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cohete termonuclear

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Esquema de un cohete termonuclear de fisión de núcleo sólido con turbobomba de derivación.
1 de diciembre de 1967: Aquí se muestra el primer conjunto experimental terrestre de motor de cohete nuclear (XE) en configuración de "flujo frío", a su llegada al anochecer al banco de pruebas de motores n.° 1 en Jackass Flats , Nevada . El motor se encuentra al fondo a la izquierda, con una estructura de protección en primer plano.

Un cohete termonuclear ( NTR ) es un tipo de cohete térmico en el que el calor de una reacción nuclear reemplaza la energía química de los propelentes de un cohete químico . En un NTR, un fluido de trabajo , generalmente hidrógeno líquido , se calienta a alta temperatura en un reactor nuclear y luego se expande a través de una tobera para generar empuje . La fuente de calor nuclear externa permite, en teoría, una mayor velocidad de escape efectiva y se espera que duplique o triplique la capacidad de carga útil en comparación con los propelentes químicos que almacenan energía internamente.

Los reactores de núcleo de vapor (NTR) se han propuesto como tecnología de propulsión para naves espaciales , y las primeras pruebas en tierra se realizaron en 1955. Estados Unidos mantuvo un programa de desarrollo de NTR hasta 1973, cuando se cerró por varias razones, entre ellas, para centrarse en el desarrollo del transbordador espacial . Aunque se han construido y probado más de diez reactores de potencia variable, a partir de 2025, ningún cohete termonuclear ha volado. [ 1 ]

Si bien las primeras aplicaciones de propulsión térmica nuclear para cohetes utilizaban procesos de fisión , la investigación en la década de 2010 se ha orientado hacia la fusión . El proyecto Direct Fusion Drive del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton es un ejemplo de ello, aunque la fusión con balance energético positivo sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar. En 2019, el Congreso de los Estados Unidos aprobó 125 millones de dólares en financiación para el desarrollo de cohetes de propulsión térmica nuclear. [ 1 ]

En mayo de 2022, DARPA emitió una solicitud de propuestas (RFP) para la siguiente fase de su programa de motor termonuclear Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) . [ 2 ] Esto se produjo tras la selección, en 2021, de un diseño inicial de motor de General Atomics y dos conceptos de naves espaciales de Blue Origin y Lockheed Martin . Las siguientes fases del programa se centrarían en el diseño, desarrollo, fabricación y ensamblaje de un motor de cohete termonuclear. [ 3 ] En julio de 2023, Lockheed Martin obtuvo el contrato para construir la nave espacial y BWX Technologies ( BWXT ) habría desarrollado el reactor nuclear. Se esperaba un lanzamiento en 2027, [ 4 ] [ 5 ] pero se pospuso indefinidamente debido a los requisitos de las pruebas del reactor nuclear, [ 6 ] posteriormente agravados por los recortes propuestos en el presupuesto del año fiscal 2026 por la segunda administración de Donald Trump [ 7 ] antes de ser cancelado. [ 8 ] [ 9 ]

En junio de 2025, la Agencia Espacial Europea propuso su propio motor NTP, llamado Alumni. [ 10 ] Al mismo tiempo, otra forma de propulsión termonuclear, llamada cohete termonuclear centrífugo, utiliza uranio líquido como combustible. [ 11 ]

Principio de funcionamiento

Los cohetes térmicos de propulsión nuclear son más eficaces que los cohetes térmicos químicos, principalmente porque pueden utilizar propelentes de baja masa molecular como el hidrógeno. [ 12 ] [ 13 ] [ 10 ]

Como cohetes térmicos, los cohetes térmicos nucleares funcionan casi exactamente como los cohetes químicos : una fuente de calor libera energía térmica en un propulsor gaseoso dentro del cuerpo del motor, y una tobera en un extremo actúa como un motor térmico muy simple: permite que el propulsor se expanda lejos del vehículo, llevando consigo momento y convirtiendo la energía térmica en energía cinética coherente. El impulso específico (Isp) del motor viene determinado por la velocidad del flujo de escape. [ 14 ] Esto, a su vez, varía como la raíz cuadrada de la energía cinética cargada en cada unidad de masa de propulsor. La energía cinética por molécula de propulsor está determinada por la temperatura de la fuente de calor (ya sea un reactor nuclear o una reacción química ). A cualquier temperatura particular, las moléculas de propulsor ligeras transportan tanta energía cinética como las moléculas de propulsor más pesadas y, por lo tanto, tienen más energía cinética por unidad de masa. Esto hace que los propulsores de baja masa molecular sean más efectivos que los de alta masa molecular.

