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NERVA

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목차

1. 개요

NERVA(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)는 1960년대 미국에서 개발된 핵 로켓 엔진 프로그램이다. 제2차 세계 대전 중 핵 추진 로켓의 가능성이 제기된 이후, 로버 계획을 통해 기술적 기반을 다지고 NERVA 프로그램을 추진했다. NERVA는 높은 신뢰도와 비추력을 목표로 개발되었으며, 1960년대 후반 화성 탐사, 달 기지 건설 등 다양한 임무에 활용될 계획이었다. 그러나 베트남 전쟁으로 인한 예산 압박과 정치적 지지 감소로 1970년대 초 프로그램이 중단되었다. NERVA는 화학 로켓보다 높은 비추력을 제공하여 장거리 우주 비행에 유리하며, 화성 유인 탐사, 심우주 탐사, 달 기지 건설 등에 활용될 수 있었다. 이후에도 핵 열 로켓 개발에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있으며, DARPA와 NASA는 2023년 핵 열 로켓 엔진 개발에 협력할 계획을 발표했다.

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NERVA
NERVA (핵 로켓 엔진)
NERVA XE, ETS-1에서 시험 중
목적상단 로켓단 엔진
상태퇴역
종류액체
제조국미국
제작사에어로젯 (엔진)
웨스팅하우스 (원자로)
설계로스앨러모스 과학 연구소
관련우주 원자력 추진 사무소
후속없음
일반 정보
최초 시험정보 없음
마지막 시험정보 없음
설계자로스앨러모스 국립 연구소
액체 산화제정보 없음
액체 연료액체 수소
혼합비정보 없음
사이클터빈 구동
노즐 비정보 없음
연소 시간1,680초
길이6.9m
직경2.59m
건조 중량18,144kg
해면 추력정보 없음
진공 추력246,663N
진공 비추력841 isp
해면 비추력710 isp
연소실 압력3,861kPa
추력 대 중량비정보 없음
재시동 횟수24회
참고XE Prime 기준 수치
원자로 정보
개념정보 없음
설계정보 없음
작동 기간1968년 ~ 1969년
상태폐쇄
핵연료고농축 우라늄
핵연료 상태고체
스펙트럼 설명열
제어 방식제어 드럼
냉각제액체 수소
감속재흑연
열 출력1,137MW
사용 목적정보 없음
비고정보 없음

2. 역사

제2차 세계 대전 중, 맨해튼 계획에 참여했던 로스앨러모스 연구소의 과학자들은 핵 추진 로켓의 가능성을 처음으로 제시했다.[1] 1946년, 스탠 울람과 C. J. 에버렛은 원자 폭탄을 추진 수단으로 사용하는 오리온 계획의 기초가 되는 논문을 작성했다.[1]

전쟁 말 원자력의 공개는 많은 추측을 불러일으켰고, 영국에서는 발 클리버와 레슬리 셰퍼드가 핵 로켓 추진 문제를 독립적으로 연구했다. 이들은 1948년과 1949년에 핵 추진 로켓 설계를 개략적으로 설명하는 논문을 발표했다.[2]

1953년, 로버트 W. 부사드는 "로켓 추진을 위한 핵 에너지"에 대한 상세한 연구를 작성했다. 로스앨러모스 과학 연구소 (LASL) 부소장 다롤 프로만과 캘리포니아 대학교 리버모어 방사선 연구소 소장 허버트 요크는 핵 로켓 추진 위원회를 설립했다. 부사드의 연구는 존 폰 노이만의 관심을 끌었고, 그는 미사일의 핵 추진을 위한 임시 위원회를 구성했다. 위원회는 1955년 3월에 개발을 진행하여 대륙간 탄도 미사일 (ICBM) 용 핵 로켓 상단을 생산하는 것을 목표로 할 것을 권고했다.

미국 원자력 위원회 (AEC)는 신중한 입장이었으나, 핵 로켓은 클린턴 P. 앤더슨 상원 의원을 정치적 후원자로 얻었다. 그는 1957년 1월에 자금 지원을 확보하는 데 성공했다. 핵 로켓에 관한 모든 작업은 LASL에 통합되었고, 프로젝트 로버라는 암호명이 부여되었다.

