Exploring helium as an alternative propellant for Nuclear Thermal Propulsion

The potential use of helium as a propellant for Nuclear Thermal Propulsion (NTP) systems has been investigated as an alternative to traditional hydrogen, with a comparison of the performance of both propellants. Although the helium presents drawbacks such as lower specific impulse and a low boiling point, its inertness improves safety during ground refueling and eliminates the risk of core materials corrosion during operation which could lead to the failure of the fuel elements. Using the NERVA KIWI-B-4E reactor as a baseline, this work conducts a neutronic analysis to evaluate the dimensions of the reactor, followed by a thermal and fluid dynamics assessment of the core. Additionally, it has been evaluated the engine performance and the nozzle regenerative cooling. Finally, a mission analysis to Mars and Jupiter was conducted to assess the performance of helium as a NTP propellant against hydrogen and traditional chemical propulsion. The findings suggest that while the helium can be used in an NTP system, its performance is inferior to hydrogen across several propulsive parameters. However, helium’s inertness may be attractive for early in-space testing of the system, where ground and operational safety are critical concerns for nuclear systems.

Il potenziale uso dell'elio come propellente per la Propulsione Termica Nucleare è stato investigato come alternativa al tradizionale idrogeno, con una comparazione dei due propellenti. Nonostante l'elio presenti degli svantaggi come un impulso specifico più basso e un punto di ebollizione prossimo allo zero assoluto, il suo essere inerte incrementa la sicurezza durante le operazioni di rifornimento a terra e elimina il rischio di corrosione dei materiali nel reattore che potrebbero portare alla rottura degli elementi di combustibile. Utilizzando i dati del reattore KIWI-B-4E del programma NERVA come riferimento, è stata prima condotta un'analisi sulla neutronica del reattore per valutarne le dimensioni, seguita da un'analisi termica e fluidodinamica del nocciolo. Inoltre, sono state valutate le performance del motore e del raffreddamento rigenerativo dell'ugello. Infine, è stata condotta un'analisi di missione verso Marte e Giove, per stimare le performance dell'elio nella Propulsione Termica Nucleare, le quali sono state comparate a quelle della Propulsione Termica ad idrogeno e a quelle dei tradizionali motori chimici. I risultati suggeriscono che sebbene l'elio possa essere usato come propellente nella propulsione termica nucleare, le sue performance sono inferiori rispetto a quelle dell'idrogeno in diversi parametri propulsivi. Tuttavia, l'inerzia chimica dell'elio potrebbe essere un'opzione vantaggiosa per i primi test del sistema nello spazio, in cui la sicurezza a terra e durante il volo sono le criticità più importanti per un sistema nucleare.