Debido a que los cohetes químicos y nucleares están hechos de materiales sólidos refractarios, ambos están limitados a operar por debajo de 3000 °C (5000 °F) , debido a las características de resistencia de los metales de alta temperatura. Los cohetes químicos utilizan el propulsor más fácilmente disponible, que son los productos de desecho de las reacciones químicas que producen su energía térmica. La mayoría de los cohetes químicos de combustible líquido utilizan hidrógeno o la combustión de hidrocarburos, por lo que el propulsor es principalmente agua (masa molecular 18) y dióxido de carbono (masa molecular 44). Por lo tanto, los cohetes térmicos nucleares que utilizan hidrógeno gaseoso como propulsor (masa molecular 2) tienen un impulso específico máximo teórico que es de 3 a 4,5 veces mayor que el de los cohetes químicos.  

Historia temprana

En 1944, Stanisław Ulam y Frederic de Hoffmann contemplaron la idea de controlar la potencia de las explosiones nucleares para lanzar vehículos espaciales. [ 15 ] Después de la Segunda Guerra Mundial, el ejército estadounidense comenzó el desarrollo de misiles balísticos intercontinentales (ICBM) basados ​​en los diseños del cohete alemán V-2 . Algunos cohetes grandes fueron diseñados para transportar ojivas nucleares con motores de propulsión de energía nuclear. [ 15 ] Ya en 1946, North American Aviation y el Proyecto Rand de Douglas Aircraft Company prepararon informes secretos para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , como parte del proyecto NEPA . [ 16 ] Estos informes innovadores identificaron un motor de reactor en el que un fluido de trabajo de bajo peso molecular se calienta utilizando un reactor nuclear como la forma más prometedora de propulsión nuclear , pero identificaron muchos problemas técnicos que debían resolverse. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

En enero de 1947, sin tener conocimiento de esta investigación clasificada, los ingenieros del Laboratorio de Física Aplicada publicaron su investigación sobre propulsión nuclear y su informe finalmente fue clasificado. [ 25 ] [ 15 ] [ 26 ] En mayo de 1947, el científico chino educado en Estados Unidos, Qian Xuesen, presentó su investigación sobre "chorros térmicos" impulsados ​​por un reactor nuclear moderado por grafito poroso en los Seminarios de Ciencia e Ingeniería Nuclear LIV organizados por el Instituto Tecnológico de Massachusetts . [ 27 ] [ 26 ]

En 1948 y 1949, el físico Leslie Shepherd y el científico espacial Val Cleaver publicaron una serie de artículos científicos innovadores que analizaban cómo podría aplicarse la tecnología nuclear a los viajes interplanetarios . Los artículos examinaban tanto la propulsión nuclear-térmica como la nuclear-eléctrica . [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Desarrollo inicial de motores de la NASA

A través del Proyecto Rover , el Laboratorio Nacional de Los Alamos comenzó a desarrollar motores termonucleares ya en 1955 y probó el primer motor de cohete nuclear experimental del mundo, KIWI-A , en 1959. [ 32 ] Este trabajo en Los Alamos continuó luego a través del programa NERVA de la NASA (1961-1973). NERVA logró muchos éxitos y mejoró los primeros prototipos para crear motores potentes que eran varias veces más eficientes que sus contrapartes químicas. Sin embargo, el programa fue cancelado en 1973 debido a restricciones presupuestarias. Hasta la fecha, ningún sistema de propulsión termonuclear se ha implementado en el espacio. [ 33 ]

Tipos de combustible nuclear

Un cohete termonuclear se puede clasificar según el tipo de reactor, desde un reactor sólido relativamente simple hasta el reactor de núcleo de gas, mucho más difícil de construir pero teóricamente más eficiente. Como en todos los diseños de cohetes térmicos , el impulso específico producido es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura a la que se calienta el fluido de trabajo (masa de reacción). Para obtener la máxima eficiencia, la temperatura debe ser lo más alta posible. Para un diseño dado, la temperatura que se puede alcanzar suele estar determinada por los materiales elegidos para las estructuras del reactor, el combustible nuclear y el revestimiento del combustible. La erosión también es una preocupación, especialmente la pérdida de combustible y las consiguientes liberaciones de radiactividad. [ 34 ]

Núcleo sólido

Un diseño de núcleo sólido NERVA

Los reactores nucleares de núcleo sólido se han alimentado con compuestos de uranio que existen en fase sólida en las condiciones encontradas y experimentan fisión nuclear para liberar energía. Los reactores de vuelo deben ser ligeros y capaces de tolerar temperaturas extremadamente altas, ya que el único refrigerante disponible es el fluido de trabajo/propelente. [ 1 ] Un motor nuclear de núcleo sólido es el diseño más simple de construir y es el concepto utilizado en todos los NTR probados. [ 35 ]

Utilizando hidrógeno como propulsor, un diseño de núcleo sólido normalmente proporcionaría impulsos específicos (I sp ) del orden de 850 a 1000 segundos, lo que es aproximadamente el doble que los diseños de hidrógeno líquido - oxígeno como el motor principal del Transbordador Espacial . También se han propuesto otros propulsores, como amoníaco, agua o LOX , pero estos propulsores proporcionarían una velocidad de escape y un rendimiento reducidos a un costo de combustible marginalmente menor. Otra ventaja del hidrógeno es que a bajas presiones comienza a disociarse a unos 1500  K, y a altas presiones alrededor de 3000  K. Esto reduce la masa de las especies de escape, aumentando I sp .