2. 1. 기원

제2차 세계 대전 중, 맨해튼 계획에 참여했던 로스앨러모스 연구소의 과학자들은 핵 추진 로켓의 가능성을 처음으로 제시했다.[1] 1946년, 스탠 울람과 C. J. 에버렛은 원자 폭탄을 추진 수단으로 사용하는 오리온 계획의 기초가 되는 논문을 작성했다.[1]

전쟁 말 원자력의 공개는 많은 추측을 불러일으켰고, 영국에서는 발 클리버와 레슬리 셰퍼드가 핵 로켓 추진 문제를 독립적으로 연구했다. 이들은 1948년과 1949년에 핵 추진 로켓 설계를 개략적으로 설명하는 논문을 발표했다.[2]

1953년, 로버트 W. 부사드는 "로켓 추진을 위한 핵 에너지"에 대한 상세한 연구를 작성했다. 로스앨러모스 과학 연구소 (LASL) 부소장 다롤 프로만과 캘리포니아 대학교 리버모어 방사선 연구소 소장 허버트 요크는 핵 로켓 추진 위원회를 설립했다. 부사드의 연구는 존 폰 노이만의 관심을 끌었고, 그는 미사일의 핵 추진을 위한 임시 위원회를 구성했다. 위원회는 1955년 3월에 개발을 진행하여 대륙간 탄도 미사일 (ICBM) 용 핵 로켓 상단을 생산하는 것을 목표로 할 것을 권고했다.

미국 원자력 위원회 (AEC)는 신중한 입장이었으나, 핵 로켓은 클린턴 P. 앤더슨 상원 의원을 정치적 후원자로 얻었다. 그는 1957년 1월에 자금 지원을 확보하는 데 성공했다. 핵 로켓에 관한 모든 작업은 LASL에 통합되었고, 프로젝트 로버라는 암호명이 부여되었다.

2. 2. 로버 계획 (Project Rover)

1950년대 미국에서 본격적인 핵 로켓 연구가 시작되었다. 로버 계획(Project Rover)은 핵 로켓 엔진 개발을 위한 초기 단계였다. 이 계획은 뉴질랜드의 키위에서 이름을 따온 키위(Kiwi) 시리즈의 시험용 원자로 개발을 통해 핵 로켓 엔진의 개념을 입증하고 기술적 기반을 다졌다. 키위 로켓 엔진은 비행용이 아니었기 때문에 설계를 검증하고 사용된 재료의 거동을 시험하는 것이 목적이었다. 키위 프로그램은 수소 냉각 원자로 기술을 개선하는 데 초점을 맞춘 비행 불가능한 시험용 핵 엔진을 개발했다.

NASA 루이스 연구소의 진공로에서 기술자들이 키위 B-1 노즐의 시험을 준비하고 있다.


1959년 7월부터 1960년 10월까지 실시된 키위 A 시험에서는 3개의 원자로가 제작 및 시험되었다. 키위 A는 핵 로켓 엔진의 개념 증명으로, 핵반응기에서 우주 추진에 필요한 온도로 수소를 가열하고 원자로를 제어할 수 있음을 입증하여 성공적인 것으로 간주되었다.

키위 B 시험은 키위 A 엔진을 발전시켜 개선 사항을 적용한 것으로, 1961년 12월 7일 키위 B1A 시험으로 시작되었다. 1962년 9월 1일 키위 B1B 시험에서는 원자로에 심각한 구조적 손상이 발생하여 연료 모듈 구성 요소가 배출되었다. 1962년 11월 30일 키위 B4A 시험과 저온 유동 시험 결과, 문제는 원자로가 최고 출력으로 작동될 때가 아니라 최고 출력으로 가동될 때 수소가 가열되면서 유발되는 진동 때문인 것으로 밝혀졌다. 핵 로켓 엔진은 화학 엔진과 달리 치명적인 손상을 입은 후 폭발했을 가능성이 있음에도 불구하고, 파괴 시험을 거쳐도 안정적이고 제어가 가능했으며, 우주에서 견고하고 신뢰할 수 있음을 보여주었다.

