Deployment strategy and preliminary cost analysis for a lunar nuclear power system

As part of the renewed international effort to return to the Moon and establish a long-term human presence, ensuring a reliable surface power system is a fundamental challenge. This thesis explores the deployment strategy of a fission-based lunar surface power system capable of supplying a continuous output of at least 50 electric kilowatt (kWe). The system is based on a Kilopower-like heat-pipe reactor, redesigned to use HALEU fuel and scaled to three configurations: 50, 100, and 200 thermal kilowatt (kWth). Six combinations of these reactors are analysed to meet the required power threshold. A detailed assessment of mission logistics is carried out. Ariane 64 is selected as the primary European launcher, with Vulcan Centaur as backup. A preliminary design of a lunar transfer vehicle (space tug) is developed to deliver the payload to the Gateway's NRHO orbit, evaluating three different trajectories and assuming storable bi-propellant propulsion. The feasibility of landing the system using NASA’s Human Landing System (HLS) cargo variants or ESA’s Argonaut lander is also discussed. To reduce the number of launches, different modularity strategies are proposed and modelled as a bin-packing problem, solved using a First-Fit Decreasing algorithm. The results are compared with the full-reactor launch approach to identify mass-efficient configurations. Finally, a preliminary cost analysis is performed by analogy with a NASA study on a reactor with similar features, using the cost-per-kWe as a scaling parameter. This enables an estimation of the total system cost for each configuration. A final discussion highlights the most promising options in terms of logistics, cost, and risk balance.

Nell'ambito del rinnovato sforzo internazionale per tornare sulla Luna e stabilire una presenza umana a lungo termine, garantire un sistema di alimentazione di superficie affidabile è una sfida fondamentale. Questa tesi esplora la strategia di implementazione di un sistema energetico a fissione collocato sulla superficie lunare, in grado di fornire una potenza continua di almeno 50 kilowatt elettrici (kWe). Il sistema si basa su un reattore a heat-pipe sul modello Kilopower, riprogettato per utilizzare combustibile HALEU e pensato in tre configurazioni: 50, 100 e 200 kilowatt termici (kWth). Sono state analizzate sei combinazioni di questi reattori per soddisfare la soglia di potenza richiesta. In primo luogo viene valutata la logistica della missione . Ariane 64 è stato scelto come lanciatore primario, con Vulcan Centaur come backup. Sono state valutate le performance e le caratteristiche di un veicolo cargo (space tug), utile per trasferire il payload all'orbita NRHO del Gateway, considerando tre diverse traiettorie e ipotizzando una propulsione bi-propellente immagazzinabile. Viene discussa anche la fattibilità dell'atterraggio del sistema utilizzando le varianti cargo HLS della NASA o il lander Argonaut dell'ESA. Per ridurre il numero di lanci, vengono proposte diverse strategie di modularità, modellate come un "bin-packing problem" e risolte con un algoritmo First-Fit Decreasing. I risultati sono confrontati con le ipotesi di lancio del reattore completo, per identificare le configurazioni più efficienti dal punto di vista della massa. Infine, viene eseguita un'analisi preliminare dei costi, con un metodo per analogia, utilizzando uno studio della NASA su un reattore con caratteristiche simili. Il costo per kWe viene usato come parametro per scalare i risultati. Ciò consente di stimare il costo totale del sistema per ogni configurazione. Una discussione finale evidenzia le opzioni più promettenti in termini di logistica, costi e bilanciamento dei rischi.