Design and optimization of a nuclear thermal propulsion system using coupled multiphysics analyses for a LEO-to-GEO Tug

With the space sector rapidly accelerating, and every year seeing more launches than the previous, a critical problem emerges: most space missions remain single‑use, with satellites and rocket stages becoming debris, or, in the case of GEO missions, being moved to graveyard orbits. In this context, Nuclear Thermal Propulsion (NTP) could represent a first step towards a circular space economy, powering reusable nuclear tugs performing near-Earth servicing missions. This thesis presents the design and optimization of an NTP system specifically tailored for such operational scenarios, covering all the aspects from mission analysis to coupled neutronic and thermo-hydraulic simulations. To achieve this, a comprehensive review of the state of the art was conducted to define the technological baseline. Unlike historical NTP programs, non-proliferation treaties require the use of High-Assay Low-Enriched Uranium (HALEU) fuel, forcing the use of larger and heavier reactors. With this in mind, preliminary mission analysis considerations were performed to size the engine and nuclear stage, utilizing RSMASS for simple mass estimation. With these figures, higher-order models were used in design process, performing neutronics and thermo-hydraulics simulations. In this framework, OpenMC was used to perform the former while the latter were conducted using ntpThermo, a code derived from literature, expanded and adapted to all types of NTP designs. A trade-off analysis was conducted on the feasible designs and the Particle Bed Reactor (PBR) was identified as the most convenient configuration. The PBR was then optimized to minimize the total mass, bringing the whole engine to 1.3 t. Finally, the study addressed safety considerations, in particular in regard to contingency water landing and lifetime considerations through fuel burnup calculations. Showing excellent performance, with a specific impulse of almost 1000 s and a thrust greater than 70 kN, the proposed PBR configuration offers considerable mass savings compared to chemical propulsion, confirming the feasibility and performance advantages of NTP for reusable tugs.

Con la rapida accelerazione del settore spaziale e un numero di lanci in costante crescita ogni anno, emerge un problema fondamentale: la maggior parte delle missioni rimane di tipo "usa e getta", con satelliti che si trasformano in detriti o, nel caso delle missioni in orbita geostazionaria (GEO), vengono relegati in orbite cimitero. In questo contesto, la Propulsione Termo-Nucleare (NTP) può rappresentare un primo passo decisivo verso un'economia spaziale circolare, abilitando l'uso di tug nucleari riutilizzabili destinati a missioni di servizio in prossimità della Terra. Questa tesi presenta la progettazione e l'ottimizzazione di un sistema NTP specificamente concepito per tali scenari operativi, coprendo l'intero spettro di sviluppo, dall'analisi di missione fino alle simulazioni coniugate neutroniche e termoidrauliche. Per raggiungere questo obiettivo, è stata inizialmente condotta una revisione approfondita dello stato dell'arte per definire la base tecnologica di partenza. A differenza dei programmi storici, i moderni trattati di non proliferazione impongono l'uso di combustibile HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), costringendo all'uso di reattori più voluminosi e pesanti. Tenendo conto di questo vincolo, sono state effettuate valutazioni preliminari sul profilo di missione per dimensionare il motore e lo stadio nucleare, avvalendosi di RSMASS per una stima iniziale delle masse. Sulla base di questi dati, il processo di progettazione ha integrato modelli più accurati, eseguendo simulazioni neutroniche e termoidrauliche avanzate. In particolare, le prime sono state realizzate utilizzando OpenMC, mentre le seconde hanno impiegato ntpThermo, un codice derivato dalla letteratura che è stato ampliato e riadattato per coprire tutte le tipologie di design NTP studiate. Una successiva analisi di trade-off sulle architetture fattibili ha permesso di identificare il reattore a letto di particelle (PBR) come la configurazione più vantaggiosa. Il PBR è stato quindi sottoposto a un ciclo di ottimizzazione per minimizzare la massa totale, portando l'intero motore a pesare solamente 1.3 t. Infine, lo studio ha affrontato le criticità legate alla sicurezza, in particolare per quanto riguarda le eventualità di ammaraggio d'emergenza, e considerazioni sulla vita operativa attraverso calcoli di burnup del combustibile. Dimostrando prestazioni eccellenti, con un impulso specifico di quasi 1000 s e una spinta superiore a 70 kN, la configurazione PBR proposta offre un notevole risparmio di massa rispetto ad un'equivalente propulsione chimica, confermando la fattibilità e la superiorità in prestazioni della tecnologia NTP per tug riutilizzabili.