케네디는 1962년 12월 7일 로스앨러모스 국립 연구소(LASL)에서 로버 계획에 대한 브리핑을 받았다.[9] 이는 대통령이 핵무기 연구소를 방문한 첫 번째 사례였다. 그는 린든 B. 존슨, 맥조지 번디 등 많은 수행원들을 대동하고 다음 날 잭애스 플랫츠를 방문하여 핵 실험장을 방문한 유일한 대통령이 되었다. 로버 계획은 1962년에 1억 8,700만 달러를 받았고, 미국 원자력 위원회(AEC)와 NASA는 1963년에 3억 6,000만 달러를 추가로 요청했다. 케네디는 행정부의 예산 어려움을 지적하며 로버 계획과 아폴로 계획 간의 관계를 질문했고, 핑거는 로버 계획이 보험 정책이며 달 기지 또는 화성 탐사와 같은 후기 아폴로 또는 아폴로 이후 임무에 사용될 수 있다고 답했다. 위즈너는 브라운과 혼그의 지지를 받아 1980년대 이전에 화성 탐사가 이루어질 수 없다면 RIFT를 1970년대까지 연기할 수 있다고 주장했다. 시먼스는 그러한 태도가 스푸트니크 쇼크와 미국의 위신 및 영향력 상실을 초래했다고 언급했다.

E-MAD 내부


1963년 1월, 앤더슨 상원의원은 미국 상원 항공우주 위원회 의장이 되었다. 그는 케네디와 단독 면담을 통해 시보그가 약속한 키위 진동 문제에 대한 "신속한 해결책"이 구현될 수 있다면 RIFT에 대한 추가 예산을 요청하는 데 동의했다. 그러나 핑거는 회의를 소집하여 "신속한 해결책"은 없을 것이라고 선언하고, LASL의 관리 구조를 비판하며 프로젝트 관리 구조를 채택할 것을 요구했다. 그는 진동 문제의 원인을 철저히 조사하고 시정 조치를 취하기 전에 그 원인을 확실히 알아야 한다고 강조했다. 3명의 SNPO 직원(LASL에서는 "세 마리의 장님 쥐"로 알려짐)이 핑거의 지시를 수행하기 위해 LASL에 배정되었다. 핑거는 NASA 센터의 진동 전문가, LASL, Aerojet 및 Westinghouse 직원들과 함께 핵분열성 물질이 없는 연료 성분을 사용한 "저온 유동" 원자로 시험을 실시했다. RIFT는 1963년 12월에 취소되었으나, 그 복귀에 대한 논의는 자주 있었지만 결코 이루어지지 않았다.

진동 문제를 해결하기 위해 일련의 설계 변경이 이루어졌다. 1964년 5월 13일 키위 B4D 시험에서는 원자로가 자동으로 시작되어 진동 문제 없이 잠시 최고 출력으로 가동되었다. 8월 28일 키위 B4E 시험에서는 원자로가 12분 동안 작동되었고, 그 중 8분은 최고 출력이었다. 9월 10일 키위 B4E는 다시 시작되어 2분 30초 동안 최고 출력으로 가동되어 핵 로켓 엔진을 끄고 다시 시작할 수 있는 능력을 보여주었다. 9월에는 키위 B4 엔진과 LASL에서 시험에 사용된 키위 원자로인 PARKA를 사용한 시험이 실시되었다. 두 원자로는 4.9m, 2.7m, 1.8m 간격으로 가동되었고 반응도 측정이 이루어졌다. 이 시험들은 한 원자로에서 생성된 중성자가 실제로 다른 원자로에서 핵분열을 일으킨다는 것을 보여주었지만, 그 효과는 3, 12, 24 센트로 무시할 만했다. 이 시험들은 핵 로켓 엔진이 화학 엔진처럼 클러스터될 수 있음을 보여주었다.

