高い温度を生成する可能性があります。つまり、原子炉の可能性の多くは実現できません。さらに、推進剤によって冷却が行われるため、原子炉の停止後に残っているすべての崩壊熱のみが空間に放射される必要があります。これは、燃料棒を極端な温度ストレスにさらす遅いプロセスです。運転中、燃料棒の表面の温度は、22 Kの推進剤から排気端の3000 Kまでの範囲です。燃料棒の1.3 mの長さにわたって行われ、これは、膨張係数が原子炉のすべてのコンポーネントで正確に一致しない場合、被覆の亀裂を引き起こすことは確実です。

水素を推進剤として使用すると、固体コア設計は通常、850〜1000秒程度の特定のインパルス（Isp）を提供します。これは、スペースシャトルのメインエンジンなどの液体水素酸素設計の約2倍です。アンモニア、水、LOXなどの他の推進剤も提案されていますが、これらの推進剤は、わずかに削減された燃料コストで排気速度と性能を低下させます。水素に有利なもう1つの特徴は、低圧では約1500 Kで、高圧では約3000 Kで解離し始めることです。これにより、排気種の質量が低下し、Ispが増加します。

初期の出版物は、原子力エンジンの宇宙への応用を疑っていました。 1947年、完全な原子炉は非常に重く、ソリッドコア原子力熱エンジンは、打ち上げ時の地球の重力に打ち勝つために必要な推力と重量の比を1：1に完全に達成することができませんでした。次の25年間で、米国の核熱ロケットの設計は最終的に推力と重量の比が約7：1に達しました。これは、推力対重量比が約70：1の化学ロケットで達成可能な推力対重量比よりもはるかに低いです。液体水素貯蔵に必要な大型タンクと組み合わせると、これは固体コア核熱エンジンが地球の重力圏外の軌道での使用に最適であることを意味し、言うまでもなく、大気の使用に起因する放射能汚染の回避を意味します。

ウィキメディアコモンズには、 パーティクルベッドリアクターに関連するメディアがあります。

原子炉の動作温度を上げる1つの方法は、核燃料要素を変更することです。これが粒子床反応器の基礎であり、水素作動流体内に「浮かぶ」多くの（通常は球形の）要素によって燃料が供給されます。エンジン全体を回転させると、燃料要素がノズルから噴出するのを防ぐことができます。この設計は、複雑さを増す代わりに、比インパルスを約1000秒（9.8 kN・s / kg）に増やすことができると考えられています。このような設計では、設計要素を小石床リアクターと共有できますが、そのいくつかは現在発電しています。 1987年から1991年まで、SDIオフィスは、粒子床技術に基づく非回転式核熱ロケットであるProject Timberwindに資金を提供しました。プロジェクトはテスト前にキャンセルされました。

パルス核熱ロケット

パルス核熱ロケット（推力に核爆発を使用する宇宙船推進の仮想手法である核パルス推進と混同しないでください）は、推力および特定のインパルス（ I sp）増幅用の固体核熱ロケットの一種です。この概念では、従来の固体核分裂NTRは、TRIGA原子炉のように、定常モードでもパルスモードでも動作できます。推進剤のチャンバー内での滞留時間が短いため、エネルギーの重要な増幅は核心をパルス化することで達成でき、推進剤の質量流量を増やすことで推力を増やすことができます。ただし、最も興味深い機能は、非常に高い推進剤温度（燃料よりも高い）を取得し、排気速度を大きく増幅できることです。これは、従来の固定固体NTRとは対照的に、推進剤が、運動エネルギーとして燃料から推進剤に直接輸送される脈動からの強い中性子束によって加熱されるためです。炉心をパルス化することにより、燃料よりも高温の推進薬を得ることができます。ただし、従来の核熱ロケット（液体およびガス核ロケットを含む）と明確に対照的に、核分裂娘核種の崩壊による熱エネルギーは望ましくありません。