Las primeras publicaciones dudaban de las aplicaciones espaciales de los motores nucleares. En 1947, un reactor nuclear completo era tan pesado que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido serían totalmente incapaces de alcanzar una relación empuje-peso de 1:1, necesaria para vencer la gravedad de la Tierra en el lanzamiento. [ 36 ] Durante los siguientes veinticinco años, los diseños de cohetes térmicos nucleares estadounidenses alcanzaron relaciones empuje-peso de aproximadamente 7:1. Esta sigue siendo una relación empuje-peso mucho menor que la que se puede lograr con los cohetes químicos, que tienen relaciones empuje-peso del orden de 70:1. Combinado con los grandes tanques necesarios para el almacenamiento de hidrógeno líquido, esto significa que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido son más adecuados para su uso en el espacio exterior (fuera de la atmósfera inferior de la Tierra), y no para el despegue, sin mencionar la necesidad de evitar la contaminación radiactiva que resultaría del uso atmosférico (si se utilizara un diseño de "ciclo abierto", en contraposición a un diseño de "ciclo cerrado" de menor rendimiento donde no se permitía que ningún material radiactivo escapara con el propulsor del cohete). [ 1 ] [ 37 ]

Una forma de aumentar la temperatura de funcionamiento del reactor es modificar los elementos combustibles nucleares. Este es el principio del reactor de lecho de partículas, que se alimenta con varios elementos (generalmente esféricos) que "flotan" dentro del fluido de trabajo de hidrógeno. Hacer girar todo el motor podría impedir que el elemento combustible salga de la tobera. Se cree que este diseño es capaz de aumentar el impulso específico a unos 1000 segundos (9,8  kN·s/kg) a costa de una mayor complejidad. Dicho diseño podría compartir elementos con un reactor de lecho de guijarros , varios de los cuales generan electricidad actualmente. Entre 1987 y 1991, la Oficina de la Iniciativa de Defensa Estratégica (IDE) financió el Proyecto Timberwind , un cohete termonuclear no giratorio basado en la tecnología de lecho de partículas. El proyecto se canceló antes de las pruebas. [ 38 ]

Cohete termonuclear pulsado

Concepto de celda unitaria de cohete termonuclear pulsado para la amplificación de I sp . En esta celda, el propulsor de hidrógeno se calienta mediante pulsos continuos e intensos de neutrones en los canales de propulsión. Al mismo tiempo, la energía no deseada de los fragmentos de fisión se elimina mediante un canal de enfriamiento aislado con litio u otro metal líquido.

En un diseño convencional de núcleo sólido, la temperatura máxima de escape de la masa activa es la del reactor, e incluso inferior en la práctica. Esta temperatura representa una energía muy inferior a la de los neutrones individuales liberados por las reacciones de fisión. Su energía se distribuye por toda la masa del reactor, provocando su termalización. En las centrales eléctricas, el núcleo se enfría, generalmente con agua. En el caso de un motor nuclear, el agua se sustituye por hidrógeno, pero el concepto es similar.

Los reactores pulsados ​​intentan transferir la energía directamente de los neutrones a la masa de trabajo, lo que permite que los gases de escape alcancen temperaturas muy superiores al punto de fusión del núcleo del reactor. Dado que el impulso específico varía directamente con la temperatura, la captura de la energía de los neutrones relativistas permite un aumento drástico del rendimiento. [ 39 ]

Para ello, los reactores pulsados ​​operan mediante una serie de pulsos breves, en lugar de la reacción en cadena continua de un reactor convencional. El reactor normalmente está apagado, lo que permite su enfriamiento. Luego se enciende, junto con el sistema de refrigeración o el flujo de combustible, operando a un nivel de potencia muy alto. A este nivel, el núcleo comienza a calentarse rápidamente, por lo que, una vez alcanzada una temperatura determinada, el reactor se apaga rápidamente. Durante estos pulsos, la potencia producida es mucho mayor que la que podría producir continuamente un reactor del mismo tamaño. La clave de este enfoque reside en que, si bien la cantidad total de combustible que se puede bombear a través del reactor durante estos pulsos breves es pequeña, la eficiencia resultante de estos pulsos es mucho mayor.