로스앨러모스 국립 연구소는 1952년부터 핵 로켓 연구를 시작했고, 1955년에 로렌스 리버모어 국립 연구소 부소장 허버트 요크/Herbert York영어가 원자로의 무게를 상당히 줄이는 방법을 가정하면서 로버 계획(Project Rover)으로 가속화되었다. 로버 계획이 예상보다 빠르게 진행되자 1961년까지 NASA의 마셜 우주 비행 센터는 임무 계획에 핵 로켓(원자력 로켓)을 도입하기 시작했다. 마셜 우주 비행 센터는 로스앨러모스 국립 연구소의 핵 로켓으로 늦어도 1964년에는 실험 비행 RIFT (Reactor-In-Flight-Test)를 수행하려 했고, 계획 및 감독의 필요성으로 SNPO를 조직했다. SNPO는 AEC와 NASA가 공동 사업을 할 수 있도록 창설되었고, 해럴드 핑거/Harold Finger영어가 초대 소장으로 임명되었다. 핑거는 RIFT를 연기하기로 결정하고, RIFT를 실시할 허가가 나오기 전에 핵 로켓 엔진의 목적을 엄격하게 정했다.

2. 3. NERVA 프로그램

존 F. 케네디 대통령(오른쪽)이 1962년 12월 8일 해롤드 핑거(왼쪽)와 글렌 시보그(뒤)와 함께 핵 로켓 개발 기지를 방문했다.


1960년대, 미국 항공우주국(NASA)과 미국 원자력 위원회(AEC)는 로버 계획의 성과를 바탕으로 NERVA(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) 프로그램을 공동으로 추진했다.[24] 이 프로그램은 NASA 우주 원자로 사무소의 책임자인 해럴드 핑거가 주도했다.[10]

1961년, 존 F. 케네디 대통령은 항공기 핵 추진 프로젝트를 취소했지만, 얼마 후 소련이 유리 가가린을 보스토크 1호에 태워 궤도에 진입시키는 데 성공하면서, 케네디 대통령은 의회 합동 회의에서 10년 안에 인간을 달에 착륙시키고 안전하게 지구로 귀환시키겠다는 목표를 발표하며 로버 핵 로켓 개발 가속화를 위한 추가 예산 투입을 선언했다.

NERVA 프로그램의 주요 목표는 높은 신뢰도를 갖는 핵 로켓 엔진을 개발하는 것이었다. SNPO는 99.7%의 신뢰도를 목표로 설정했으며, 이를 위해 에어로제트와 웨스팅하우스가 NERVA 엔진 개발에 참여했다.[10]

NERVA NRX/EST 엔진은 1966년에 일련의 시험을 거치며 기술적 성숙도를 입증했다.[24] 이 엔진은 외부 전원 없이 시동 및 재시동이 가능하고, 다양한 조건에서 안정적인 제어 특성을 보였으며, 여러 번의 재시동에도 내구성을 유지했다.[24] NRX/EST는 총 2시간 가까이 작동했으며, 최대 출력에서 28분을 포함하여 이전의 키위 원자로 작동 시간을 크게 넘어섰다.[24]

NERVA XE 엔진은 1960년대 후반에 개발되어 비행 시스템에 최대한 가깝게 설계되었다.[11] 이 엔진은 진공 상태에서의 점화를 시뮬레이션하기 위해 진공실을 향해 아래쪽으로 점화되었다. 총 작동 시간은 115분이었으며, 28회의 시동을 포함했다. NASA와 SNPO는 이 시험을 통해 핵 로켓 엔진이 우주 비행에 적합하며, 화학 로켓 시스템의 두 배의 비추력으로 작동할 수 있음을 확인했다고 판단했다.[24]

NERVA 프로그램은 1960년대 후반, 화성 탐사, 달 기지 건설, 심우주 탐사 등 다양한 임무에 활용될 계획을 세웠다.