非常に高い瞬間的な推進薬の温度は、固体核コアをパルス化することによって仮定的に達成できますが、パルス化後の急速な放射冷却によってのみ制限されます。

リキッドコア

液体コア原子力エンジンは、液相の核分裂性元素の化合物によって燃料を供給されます。液体核エンジンは、固体核燃料と被覆管の融点を超える温度で動作するように提案されており、エンジンの最大動作温度は原子炉圧力容器と中性子反射材によって決定されます。より高い動作温度では、1300〜1500秒（12.8〜14.8 kN・s / kg）程度の特定の衝撃性能が得られると予想されます。

現在の技術では、液体コア反応器を構築するのは非常に困難です。 1つの大きな問題は、核燃料の反応時間が作動流体の加熱時間よりもはるかに長いことです。核燃料と作動流体が物理的に分離されていない場合、これは、作動流体をノズルから簡単に排出できるようにしながら、燃料をエンジン内に閉じ込めなければならないことを意味します。考えられる解決策の1つは、燃料/流体混合物を非常に高速で回転させて高密度燃料を外部に押し出すことですが、これにより、原子炉圧力容器が最大動作温度にさらされ、質量、複雑さ、および可動部品が追加されます。

代替の液体コア設計は、核塩水ロケットです。この設計では、水は作動流体であり、中性子減速材としても機能します。核燃料は保持されないため、設計が大幅に簡素化されます。しかし、ロケットは大量の非常に放射性廃棄物を排出し、地球の大気圏外、そしておそらくは完全に地球の磁気圏外でも安全に運用できました。

ガスコア

最終的な核分裂の分類は、ガスコアエンジンです。これは、液体コアの設計を変更したもので、液体の急速な循環を利用して、水素に囲まれた原子炉の中央にガス状ウラン燃料のトロイダルポケットを作成します。この場合、燃料は原子炉壁にまったく触れないため、温度は数万度に達する可能性があり、3000〜5000秒（30〜50 kN・s / kg）の特定のインパルスが可能になります。この基本設計である「オープンサイクル」では、核燃料の損失を制御することは困難であり、これにより、気体の核燃料が超高層に含まれる「クローズドサイクル」または核電球エンジンの研究が行われました。 -水素が流れる高温石英容器。クローズドサイクルエンジンには、実際にはソリッドコア設計との共通点がはるかに多くありますが、今回は燃料と被覆材の代わりに石英の臨界温度によって制限されます。オープンサイクル設計ほど効率的ではありませんが、クローズドサイクル設計では、約1500〜2000秒（15〜20 kN・s / kg）の特定の衝撃が発生することが予想されます。

実際の固体核分裂設計

ソビエト連邦とロシア

ソビエトRD-0410は、セミパラチンスク近くの核実験場で一連の試験を実施しました。

2018年10月、ロシアのKeldysh Research Centerは、燃料棒とイオンエンジンの以前のテストと同様に、原子力宇宙エンジン用の排熱ラジエーターの地上テストの成功を確認しました。

アメリカ

固体コアNTRの開発は、1955年に原子力委員会（AEC）の下でプロジェクトローバーとして開始され、1973年まで実行されました。適切な原子炉の作業は、ロスアラモス国立研究所とネバダテストサイトのエリア25で行われました。このプロジェクトでは、KIWI、Phoebus、Pewee、Nuclear Furnaceの4つの基本設計が行われました。 20の個別のエンジンがテストされ、合計17時間以上のエンジン実行時間がありました。

1958年にNASAが設立されたとき、NASAはローバープログラムのすべての非核的側面に対する権限を与えられました。 AECとの協力を可能にし、機密情報を区分化するために、同時に宇宙原子力推進局（SNPO）が設立されました。 1961年のNERVAプログラムは、宇宙探査への核熱ロケットエンジンの参入をもたらすことを目的としていました。原子炉の設計自体を研究することを目的としたAECの作業とは異なり、NERVAの目標は、宇宙ミッションで展開できる実際のエンジンを製造することでした。 75,000 lbf（334 kN）推力のベースラインNERVA設計は、KIWI B4シリーズに基づいています。

