Propulsion nucléaire thermique, qui utilise la chaleur des réactions nucléaires comme combustible, pourrait être utilisé un jour dans les vols spatiaux habités, peut-être même pour des missions vers Mars. Son développement, cependant, pose un défi. Les matériaux utilisés doivent pouvoir résister à des températures élevées et au bombardement régulier de particules à haute énergie.

Will Searight, un doctorant en génie nucléaire à Penn State, contribue à la recherche qui pourrait rendre ces avancées plus réalisables. Il a publié les résultats d'une simulation de conception préliminaire dans Fusion de la science et de la technologie , une publication de l'American Nuclear Society.

Pour mieux étudier la propulsion nucléaire thermique, Searight a simulé une expérience de laboratoire à petite échelle connue sous le nom de boucle d'essai d'hydrogène. La configuration imite le fonctionnement d'un réacteur dans l'espace, où l'hydrogène en circulation traverse le noyau et propulse la fusée - à des températures allant jusqu'à près de 2, 200 degrés Fahrenheit. Searight a développé la simulation en utilisant les dimensions des dessins détaillés des tubes de liaison, les composants qui constituent une grande partie de la boucle d'essai à travers laquelle l'hydrogène circule. Le partenaire industriel Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) a fourni les dessins.

« Comprendre le comportement des composants de l'USNC dans un environnement d'hydrogène chaud est crucial pour amener nos fusées dans l'espace, " Searight a déclaré. "Nous sommes ravis de travailler avec l'un des principaux sous-traitants de réacteurs pour le projet de propulsion nucléaire spatiale de la NASA, qui cherche à produire un moteur de propulsion thermique nucléaire de démonstration d'ici une décennie. »

Conseillé par Leigh Winfrey, professeur agrégé et président du programme de premier cycle en génie nucléaire, Searight a utilisé Ansys Fluent, un logiciel de modélisation, pour concevoir une boucle de simulation à partir d'un tuyau en acier inoxydable d'un diamètre extérieur d'environ deux pouces. Dans le modèle, la boucle se connecte à une pompe à hydrogène et fait circuler de l'hydrogène chaud à travers une section d'essai adjacente à un élément chauffant.

Searight a découvert que, bien que le chauffage constant de l'hydrogène à 2, 200 degrés Fahrenheit était possible, il était nécessaire d'inclure un élément chauffant directement au-dessus de la section d'essai pour éviter une réduction du chauffage. Les données recueillies à partir du logiciel de modélisation ont montré que le flux d'hydrogène à travers la section d'essai était régulier et uniforme, réduire la répartition inégale de la chaleur à travers la boucle qui pourrait compromettre la sécurité et la durée de vie de l'installation. L'analyse des résultats a également vérifié que l'acier inoxydable permettrait une construction plus pratique et plus rentable de la boucle.

« Nous sommes ravis de faire les premiers pas dans le développement d'une capacité unique de simulation d'environnement extrême à Penn State, " a déclaré Winfrey. "Ces travaux préliminaires nous permettront de poursuivre des recherches qui pourraient avoir un impact majeur sur l'avenir de l'exploration spatiale."

Avec d'autres recherches, Les travaux préliminaires de Searight pourraient permettre d'étendre les tests de matériaux qui pourraient un jour être mis en œuvre pour créer plus rapidement, des voyages spatiaux plus efficaces à l'aide de fusées à réacteur.

Récemment, Searight a reçu la bourse d'études supérieures George P. Shultz et James W. Behrens de l'ANS. Searight utilisera le prix pour soutenir ses futurs travaux sur la boucle de test. Le $3, 000 bourses honore Shultz, un défenseur de la non-prolifération nucléaire et récipiendaire de la Médaille présidentielle de la liberté décédé en février, et Behrens, un ancien membre du conseil d'administration de l'ANS qui a occupé de nombreux postes dans le secteur de la sécurité nationale.