원자로시험 날짜시작평균
최대 출력
(MW)		최대 출력
시간
(초)		추진제
온도
(챔버) (K)		추진제
온도
(출구) (K)		챔버
압력
(kPa)		유량
(kg/s)		진공
비추력
(s)
NERVA A2210964021192229400634.3811
NERVA A3310939902189>2400393033.3>841
NRX EST1111448302292>2400404739.3>841
NRX A5211205802287>2400404732.6>841
NRX A621199362324062558415132.7869
XE PRIME28113716802267>2400380632.8>841



출처:

2. 4. 정치적 지원 중단과 계획 중단

1960년대 말부터 베트남 전쟁으로 인한 예산 압박은 NERVA에 대한 정치적, 재정적 지원 감소로 이어졌다.[12] 의회는 1967년 예산에서 NERVA II의 자금 지원을 중단했지만, 존슨 대통령은 미국의 메디케어 법안에 대한 앤더슨 상원의원의 지지가 필요했기에, 1967년 2월 7일 그는 자신의 비상 자금에서 NERVA II를 위한 자금을 제공했다.

1970년 NASA의 통합 프로그램에서 우주 왕복선, 핵 셔틀 및 우주 예인선의 사용을 보여주는 아티스트 컨셉


1969년 리처드 닉슨이 대통령으로 취임하면서, NASA 프로그램 자금은 미국 연방 예산에서 삭감되었고, 토성 V 생산 라인이 중단되었다.[13] 1970년 NASA는 아폴로 20호를 취소하고, 스카이랩 발사에 토성 V 로켓을 사용하기로 결정했다.[14]

프로젝트 로버 및 NERVA 예산 (백만 달러)
프로그램 요소AECNASA
키위21.9136.9
NERVA334.4346.5
RIFTstyle="text-align:right;"|19.1
연구 및 기술200.7138.7
NRDS 운영75.319.9
장비 의무43.4style="text-align:right;"|
시설82.830.9
총계873.5567.7



NASA는 태양계 "그랜드 투어"에 토성 V와 NERVA를 사용하는 것을 고려했지만, 아폴로 11호 달 착륙 이후 유인 우주 탐사에 대한 대중적 관심이 줄어들면서 NERVA 계획은 정치적 지지를 잃었다.

1971년, 닉슨은 NERVA를 폐지하려 했으나, 클린턴 프레스바 앤더슨 상원의원과 마거릿 체이스 스미스 상원의원은 닉슨의 보잉 2707 초음속 수송기 (SST) 프로젝트를 폐지하는 것으로 대응했다. 1972년 의회는 NERVA를 다시 지원했지만, 닉슨 행정부는 NERVA를 취소하기로 결정하고 1973년 1월 5일 NERVA 프로그램 종료를 발표했다. 17년간의 연구 개발에 약 14억 달러가 투입되었지만, NERVA 엔진은 한 번도 비행하지 못했다.[15]

NERVA 계획을 옹호하던 클린턴 프레스바 앤더슨 상원의원이 중병에 걸리고, 유인 우주 탐사를 지지하던 린든 B. 존슨 대통령이 재선에 출마하지 않기로 결정하면서 NERVA 계획은 더욱 어려움을 겪었다.

2. 5. NERVA 이후 연구

1983년, 전략 방위 구상("스타워즈")은 화학 로켓보다 더 강력한 로켓이 필요한 임무와, 더 강력한 로켓만이 수행할 수 있는 임무를 식별했다. 핵 추진 프로젝트인 SP-100은 1983년 2월에 시작되었으며, 100KW급 핵 로켓 시스템 개발을 목표로 했다. 이 개념은 브룩헤븐 국립 연구소의 제임스 R. 파월이 개발한 입자/조약돌형 원자로를 통합했다.

양극성 핵 열 로켓의 아티스트 묘사


1987년부터 1991년까지는 비밀 프로젝트인 프로젝트 팀버 윈드라는 암호명으로 자금이 지원되었으며, 1억 3,900만 달러가 사용되었다. 제안된 로켓 프로젝트는 1991년 10월에 공군 필립스 연구소의 우주 핵 열 추진(SNTP) 프로그램으로 이전되었다. NASA는 1992년 우주 탐사 이니셔티브 (SEI)의 일환으로 연구를 수행했지만, SNTP가 NERVA에 비해 충분한 개선을 제공하지 못하고, 어떤 SEI 임무에도 필요하지 않다고 판단했다. SNTP 프로그램은 2억 달러가 지출된 후 1994년 1월에 종료되었다.