En general, los diseños no funcionarían exclusivamente en modo pulsado, sino que podrían variar su ciclo de trabajo según las necesidades. Por ejemplo, durante una fase de vuelo de alto empuje, como al salir de una órbita terrestre baja , el motor podría funcionar continuamente y proporcionar un impulso específico (Isp) similar al de un diseño tradicional de núcleo sólido. Sin embargo, durante un vuelo de larga duración, el motor cambiaría a modo pulsado para optimizar el uso del combustible.

Núcleo líquido

Los motores nucleares de núcleo líquido se alimentan con compuestos de elementos fisionables en fase líquida . Se propone que un motor de núcleo líquido opere a temperaturas superiores al punto de fusión del combustible nuclear sólido y el revestimiento, y que la temperatura máxima de operación del motor no esté determinada por la vasija de presión del reactor ni por el material reflector de neutrones . Se espera que las temperaturas de operación más elevadas proporcionen un impulso específico del orden de 1300 a 1500 segundos (12,8-14,8  kN·s/kg).

Construir un reactor de núcleo líquido con la tecnología actual sería extremadamente difícil. Un problema importante es que el tiempo de reacción del combustible nuclear es mucho mayor que el tiempo de calentamiento del fluido de trabajo. Si el combustible nuclear y el fluido de trabajo no están separados físicamente, esto significa que el combustible debe quedar atrapado dentro del motor, mientras que el fluido de trabajo puede salir fácilmente por la boquilla. Una posible solución es hacer girar la mezcla de combustible y fluido a velocidades muy altas para forzar el combustible de mayor densidad hacia el exterior, pero esto expondría la vasija de presión del reactor a la temperatura máxima de funcionamiento, además de aumentar la masa, la complejidad y el número de piezas móviles.

Un diseño alternativo de núcleo líquido es el cohete nuclear de agua salada . En este diseño, el agua es el fluido de trabajo y también actúa como moderador de neutrones . No se retiene combustible nuclear, lo que simplifica drásticamente el diseño. Sin embargo, el cohete descargaría enormes cantidades de residuos extremadamente radiactivos y solo podría operarse de forma segura muy fuera de la atmósfera terrestre e incluso, posiblemente, de la magnetosfera . [ 40 ]

núcleo de gas

Diagrama de un motor cohete de ciclo cerrado con núcleo de gas nuclear, "bombilla" nuclear.
Diagrama de un motor cohete de ciclo abierto con núcleo de gas nuclear

La última clasificación de fisión es el motor de núcleo gaseoso . Se trata de una modificación del diseño de núcleo líquido que utiliza la circulación rápida del fluido para crear una cavidad toroidal de combustible de uranio gaseoso en el centro del reactor, rodeada de hidrógeno. En este caso, el combustible no toca la pared del reactor, por lo que las temperaturas podrían alcanzar varias decenas de miles de grados, lo que permitiría impulsos específicos de 3000 a 5000 segundos (30 a 50  kN·s/kg). En este diseño básico, el "ciclo abierto", las pérdidas de combustible nuclear serían difíciles de controlar, lo que ha llevado a estudiar el "ciclo cerrado" o motor de bombilla nuclear , donde el combustible nuclear gaseoso se encuentra en un contenedor de cuarzo de altísima temperatura , sobre el cual fluye el hidrógeno. El motor de ciclo cerrado tiene mucho más en común con el diseño de núcleo sólido, pero en este caso el tiempo está limitado por la temperatura crítica del cuarzo en lugar del combustible y el revestimiento. Aunque menos eficiente que el diseño de ciclo abierto, se espera que el diseño de ciclo cerrado proporcione un impulso específico de aproximadamente 1500 a 2000 segundos (15 a 20  kN·s/kg). [ 41 ]

Diseños de fisión de núcleo sólido en la práctica

El motor cohete termonuclear KIWI A

Unión Soviética y Rusia

El RD-0410 soviético pasó por una serie de pruebas en el sitio de pruebas nucleares cerca del Sitio de Pruebas de Semipalatinsk . [ 42 ] [ 43 ]

En octubre de 2018, el Centro de Investigación Keldysh de Rusia confirmó una prueba en tierra exitosa de radiadores de calor residual para un motor espacial nuclear, así como pruebas previas de barras de combustible y motores iónicos . [ 44 ]

Estados Unidos

Un vídeo del Departamento de Energía de Estados Unidos sobre cohetes térmicos nucleares.