テストされたエンジンには、キーウィ、フィーバス、NRX / EST、NRX / XE、ピーウィー、ピーウィー2、および原子力炉が含まれます。 Peweeで頂点に達した、より高い電力密度。改良されたPewee 2設計のテストは、1970年に低価格の原子力炉（NF-1）のためにキャンセルされ、米国の核ロケットプログラムは1973年の春に正式に終了しました。実行時間（フルパワーでの28分を含む）。 SNPOはNERVAを、プロトタイプの飛行に進むために必要な最後の技術開発炉と見なしました。

他の多くのソリッドコアエンジンもある程度研究されています。小型核ロケットエンジン（SNRE）は、ロスアラモス国立研究所（LANL）で、無人のランチャーとスペースシャトルの両方で上段用に設計されました。側面に回転できるスプリットノズルを備えていたため、シャトルの貨物室のスペースを取りません。この設計では、推力が73 kNで、特定のインパルス875秒（8.58 kN・s / kg）で動作し、これを975秒に増やす計画で、SSMEの0.86と比較して約0.74の質量分率を達成しました。、最高の従来型エンジンの1つ。

いくつかの作業を見たが、プロトタイプ段階には到達しなかった関連設計は、ダンボでした。ダンボはKIWI / NERVAの概念に似ていましたが、より高度な建設技術を使用して原子炉の重量を減らしました。ダンボ反応器は、いくつかの大きな樽状のチューブで構成されており、これらのチューブは、波形材料の積み重ねられたプレートで構成されています。結果として生じるスタックが内側から外側に走るチャネルを持つように、波形が並べられました。これらのチャネルの一部はウラン燃料で満たされ、他のチャネルはモデレータで満たされ、一部はガスチャネルとして開いたままになりました。水素はチューブの中央にポンプで送り込まれ、燃料が外部に出るときに燃料がチャネルを通過するときに加熱されます。結果として得られるシステムは、特定の量の燃料に対して従来の設計よりも軽量でした。

1987年から1991年の間に、高度なエンジン設計が戦略防衛イニシアティブの下でProject Timberwindの下で研究され、後に宇宙熱核推進（STNP）プログラムでより大きな設計に拡張されました。一般に、高温金属、コンピューターモデリング、および原子力工学の進歩により、パフォーマンスが劇的に向上しました。 NERVAエンジンの重量は約6,803 kgと予測されていましたが、最終的なSTNPは、Ispを930〜1000秒に改善することで、わずか1,650 kgのエンジンの推力の1/3強を提供しました。

2019年、米国議会で可決された予算法案には、2024年までの飛行実証ミッションの計画を含む核熱推進研究のための1億2500万ドルの資金が含まれていました。

テスト発射

KIWIは、1959年7月にKIWI 1で最初に解雇されました。原子炉は飛行用ではなく、飛べない鳥にちなんで命名されました。コアは単純に、コーティングされていない酸化ウラン板の積み重ねであり、その上に水素が放出されました。 2683 Kの排気温度で70 MWの熱出力が生成されました。基本概念の2つの追加テスト、A1およびA3は、燃料棒の概念をテストするためにプレートにコーティングを追加しました。

KIWI Bシリーズは、低ホウ素グラファイトマトリックスに埋め込まれ、炭化ニオブでコーティングされた小さな二酸化ウラン（UO2）球体によって燃料供給されました。 19個の穴がバンドルの長さを通り、液体水素が流れました。最初の発火で、莫大な熱と振動が燃料バンドルに亀裂を生じさせました。原子炉の建設に使用されたグラファイト材料は高温に耐えましたが、還元剤である過熱水素の流れの下で侵食されました。燃料の種類は、ウランカーバイドに切り替えられ、1964年に最後のエンジンが運転されました。アルゴンヌ国立研究所で有望な材料の研究にもかかわらず、燃料バンドルの侵食と割れの問題は改善されましたが、完全には解決されませんでした。