민첩한 시스루나 운영을 위한 시연 로켓 (DRACO) 우주선의 아티스트 컨셉


2013년, 행성 간 우주 비행을 위한 지구 궤도에서 화성 궤도로 왕복하는 엔진이 MSFC에서 핵 열 로켓(NTR) 엔진에 초점을 맞춰 연구되었다.[15] NTR은 가장 진보된 화학 엔진보다 최소 두 배 이상 효율적이므로, 더 빠른 이동 시간과 증가된 화물 수송 능력을 가능하게 한다. NTR 엔진을 사용하면 비행 기간이 3~4개월로 단축되는데,[16] 승무원의 방사선 차폐가 어렵고 위험할 수 있는 우주선 노출을 줄여준다. NTR 엔진은 화성 설계 참조 구조 (DRA)에서 선택되었다.

2019년 5월 22일, 의회는 핵 열 추진 로켓 개발을 위해 1억 2,500만 달러의 자금 지원을 승인했다.[17][18] 2020년 10월 19일, 시애틀에 본사를 둔 Ultra Safe Nuclear Technologies는 NASA가 지원하는 NTR 연구의 일환으로 고농축 저농축 우라늄 (HALEU) ZrC 캡슐화 연료 입자를 사용하는 NTR 설계 컨셉을 분석 역학 협회 (AMA)가 관리하는 NASA에 전달했다.[19][20] 2023년 1월, NASA와 국방 첨단 연구 계획국 (DARPA)은 화성으로의 유인 NASA 임무에 사용할 핵 추진 능력을 개발하기 위해 우주에서 시험될 핵 열 로켓 엔진 개발에 협력할 것이라고 발표했다.[21] 2023년, DARPA는 민첩한 시스루나 운영을 위한 시연 로켓(DRACO) 원자로와 연료를 BWXT가 공급할 것이라고 발표했다.[22]

3. 기술적 특징

3. 1. 작동 원리

로켓 엔진은 원하는 궤적과 반대 방향으로 작동 질량을 가속하여 추력을 생성한다. 기존 설계에서는 유체를 가열하고 이를 로켓 노즐을 통해 배출하여 이를 수행한다. 열을 생성하는 데 필요한 에너지는 대부분의 고체 연료 로켓의 경우처럼 연료에서 화학 반응이 일어나거나, 대부분의 액체 연료 로켓의 경우처럼 별도의 탱크에서 혼합되어 제공된다.[3] 사용할 연료를 선택하는 것은 반응 에너지, 연료의 질량, 생성된 작동 유체의 질량, 밀도 및 쉽게 펌핑할 수 있는지 여부와 같은 다른 실용적인 문제들을 고려해야 하는 복잡한 작업이다.[4]

원자력 로켓 엔진은 화학 반응 대신 원자로를 사용하여 연료를 가열하는 에너지를 제공한다. 핵 열 로켓은 핵분열 반응에서 발생하는 열에너지를 이용하여 추진제(주로 수소)를 가열하고, 이를 노즐을 통해 분사하여 추력을 얻는다. 핵반응은 화학 반응보다 훨씬 강력하기 때문에, 소량의 원자로로 많은 양의 화학 물질을 대체할 수 있다. 열원이 작동 질량과 독립적이므로, 작동 유체는 근본적인 반응 에너지와 상관없이 주어진 작업에 대해 최대 성능을 발휘하도록 선택할 수 있다. 분자량이 낮기 때문에 일반적으로 수소를 사용한다. 이러한 특징의 조합은 원자력 엔진이 화학 엔진보다 성능이 뛰어나도록 한다. 일반적으로 화학 엔진의 비추력보다 최소 두 배 이상의 성능을 목표로 한다.[5]

3. 2. 구성 요소

NERVA 엔진은 일반적인 액체 화학 엔진과 유사하게 작동하며, 터보펌프를 사용하여 추진제를 반응 챔버로 펌핑한다. 반응 챔버는 주로 반응로의 크기 때문에 더 크다.

핵 엔진의 연료로는 플루토늄-239, 우라늄-235, 우라늄-233이 고려되었으나, 최종적으로 우라늄-235가 선택되었다. 반응로의 구조 재료로는 흑연과 금속이 고려되었으며, 흑연이 저렴하고 고온에서 강도가 높아지는 특성 때문에 선택되었다.