El desarrollo de reactores nucleares de núcleo sólido comenzó en 1955 bajo la Comisión de Energía Atómica (AEC) como el Proyecto Rover y se extendió hasta 1973. [ 1 ] El trabajo en un reactor adecuado se llevó a cabo en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Área 25 (Sitio Nacional de Seguridad de Nevada) en el Sitio de Pruebas de Nevada . De este proyecto surgieron cuatro diseños básicos: KIWI, Phoebus, Pewee y el Horno Nuclear. Se probaron veinte motores individuales, con un tiempo total de funcionamiento de más de 17 horas. [ 45 ] En 1968, el reactor Phoebus-2A generó más de 4000 megavatios de potencia térmica, convirtiéndose en el reactor de propulsión nuclear más potente de su época. Si bien Phoebus-2A no fue diseñado para misiones espaciales, los científicos esperaban que eventualmente pudiera adaptarse para un viaje a Marte. [ 46 ]

Cuando se creó la NASA en 1958, se le otorgó autoridad sobre todos los aspectos no nucleares del programa Rover. Para facilitar la cooperación con la AEC y mantener la información clasificada compartimentada, se creó simultáneamente la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO). El programa NERVA de 1961 tenía como objetivo introducir los motores de cohete termonucleares en la exploración espacial. A diferencia del trabajo de la AEC, que buscaba estudiar el diseño del reactor en sí, el objetivo de NERVA era producir un motor real que pudiera desplegarse en misiones espaciales. El diseño base de NERVA, con un empuje de 334 kN (75 000 lb f ) , se basó en la serie KIWI B4.  

Entre los motores probados se encontraban Kiwi, Phoebus, NRX/EST, NRX/XE, Pewee, Pewee 2 y el Nuclear Furnace. Las densidades de potencia progresivamente más altas culminaron en el Pewee. [ 45 ] Las pruebas del diseño mejorado del Pewee 2 se cancelaron en 1970 en favor del Nuclear Furnace (NF-1) de menor costo, y el programa de cohetes nucleares de EE. UU. terminó oficialmente en la primavera de 1973. Durante este programa, el NERVA acumuló más de 2 horas de tiempo de funcionamiento, incluyendo 28 minutos a plena potencia. [ 1 ] La SNPO consideró al NERVA como el último reactor de desarrollo tecnológico necesario para proceder a los prototipos de vuelo.

También se han estudiado otros motores de núcleo sólido. El Motor de Cohete Nuclear Pequeño (SNRE) fue diseñado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) para su uso en la etapa superior, tanto en lanzadores no tripulados como en el Transbordador Espacial . Presentaba una tobera dividida que podía girarse hacia un lado, lo que permitía que ocupara menos espacio en la bodega de carga del Transbordador. El diseño proporcionaba 73  kN de empuje y operaba con un impulso específico de 875 segundos (8,58  kN·s/kg), y se planeaba aumentarlo a 975 segundos, logrando una fracción de masa de aproximadamente 0,74, en comparación con 0,86 para el motor principal del Transbordador Espacial (SSME).

Un diseño relacionado, que se desarrolló parcialmente pero nunca llegó a la etapa de prototipo, fue Dumbo. Dumbo era similar a KIWI/NERVA en concepto, pero utilizaba técnicas de construcción más avanzadas para reducir el peso del reactor. El reactor Dumbo consistía en varios tubos grandes con forma de barril, construidos a su vez con placas apiladas de material corrugado. Las corrugaciones estaban alineadas de manera que la pila resultante tenía canales que iban desde el interior hacia el exterior. Algunos de estos canales se llenaban con combustible de uranio, otros con un moderador y algunos se dejaban abiertos como canal de gas. Se bombeaba hidrógeno al centro del tubo, el cual se calentaba con el combustible a medida que este circulaba por los canales hacia el exterior. El sistema resultante era más ligero que un diseño convencional para cualquier cantidad de combustible.

Entre 1987 y 1991, se estudió un diseño de motor avanzado en el marco del Proyecto Timberwind , dentro de la Iniciativa de Defensa Estratégica , que posteriormente se amplió a un diseño mayor en el programa de Propulsión Nuclear Térmica Espacial (STNP). Los avances en metales de alta temperatura, modelado por computadora e ingeniería nuclear en general dieron como resultado un rendimiento notablemente mejorado. Si bien se proyectó que el motor NERVA pesaría alrededor de 6803 kilogramos (14 998 lb) , el STNP final ofreció poco más de un tercio del empuje de un motor de solo 1650 kilogramos (3640 lb) al mejorar el I sp a entre 930 y 1000 segundos.  

Disparos de prueba

Un motor KIWI sometido a pruebas destructivas.

KIWI fue el primero en entrar en funcionamiento, comenzando en julio de 1959 con KIWI 1. El reactor no estaba diseñado para vuelos espaciales y recibió su nombre del kiwi, un ave no voladora . El núcleo consistía simplemente en una pila de placas de óxido de uranio sin recubrimiento sobre las que se depositaba el hidrógeno . Se generó una potencia térmica de 70 MW a una temperatura de escape de 2683 K. Dos pruebas adicionales del concepto básico, A1 y A3, añadieron recubrimientos a las placas para probar conceptos de barras de combustible.  