NERVA NRX（Nuclear Rocket Experimental）は、1964年9月にテストを開始しました。このシリーズの最後のエンジンは、飛行を代表するハードウェアで設計されたXEで、真空をシミュレートするために低圧チャンバーに点火しました。 SNPOは1968年3月にNERVA NRX / XEを28回発射しました。シリーズはすべて1100 MWを生成し、テストスタンドの多くが水素推進剤を使い果たした場合にのみテストが終了しました。 NERVA NRX / XEは、マーシャルのミッション計画でマーシャルが必要とするベースライン75,000 lbf（334 kN）の推力を生成しました。最後のNRXの発砲では、2時間のテストで17キログラム（38ポンド）の核燃料が失われ、SNPOによる宇宙ミッションに十分であると判断されました。

KIWIシリーズをベースにしたPhoebusシリーズは、はるかに大きな原子炉でした。 1965年6月の最初の1Aテストは、1090 MW、排気温度2370 Kで10分以上実行されました。1967年2月のB実行は、これを30分間1500 MWに改善しました。 1968年6月の最後の2Aテストは、これまでで最も強力な原子炉が建設された当時、4,000 MWで12分以上実行されました。

KIWIの小型バージョンであるPeweeも構築されました。（ニオブカーバイドの代わりに）炭化ジルコニウムで作られたコーティングをテストするために、500 MWで数回焼成されましたが、Peweeはシステムの出力密度も増加しました。 NF-1（ 原子力炉用 ）として知られる水冷システムは、将来の材料試験にPewee 2の燃料要素を使用し、燃料腐食の3分の1の削減を示しました。 Pewee 2はスタンドでテストされたことはなく、NASAのグレンおよびマーシャル研究センターで研究されている現在のNTR設計の基礎になりました。

NERVA / Roverプロジェクトは、アポロ後の時代にNASAが全般的に廃止されたため、1972年に最終的にキャンセルされました。火星への人的任務がなければ、核熱ロケットの必要性は不明確です。もう1つの問題は、安全性と放射能汚染に関する国民の懸念です。

Kiwi-TNT破壊試験

1965年1月、米国ローバープログラムは、キーウィ原子炉（KIWI-TNT）を意図的に変更して、緊急の緊急事態に移行し、原子炉圧力容器、ノズル、および燃料アセンブリを即座に破壊しました。打ち上げ後のブースターの故障など、高度から海洋への落下という最悪のシナリオをシミュレートすることを目的としており、その結果生じる放射線の放出により、600フィート（183メートル）までの死亡と2000年までの負傷が発生します。フィート（610メートル）。原子炉は、ネバダ州テストサイトのジャッカスフラッツエリアの鉄道車両に配置されました。

イギリス

2012年1月の時点で、Project Icarusの推進グループはNTR推進システムを研究していました。

リスク

大気または軌道ロケットの故障により、放射性物質が環境に拡散する可能性があります。軌道デブリとの衝突、制御不能な核分裂による材料の破損、材料の欠陥または疲労、または人間の設計上の欠陥により、核分裂性材料の封じ込め違反が発生する可能性があります。飛行中のこのような壊滅的な故障は、放射性物質を地球上の広範囲で予測不可能な地域に放出する可能性があります。汚染の量は核熱ロケットエンジンのサイズに依存しますが、汚染のゾーンとその濃度は再突入時の一般的な気象と軌道パラメータに依存します。

原子炉の燃料要素が炭素複合材や炭化物などの材料で構成され、通常は水素化ジルコニウムでコーティングされているため、原子炉の燃料要素が広範囲に広がることは考えにくい。臨界が発生する前に、固体コアNTR燃料は特に危険ではありません。原子炉が初めて起動すると、非常に放射性の短い寿命の核分裂生成物が生成され、放射性は低いが非常に長寿命の核分裂生成物が生成されます。さらに、すべてのエンジン構造が直接中性子衝撃にさらされ、その結果放射能が活性化されます。