반응로 제어는 흑연 또는 베릴륨 (중성자 감속재)과 붕소 (중성자 독)로 코팅된 제어 드럼을 회전시켜 이루어졌다. 수소는 효율적인 핵 감속재이므로, 추진제 흐름을 증가시키면 반응 속도가 증가하고, 이는 수소에 의한 냉각을 상쇄하는 효과를 가져온다. 이러한 상반된 효과는 반응성을 안정시켜, 핵 로켓 엔진은 본질적으로 안정적이며 수소 흐름만으로 추력을 쉽게 제어할 수 있다.

NERVA는 방사선 차폐를 위해 탄화 붕소 (), 알루미늄 및 수소화 티타늄 ()의 혼합물인 BATH를 사용했다. BATH는 강력하고 고온에 강하며 우수한 방사선 차폐 특성을 가진다.

3. 3. 설계 개념

NERVA는 터보펌프를 사용하여 액체 수소를 반응 챔버로 펌핑하는 방식으로 작동하는 핵 로켓 엔진이다. 반응로의 연료로는 플루토늄-239, 우라늄-235, 우라늄-233이 고려되었으나, 최종적으로 우라늄-235가 선택되었다. 반응로의 구조 재료로는 흑연과 금속이 고려되었는데, 금속 중에서는 텅스텐이 유력했지만, 가격, 가공성, 중성자 특성 문제로 인해 텅스텐-184 사용이 제안되었다. 그러나 결국 저렴하고 고온에서 강도가 높아지는 흑연이 선택되었다.

반응로 제어는 흑연 또는 베릴륨으로 코팅된 제어 드럼과 붕소 (중성자 독)을 사용하여 이루어졌다. 수소는 효율적인 핵 감속재이므로, 추진제 흐름을 증가시키면 코어 내 반응 속도도 증가한다. 이러한 설계 덕분에 핵 로켓 엔진은 본질적으로 안정적이며, 추력 제어가 용이하다.

NERVA는 방사선 차폐를 위해 탄화 붕소 (), 알루미늄, 수소화 티타늄 ()의 혼합물인 BATH를 사용했다. BATH는 강력하고 고온에 강하며 우수한 방사선 차폐 특성을 가지고 있다.

LASL은 여러 설계 컨셉을 제작했으며, 1956년에는 ICBM 상단으로 사용될 2,700 MW 설계가 결정되었다. NERVA는 추력 25톤, 연소시간 1680초의 로켓 엔진으로, 1969년 3월 연소시험에 성공했다.

3. 4. 장점

NERVA는 화학 로켓보다 훨씬 높은 비추력(연료 효율)을 제공한다. NERVA 엔진의 비추력은 약 850초로, 화학 로켓의 2배 이상이다. 높은 추력을 발생시켜 우주선의 가속 성능을 향상시킨다. 이러한 높은 비추력과 추력 덕분에 장거리 우주 비행에 유리하다.

NERVA의 진공 추력은 333.6 kN이고, 진공 비추력은 850 s (8.09 kN・s/kg)이다.

3. 5. 단점

4. 응용 분야

4. 1. 우주 탐사

NASA는 1978년까지 화성 왕복, 1981년까지 달 기지에서 NERVA를 영구적으로 활용하는 계획을 세웠다.[25] NERVA 로켓은 다양한 궤도의 우주 정거장이나 달 기지에 물자를 보급하고, 저궤도에서 더 큰 궤도로 페이로드를 운반하는 "예인선"으로 사용될 예정이었다. 또한 새턴 로켓(새턴 S-N)의 상단 스테이지로, 34만 파운드까지의 더 큰 페이로드를 저궤도로 운반하는 데 사용될 예정이었다.[25]

핵을 연료로 사용하는 새턴 C-5는 화학 연료 버전보다 2배에서 3배의 페이로드를 운반할 수 있었다.[25] 베르너 폰 브라운도 NERVA를 사용하여 회전하는 도넛형 우주선에 의한 유인 화성 비행을 제안했다.[25] 1960년대부터 1970년대 초까지 NASA의 많은 화성 비행 계획에서 NERVA를 사용할 예정이었다.[25]

NERVA는 높은 비추력과 추력을 바탕으로 화성 유인 탐사에 필수적인 요소로 여겨졌다. 또한, 심우주 탐사, 즉 태양계 외행성 탐사나 소행성 탐사 등 장거리 우주 탐사에 유리하며, 달 기지 건설 및 운영에 필요한 물자 수송에도 활용될 수 있다는 장점을 지녔다.