La serie KIWI B se alimentaba con diminutas esferas de dióxido de uranio (UO₂ ) incrustadas en una matriz de grafito con bajo contenido de boro y recubiertas con carburo de niobio . Diecinueve orificios recorrían la longitud de los haces, a través de los cuales fluía el hidrógeno líquido. En las primeras pruebas, el intenso calor y la vibración agrietaron los haces de combustible. Los materiales de grafito utilizados en la construcción del reactor eran resistentes a altas temperaturas, pero se erosionaban bajo el flujo de hidrógeno sobrecalentado, un agente reductor . Posteriormente, el combustible se cambió a carburo de uranio , y el último motor se puso en marcha en 1964. Los problemas de erosión y agrietamiento de los haces de combustible mejoraron, pero nunca se resolvieron por completo, a pesar del prometedor trabajo de investigación de materiales realizado en el Laboratorio Nacional Argonne .

El NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental) comenzó sus pruebas en septiembre de 1964. El último motor de esta serie fue el XE, diseñado con componentes representativos de vuelo y disparado en una cámara de baja presión para simular el vacío. El SNPO disparó el NERVA NRX/XE veintiocho veces en marzo de 1968. Todos los motores de la serie generaron 1100 MW, y muchas de las pruebas concluyeron solo cuando el banco de pruebas se quedó sin propulsor de hidrógeno. El NERVA NRX/XE produjo el empuje base de 334 kN (75 000 lb f ) que el Centro de Vuelos Espaciales Marshall requería en los planes de la misión a Marte . El último disparo del NRX perdió 17 kg (38 lb) de combustible nuclear en 2 horas de prueba, lo que el SNPO consideró suficiente para las misiones espaciales.    

Partiendo de la serie KIWI, la serie Phoebus contaba con reactores mucho más grandes. La primera prueba 1A, en junio de 1965, duró más de 10 minutos a 1090 MW y una temperatura de escape de 2370 K. La prueba B, en febrero de 1967, mejoró esta potencia a 1500 MW durante 30 minutos. La prueba final 2A, en junio de 1968, duró más de 12 minutos a 4000 MW, convirtiéndose en el reactor nuclear más potente jamás construido hasta entonces.

También se construyó una versión más pequeña de KIWI, el Pewee. Se encendió varias veces a 500 MW para probar recubrimientos de carburo de circonio (en lugar de carburo de niobio ), pero el Pewee también aumentó la densidad de potencia del sistema. Un sistema refrigerado por agua conocido como NF-1 (por Horno Nuclear ) utilizó los elementos combustibles del Pewee 2 para futuras pruebas de materiales, demostrando una reducción de la corrosión del combustible de un factor de 3. El Pewee 2 nunca se probó en el banco de pruebas y se convirtió en la base de los diseños actuales de reactores nucleares de tanque agitado (NTR) que se investigan en el Centro de Investigación Glenn de la NASA y en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall.

El proyecto NERVA/Rover fue finalmente cancelado en 1972 con la disolución general de la NASA en la era posterior al programa Apolo . Sin una misión tripulada a Marte , la necesidad de un cohete termonuclear no está clara. Otro problema serían las preocupaciones públicas sobre la seguridad y la contaminación radiactiva .

Prueba destructiva de Kiwi-TNT

En enero de 1965, el programa Rover de EE. UU. modificó intencionalmente un reactor Kiwi (KIWI-TNT) para que alcanzara la criticidad inmediata, lo que provocó la destrucción instantánea del recipiente de presión, la boquilla y los conjuntos de combustible del reactor. Con la intención de simular el peor escenario posible de una caída desde gran altitud al océano, como podría ocurrir en caso de fallo del propulsor tras el lanzamiento, la liberación de radiación resultante habría causado víctimas mortales hasta a 200 m (600 pies) de altura y heridos hasta a 600 m (2000 pies) de altura . El reactor estaba ubicado sobre un vagón de ferrocarril en la zona de Jackass Flats del Sitio de Pruebas de Nevada . [ 47 ]    

Reino Unido

En enero de 2012, el grupo de propulsión del Proyecto Ícaro estaba estudiando un sistema de propulsión NTR, [ 48 ] pero ha tenido poca actividad desde 2019.

Israel

En 1987, Ronen y Leibson [ 49 ] [ 50 ] publicaron un estudio sobre las aplicaciones del 242m Am (uno de los isótopos del americio ) como combustible nuclear para reactores nucleares espaciales , señalando su sección transversal térmica y densidad de energía extremadamente altas . Los sistemas nucleares alimentados con 242m Am requieren entre 2 y 100 veces menos combustible en comparación con los combustibles nucleares convencionales .

