Nukleär termisk framdrivning, som använder värme från kärnreaktioner som bränsle, skulle kunna användas en dag i mänsklig rymdfärd, möjligen även för uppdrag till Mars. Dess utveckling, dock, utgör en utmaning. Materialen som används ska kunna motstå hög värme och bombardering av högenergipartiklar regelbundet.

Will Searight, en doktorand i kärnteknik vid Penn State, bidrar till forskning som skulle kunna göra dessa framsteg mer genomförbara. Han publicerade resultat från en preliminär designsimulering i Fusionsvetenskap och teknik , en publikation av American Nuclear Society.

För att bättre undersöka nukleär termisk framdrivning, Searight simulerade ett småskaligt laboratorieexperiment som kallas en vätetestloop. Uppställningen efterliknar en reaktors drift i rymden, där strömmande väte färdas genom kärnan och driver raketen — vid temperaturer upp till nästan 2, 200 grader Fahrenheit. Searight utvecklade simuleringen med hjälp av dimensioner från detaljerade ritningar av bindrör, komponenterna som utgör mycket av testslingan genom vilken väte flödar. Branschpartnern Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) lämnade ritningarna.

"Att förstå hur USNC:s komponenter beter sig i en het vätemiljö är avgörande för att föra våra raketer till rymden, " sade Searight. "Vi är glada över att arbeta med en av huvudreaktorentreprenörerna för NASA:s kärnkraftsprojekt för rymdframdrivning, som strävar efter att producera en demonstrationsmotor för termisk kärnkraft inom ett decennium."

Rådgiven av Leigh Winfrey, docent och grundutbildningsordförande i kärnteknik, Searight använde Ansys Fluent, en modellprogramvara, att designa en simuleringsslinga från ett rostfritt stålrör med en ytterdiameter på cirka två tum. I modellen, slingan ansluts till en vätepump och cirkulerar hett väte genom en testsektion i anslutning till ett värmeelement.

Searight fann att medan konsekvent uppvärmning av väte till 2, 200 grader Fahrenheit var möjligt, det var nödvändigt att inkludera ett värmeelement direkt ovanför testsektionen för att förhindra en minskning av uppvärmningen. Data som samlats in från modelleringsmjukvaran visade att vätgasflödet genom testsektionen var jämnt och enhetligt, minska ojämn fördelning av värme genom slingan som kan äventyra installationens säkerhet och livslängd. Analys av resultaten verifierade också att rostfritt stål skulle möjliggöra en mer bekväm och kostnadseffektiv konstruktion av slingan.

"Vi är glada över att ta de första stegen i att utveckla en unik förmåga för simulering av extrema miljöer i Penn State, "Sade Winfrey. "Detta preliminära arbete kommer att göra det möjligt för oss att bedriva forskning som kan ha stor inverkan på framtiden för rymdutforskning."

Med ytterligare forskning, Searights preliminära arbete skulle kunna möjliggöra utökad testning av material som en dag skulle kunna implementeras för att skapa snabbare, effektivare rymdresor med reaktordrivna raketer.

Nyligen, Searight fick George P. Shultz och James W. Behrens Graduate Scholarship från ANS. Searight kommer att använda priset för att stödja sitt framtida arbete med testslingan. $3, 000 stipendier hedrar Shultz, en förespråkare för icke-spridning av kärnvapen och mottagare av Presidential Medal of Freedom som dog i februari, och Behrens, en tidigare styrelseledamot i ANS som innehaft ett flertal befattningar inom den nationella säkerhetssektorn.