Propulsión nuclear de aeronaves

Los motores nucleares de ciclo directo se asemejan a un motor a reacción convencional, pero sin cámaras de combustión . El aire caliente comprimido producido por el compresor se dirige al núcleo del reactor nuclear . Allí, el aire se calienta aún más, enfriando así el reactor. Posteriormente, se expande mediante una turbina, que acciona el compresor, antes de ser expulsado a alta velocidad para generar el empuje. El resultado final es que, en lugar de utilizar combustible para aviones, una aeronave podría aprovechar el calor de las reacciones nucleares.

El programa de General Electric, con sede en Evendale, Ohio , se optó por sus ventajas en cuanto a simplicidad, fiabilidad, idoneidad y capacidad de arranque rápido. Se utilizaron secciones convencionales de compresor y turbina de motores a reacción , donde el aire comprimido pasaba por el reactor para calentarse antes de ser expulsado a través de la turbina.

El ciclo indirecto implica un intercambio térmico fuera del núcleo, donde el aire del compresor se envía a un intercambiador de calor . El núcleo del reactor nuclear calentaría agua a presión o metal líquido y lo enviaría también al intercambiador de calor. Este líquido caliente se enfriaría con el aire; el aire, a su vez, se calentaría con el líquido, pasaría por una turbina (que acciona el compresor) y saldría por el escape, generando así el empuje.

El programa de ciclo de aire indirecto fue asignado a Pratt & Whitney, en una planta cerca de Middletown, Connecticut . Este concepto habría producido mucha menos contaminación radiactiva. Uno o dos circuitos de metal líquido transportarían el calor del reactor al motor. Este programa implicó una gran cantidad de investigación y desarrollo de numerosos sistemas ligeros aptos para su uso en aeronaves, como intercambiadores de calor, turbobombas de metal líquido y radiadores . El programa de ciclo indirecto nunca llegó a producir hardware listo para el vuelo. ^{[ 4 ]}

El Experimento de Reactor Aeronáutico de los Estados Unidos (ARE) fue un experimento de reactor nuclear de espectro térmico de 2,5 MW _{th diseñado para alcanzar una alta} densidad de potencia y una alta temperatura de salida para su uso como motor en un avión bombardero de propulsión nuclear. La ventaja de un avión de propulsión nuclear sobre uno de propulsión convencional es que podría permanecer en el aire órdenes de magnitud más tiempo y proporcionar una disuasión estratégica nuclear efectiva contra un adversario soviético armado con armas nucleares . El ARE fue el primer reactor de sales fundidas (MSR) que se construyó y operó. Utilizó la sal de fluoruro fundida NaF – ZrF ₄ – UF ₄ (53–41–6 % molar) como combustible , fue moderado por un óxido de berilio (BeO) de configuración hexagonal y tuvo una temperatura máxima de 860 °C. Se utilizó un sistema redundante de refrigeración por sodio líquido para enfriar los materiales moderador y reflector . Un circuito secundario de refrigeración por gas helio circulaba alrededor del refrigerante primario para transferir el calor a un radiador de agua donde el calor se liberaba a la atmósfera. Se instalaron barras de control de reactividad y se comprobó que estas no determinaban la potencia de salida del ARE; más bien, la demanda de potencia sí lo hacía, lo que afectaba a las temperaturas de entrada y salida debido al coeficiente de temperatura negativo de la reactividad . El ARE funcionó a potencia durante 221 horas hasta un pico de 2,5 MW _t . ^{[ 5 ]}  

El 5 de septiembre de 1951, la USAF adjudicó a Convair un contrato para el vuelo de un reactor nuclear a bordo de un Convair B-36 Peacemaker modificado ^{[ 6 ]} en el marco del proyecto MX-1589 del programa ANP. El avión de prueba nuclear NB-36H (NTA) tenía como objetivo estudiar los requisitos de blindaje para un reactor aerotransportado y determinar la viabilidad de un avión nuclear. Este fue el único experimento conocido de reactor aerotransportado realizado por Estados Unidos con un reactor nuclear operativo a bordo. El NTA voló un total de 47 veces probando el reactor sobre el oeste de Texas y el sur de Nuevo México. El reactor, denominado Aircraft Shield Test Reactor (ASTR), era operativo, pero no impulsaba la aeronave; el propósito principal del programa de vuelo era probar la eficacia del blindaje. Basándose en los resultados del NTA, el X-6 y todo el programa de aeronaves nucleares fueron abandonados en 1961.

Como parte del programa ANP de la AEC/USAF, en 1956 se operaron por primera vez aviones General Electric J47 modificados con energía nuclear utilizando un conjunto de prueba de reactor conocido como Experimento de Reactor de Transferencia de Calor 1 (HTRE-1). El HTRE-1, que utilizaba barras de control orientadas verticalmente, se reconfiguró con un núcleo extraíble para convertirse en el HTRE-2 para pruebas adicionales. El HTRE-3 se construyó por separado para probar barras de control orientadas horizontalmente, adecuadas para su uso en una estructura de avión. ^{[ 7 ]}

Los reactores HTRE-2 y HTRE-3, ya fuera de servicio, y sus conjuntos de prueba pueden ser vistos por el público en el estacionamiento del Reactor Reproductor Experimental I en el Laboratorio Nacional de Idaho .

El 5 de febrero de 1957, otro reactor alcanzó la criticidad en la Instalación de Experimentos Críticos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) como parte del programa de reactores de combustible circulante de la compañía Pratt & Whitney Aircraft (PWAC). Este reactor se denominó PWAR-1, el Reactor Aeronáutico Pratt & Whitney-1. El objetivo del experimento era verificar experimentalmente las propiedades nucleares teóricamente predichas de un reactor PWAC. El experimento se llevó a cabo brevemente; a finales de febrero de 1957 se habían recopilado todos los datos y se había iniciado el desmontaje. El experimento se realizó con una potencia nuclear prácticamente nula. La temperatura de operación se mantuvo constante en aproximadamente 675 °C (1247 °F) , lo que corresponde estrechamente a la temperatura de operación de diseño del moderador del PWAR-1; esta temperatura se mantuvo mediante calentadores externos. Al igual que el ARE de 2,5 MWt, el PWAR-1 utilizó NaF-ZrF4-UF4 como combustible y refrigerante primarios. ^{[ 8 ]}