NASAは今後10年間で有人火星ミッションを送る計画をしているが、火星までの1億4000万マイル（2億2500万キロメートル）の旅は往復で数ヶ月から数年かかる可能性がある。
この比較的長い移動時間は、従来の化学ロケット燃料の使用によるものである。現在NASAが開発している化学推進ロケットに代わる技術として、核分裂を利用する核熱推進があり、これによって移動時間を半分に短縮できる可能性がある。
核分裂は、中性子によって原子が分裂する際に放出される膨大なエネルギーを利用するものである。この反応は核分裂反応として知られている。核分裂技術は発電や原子力潜水艦で確立されており、これをロケットの駆動や動力に応用すれば、将来的にNASAに化学推進ロケットよりも高速で強力な選択肢を提供できる可能性がある。
NASAと国防高等研究計画局（DARPA）は共同で核熱推進技術 (NTP: Nuclear thermal propulsion)を開発している。2027年に宇宙でプロトタイプシステムの展開と能力実証を計画しており、米国によって構築・運用される初めての核熱推進システムとなる可能性がある。
核熱推進は、将来的に地球軌道内外のアメリカの衛星を保護する機動性のある宇宙プラットフォームの動力源となる可能性もある。しかし、この技術はまだ開発段階にある。
私はジョージア工科大学の原子力工学准教授で、研究グループでは核熱推進システムの設計を改良・最適化するためのモデルとシミュレーションを構築している。私の希望と情熱は、有人火星ミッションを実現する核熱推進エンジンの設計を支援することである。
原子力推進と化学推進
従来の化学推進システムは、水素などの軽量推進剤と酸化剤を用いた化学反応を利用する。これらを混合すると発火し、その結果、推進剤がノズルから非常に高速で排出されてロケットを推進する。
これらのシステムは点火システムを必要としないため信頼性が高い。しかし、これらのロケットは酸素を宇宙に持ち込む必要があり、重量が増加する可能性がある。化学推進システムとは異なり、核熱推進システムは核分裂反応を利用して推進剤を加熱し、それをノズルから排出して推力を生み出す。
多くの核分裂反応では、研究者はウラン235という軽いウラン同位体に向けて中性子を送る。ウランは中性子を吸収し、ウラン236を生成する。ウラン236はその後2つの断片（核分裂生成物）に分裂し、反応はいくつかの粒子を放出する。
現在、世界中で400基以上の原子力発電所が核分裂技術を利用している。稼働中の原子力発電所の大半は軽水炉である。これらの核分裂炉は、中性子を減速させ、熱を吸収・伝達するために水を使用する。水は炉心内や蒸気発生器内で直接蒸気を生成し、それがタービンを駆動して電力を生産する。
核熱推進システムも同様の原理で動作するが、ウラン235をより多く含む異なる核燃料を使用する。また、はるかに高温で動作するため、非常に強力でコンパクトである。核熱推進システムは従来の軽水炉の約10倍のパワー密度を持つ。
核推進は以下の理由から化学推進よりも優位性を持つ可能性がある：
核推進はエンジンのノズルから推進剤を非常に高速で排出し、高い推力を生み出す。この高推力によりロケットはより速く加速できる。
これらのシステムはまた、高い比推力を持つ。比推力は推進剤が推力を生成する効率を測定するものである。核熱推進システムは化学ロケットの約2倍の比推力を持つため、移動時間を半分に短縮できる可能性がある。
核熱推進の歴史
米国政府は数十年にわたって核熱推進技術の開発に資金を提供してきた。1955年から1973年の間に、NASA、General Electric、Argonne National Laboratoriesのプログラムで20基の核熱推進エンジンが製造され、地上試験が行われた。
しかし、1973年以前の設計は高濃縮ウラン燃料に依存していた。この燃料は核拡散の危険性、つまり核物質や技術の拡散に関する危険性があるため、現在は使用されていない。
エネルギー省と国家核安全保障局が立ち上げたGlobal Threat Reduction Initiativeは、高濃縮ウラン燃料を使用する多くの研究用原子炉を高純度低濃縮ウラン燃料（HALEU）燃料に転換することを目指している。
高純度低濃縮ウラン燃料は、高濃縮ウラン燃料と比較して核分裂反応を起こすことができる物質が少ない。そのため、ロケットにはより多くのHALEU燃料を搭載する必要があり、エンジンが重くなる。この問題を解決するため、研究者たちはこれらの原子炉でより効率的に燃料を使用する特殊な材料を研究している。
NASAとDARPAの機敏な月周回作戦実証ロケット（DRACO）プログラムは、核熱推進エンジンにこの高純度低濃縮ウラン燃料を使用する予定である。このプログラムは2027年にロケットを打ち上げる計画である。
DRACOプログラムの一環として、航空宇宙企業のLockheed MartinはBWX Technologiesと提携し、原子炉と燃料の設計を開発している。
これらのグループが開発中の核熱推進エンジンは、特定の性能と安全基準を満たす必要がある。ミッション期間中に動作し、火星への高速飛行に必要な操作を行うことができる炉心が必要となる。
理想的には、エンジンは高推力と低エンジン質量の要件を満たしながら、高い比推力を生成できるべきである。
進行中の研究
これらの基準をすべて満たすエンジンを設計する前に、モデルとシミュレーションから始める必要がある。これらのモデルは、私のグループのような研究者が、起動や停止など、急激な温度と圧力の変化を必要とする操作をエンジンがどのように処理するかを理解するのに役立つ。
核熱推進エンジンは既存のすべての核分裂発電システムとは異なるため、エンジニアはこの新しいエンジンに対応するソフトウェアツールを構築する必要がある。
私のグループはモデルを使用して核熱推進原子炉の設計と分析を行っている。温度変化などが原子炉やロケットの安全性にどのような影響を与えるかを見るために、これらの複雑な原子炉システムをモデル化している。しかし、これらの効果をシミュレーションするには多くの高価な計算能力が必要となる。
私たちは、これらの原子炉の起動時や運転時の挙動を、より少ない計算能力で模擬できる新しい計算ツールの開発に取り組んでいる。
私と同僚は、この研究が将来的にロケットを自律的に制御できるモデルの開発に役立つことを願っている。