4. 2. 기타

5. 대한민국에서의 핵 열 로켓 개발

5. 1. 현황

5. 2. 잠재적 가능성

5. 3. 더불어민주당의 입장

6. 결론

참조

[1] 웹사이트 On a Method of Propulsion of Projectiles by Means of External Nuclear Explosions. Part I https://apps.dtic.mi[...] Los Alamos Scientific Laboratory 1955-08
[2] 뉴스 Leslie Shepherd https://www.telegrap[...] 2012-03-16
[3] 웹사이트 Rocket Propulsion https://www.grc.nasa[...] NASA
[4] 웹사이트 Rocket Fuels https://www.marssoci[...] Mars Society 2021-03-25
[5] 웹사이트 6 Things You Should Know About Nuclear Thermal Propulsion https://www.energy.g[...] US Department of Energy 2021-12-10
[6] 뉴스 Moon Rocket Flight 'In Decade' http://nla.gov.au/nl[...] 1961-06-09
[7] 웹사이트 Excerpt from the 'Special Message to the Congress on Urgent National Needs' https://www.nasa.gov[...] NASA 2004-05-24
[8] 웹사이트 Nuclear Test Ban Treaty https://www.jfklibra[...] JFK Library
[9] 뉴스 Los Alamos Remembers Visit by JFK https://www.lamonito[...] 2013-11-22
[10] 서적 Annual Report to Congress of the Atomic Energy Commission for 1964 https://doi.org/10.2[...] US Atomic Energy Commission 1965-01-29
[11] 뉴스 NERVA Rocket http://nla.gov.au/nl[...] 1969-05-08
[12] 뉴스 $24,000m for Trip to Mars http://nla.gov.au/nl[...] 1969-08-04
[13] 뉴스 Nuclear Power Will Make It Possible in Due Course to Colonise the Moon and the Planets http://nla.gov.au/nl[...] 1967-12-04
[14] 웹사이트 50 Years Ago: NASA Cancels Apollo 20 Mission https://www.nasa.gov[...] NASA 2020-01-04
[15] 웹사이트 NASA Researchers Studying Advanced Nuclear Rocket Technologies http://www.space-tra[...] Space Media Network 2013-01-10
[16] 웹사이트 How long would a trip to Mars take? http://image.gsfc.na[...] NASA
[17] 뉴스 Earth to Mars in 100 days: The Power of Nuclear Rockets https://phys.org/new[...] Universe Today 2019-07-01
[18] 간행물 Momentum Grows for Nuclear Thermal Propulsion https://spacenews.co[...] 2019-05-22
[19] 웹사이트 Ultra Safe Nuclear Technologies Delivers Advanced Nuclear Thermal Propulsion Design To NASA https://usnc.com/ult[...] Ultra Safe Nuclear Technologies 2020-10-19
[20] 뉴스 New Nuclear Engine Concept Could Help Realize 3-Month Trips to Mars https://newatlas.com[...] New Atlas 2020-10-25
[21] 간행물 NASA, DARPA Will Test Nuclear Engine for Future Mars Missions https://www.nasa.gov[...] NASA 2023-01-25
[22] 간행물 BWXT to Provide Nuclear Reactor Engine and Fuel for DARPA Space Project https://www.bwxt.com[...] BWX Technologies 2023-07-26
[23] Youtube Nuclear Propulsion in Space (Project NERVA) 1968 NASA-Atomic Energy Commission https://www.youtube.[...]
[24] 문서 An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program NASA Lewis Research Center, NASA 1991-07
[25] 서적 To The End Of The Solar System: The Story Of The Nuclear Rocket Apogee


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