En 1988, George Chapline [ 51 ] propuso en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) un cohete de fragmentos de fisión que utilizaba 242mAm , sugiriendo una propulsión basada en el calentamiento directo de un gas propulsor por fragmentos de fisión generados por un material fisionable. Ronen et al. [ 52 ] demostraron que el 242mAm puede mantener una fisión nuclear sostenida como una película metálica extremadamente delgada, de menos de 1 μm de espesor. El 242mAm requiere solo el 1% de la masa del 235U o del 239Pu para alcanzar su estado crítico. El grupo de Ronen en la Universidad Ben-Gurion del Negev demostró además que el combustible nuclear basado en 242mAm podría impulsar vehículos espaciales de la Tierra a Marte en tan solo dos semanas. [ 53 ] 

El 242mAm como combustible nuclear se deriva del hecho de que tiene la sección transversal de fisión térmica más alta (miles de barns ), aproximadamente 10 veces la siguiente sección transversal más alta entre todos los isótopos conocidos. El 242mAm es fisionable ( porque tiene un número impar de neutrones ) y tiene una masa crítica baja , comparable a la del 239Pu . [ 54 ] [ 55 ]

Tiene una sección transversal de fisión muy alta y, si se encuentra en un reactor nuclear, se destruye con relativa rapidez. Otro informe afirma que el 242mAm puede mantener una reacción en cadena incluso como una película delgada y podría utilizarse para un nuevo tipo de cohete nuclear . [ 52 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

Dado que la sección transversal de absorción térmica del 242mAm es muy alta, la mejor manera de obtener 242mAm es mediante la captura de neutrones rápidos o epitérmicos en americio-241 irradiado en un reactor rápido . Sin embargo, los reactores de espectro rápido no están fácilmente disponibles. Se proporcionó un análisis detallado de la generación de 242mAm en reactores de agua a presión (PWR) existentes. [ 59 ] El Instituto Tecnológico de Karlsruhe informó sobre la resistencia a la proliferación del 242mAm en un estudio de 2008. [ 60 ]

Italia

En 2000, Carlo Rubbia en el CERN amplió el trabajo de Ronen [ 50 ] y Chapline [ 51 ] sobre un cohete de fragmentos de fisión que utilizaba 242mAm como combustible. [ 61 ] El Proyecto 242 [ 62 ] , basado en el diseño de Rubbia, estudió un concepto de "NTR calentado por fragmentos de fisión de película delgada" basado en 242mAm [ 63 ] mediante la conversión directa de la energía cinética de los fragmentos de fisión en un aumento de la entalpía de un gas propulsor. El Proyecto 242 estudió la aplicación de este sistema de propulsión a una misión tripulada a Marte. [ 64 ] Los resultados preliminares fueron muy satisfactorios y se observó que un sistema de propulsión con estas características podría hacer factible la misión. Otro estudio se centró en la producción de 242mAm en reactores nucleares térmicos convencionales. [ 65 ]

Agencia Espacial Europea

En 2022, la Agencia Espacial Europea lanzó una iniciativa llamada «Evaluación preliminar europea sobre propulsión eléctrica nuclear para aplicaciones espaciales» (RocketRoll) y encargó a un consorcio de empresas la realización de un estudio sobre propulsores eléctricos alimentados por energía nuclear, conocidos como propulsión eléctrica nuclear. El estudio describe la hoja de ruta para el lanzamiento de un demostrador de propulsión nuclear en 2035. [ 66 ] [ 67 ]

Investigaciones actuales en Estados Unidos desde el año 2000

Representación artística de los motores NTR bimodales de un Vehículo de Transferencia a Marte (MTV). Lanzado en frío, se ensamblaría en órbita mediante varias cargas útiles del SLS Bloque 2. La nave espacial Orion está acoplada a la izquierda.
Concepto artístico del cohete de demostración para operaciones cislunares ágiles (DRACO).

Los diseños actuales de cohetes termonucleares de núcleo sólido están destinados a limitar en gran medida la dispersión y la fragmentación de los elementos de combustible radiactivo en caso de una falla catastrófica. [ 68 ]

Desde 2013, se está estudiando un NTR para viajes interplanetarios desde la órbita terrestre a la órbita de Marte en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall con el Centro de Investigación Glenn . [ 69 ] En pruebas terrestres históricas, los NTR demostraron ser al menos dos veces más eficientes que los motores químicos más avanzados, lo que permitiría un tiempo de transferencia más rápido y una mayor capacidad de carga. La menor duración del vuelo, estimada en 3-4 meses con motores NTR, [ 70 ] en comparación con 6-9 meses usando motores químicos, [ 71 ] reduciría la exposición de la tripulación a los rayos cósmicos potencialmente dañinos y difíciles de proteger . [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] Los motores NTR, como el Pewee del Proyecto Rover , fueron seleccionados en la Arquitectura de Referencia de Diseño de Marte (DRA). [ 73 ] [ 74 ] [ 76 ] [ 77 ]

En 2017, la NASA continuó la investigación y el desarrollo de NTR, diseñándolos para aplicaciones espaciales con materiales aprobados para uso civil, con un contrato de tres años y 18,8 millones de dólares estadounidenses. [ 78 ]

En 2019, un proyecto de ley de asignaciones aprobado por el Congreso de los Estados Unidos incluyó US$125 millones [ 1 ] en fondos para la investigación de propulsión térmica nuclear, incluyendo la planificación de una misión de demostración de vuelo para 2024. [ 79 ]

A partir de 2021, ha habido mucho interés en los cohetes termonucleares por parte de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos y DARPA para usos orbitales y cislunares. Además del ejército estadounidense, el administrador de la NASA, Jim Bridenstine, también ha expresado interés en el proyecto y sus posibles aplicaciones para una futura misión a Marte . [ 80 ] DARPA adjudicó dos contratos para su programa de Cohete de Demostración para Operaciones Cislunares Ágiles (DRACO), que tenía como objetivo demostrar un sistema de propulsión termonuclear en órbita: una adjudicación en septiembre de 2020 a Gryphon Technologies por US$14 millones, [ 80 ] y otra adjudicación en abril de 2021 a General Atomics por US$22 millones, ambas para diseños preliminares del reactor. [ 81 ] Se seleccionaron dos diseños conceptuales de naves espaciales de Blue Origin y Lockheed Martin. Las propuestas para una demostración de vuelo de propulsión termonuclear en el año fiscal 2026 debían presentarse el 5 de agosto de 2022. [ 82 ]

En enero de 2023, la NASA y DARPA anunciaron una colaboración en DRACO para demostrar un motor NTR en el espacio, una capacidad clave para las misiones tripuladas de la NASA a Marte. [ 83 ] En julio de 2023, las agencias estadounidenses anunciaron que Lockheed Martin había recibido un contrato de 499 millones de dólares para ensamblar el vehículo experimental de reactor térmico nuclear (X-NTRV) y su motor. [ 84 ]

En 2025, el programa DRACO fue cancelado debido a la disminución de los costos de lanzamiento y a nuevos análisis, así como a los recortes presupuestarios de la segunda administración de Donald Trump, que podrían conducir a una prohibición total tanto de la propulsión térmica nuclear como de la propulsión eléctrica nuclear. Sin embargo, un proyecto de ley de gastos aprobado por el Comité de Asignaciones del Senado en julio de 2025 rechazó los recortes, ordenando a la NASA que gastara al menos 110 millones de dólares en propulsión nuclear, lo que también incluye 10 millones de dólares para crear un "centro de excelencia" para la investigación en propulsión nuclear, ubicado en una región que no cuenta con un centro de la NASA pero sí con "una gran población de socios industriales que también están comprometidos con la investigación en propulsión nuclear". [ 85 ]

Riesgos

Un fallo en un cohete atmosférico u orbital podría provocar la dispersión de material radiactivo en el medio ambiente. Una colisión con desechos orbitales, un fallo del material debido a una fisión incontrolada, imperfecciones o fatiga del material, o fallos de diseño humanos podrían causar una fuga del material fisionable. Un fallo catastrófico de este tipo durante el vuelo podría liberar material radiactivo sobre la Tierra en una zona extensa e impredecible. La cantidad de contaminación dependería del tamaño del motor termonuclear del cohete, mientras que la zona de contaminación y su concentración dependerían de las condiciones meteorológicas y los parámetros orbitales en el momento de la reentrada.

Se considera improbable que los elementos combustibles de un reactor se dispersen en un área extensa, ya que están compuestos de materiales como compuestos de carbono o carburos y normalmente están recubiertos con hidruro de circonio . [ 86 ] Antes de que ocurra la criticidad, el combustible NTR de núcleo sólido no es particularmente peligroso. Una vez que el reactor se ha puesto en marcha por primera vez, se producen productos de fisión extremadamente radiactivos de corta vida, así como productos de fisión menos radiactivos pero de vida extremadamente larga. La cantidad de productos de fisión es cero en el arranque con combustible nuevo, y es aproximadamente proporcional a (en realidad: limitada por) la cantidad total de calor de fisión producido desde el arranque con combustible nuevo. [ 87 ] [ 88 ] Además, todas las estructuras del motor están expuestas al bombardeo directo de neutrones, lo que resulta en su activación radiactiva.

Véase también

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