近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的一個團隊與一些大學生共同前往俄亥俄州立大學研究反應堆，開展了一項關于核熱火箭燃料涂層的新穎實驗。這項實驗有望助力美國宇航局(NASA)的宇航員更快、更有效地前往火星。

從后往前：Brandon Wilson、Bryan Conry、Pavel Shilenko 和 Emily Hutchins 聚集在俄亥俄州立大學研究反應堆周圍，準備使用 INSET 爐對涂層替代粒子進行輻照測試。圖片來源：Maria McGraw/俄亥俄州立大學

ORNL核能和極端環境測量小組研發人員Brandon Wilson表示：“我們的實驗旨在測試燃料涂層技術，并評估其是否能承受核熱火箭的極端環境。在極高溫度下測試材料是幫助NASA成熟和合格核燃料用于使用核熱推進(NTP)技術進行載人航天探索的第一步，也是至關重要的一步。”

核熱推進是一項可能改變NASA 2040年載人火星任務格局的技術。NTP發動機使用核反應堆將氫氣加熱到超高溫度，然后通過噴嘴排出加熱的氫氣，從而產生推力，使火箭比傳統化學火箭更有效地穿越太空。實際上，NTP發動機可以大幅縮短前往火星的時間，同時降低總體任務成本以及輻射和零重力對宇航員的影響。

然而，開發和測試能夠承受地球上任何其他環境條件的材料仍然是一個挑戰。為此，ORNL率先采用了一種用碳化鋯涂覆燃料和反應堆堆芯材料的技術，這種技術可以保護這些關鍵部件免受氫滲透和腐蝕，而不會影響反應堆的中子學。

為了在高溫和高輻射的綜合影響下測試這種涂層，ORNL核與極端環境測量小組的研究人員設計了堆內穩態極端溫度試驗臺(INSET)。這是一種專門設計用于在核反應堆內運行的高溫爐。INSET的第二代產品(INSET 2.0)由ORNL開發，田納西大學研究生Emily Hutchins做出了重要設計貢獻。它可以在大約五分鐘內將材料從室溫快速加熱到2200攝氏度，同時允許在中子輻照后快速處理，是一種經濟高效的選擇，可在反應堆內外進行多項實驗。

在核科學用戶設施超快速周轉實驗計劃的資助下，INSET被用于在俄亥俄州立大學研究反應堆對涂層替代粒子進行輻照測試。在那里，四種不同的核熱火箭燃料樣品替代品被涂上碳化鋯，并被放置在INSET中，在反復的溫度循環下進行輻照兩天。

實驗團隊包括Wilson、Hutchins、ORNL博士后研究員Bryan Conry以及西點軍校學員Pavel Shilenko。Hutchins和Shilenko是實驗的主要操作員，負責設置INSET爐子并在為期兩天的測試中記錄數據。

Wilson表示：“我為Emily和Pavel感到無比自豪。他們對這個項目的貢獻為這項研究創造了一個重要的里程碑。此外，他們也為我們帶來了一段學習經歷，我希望這段經歷能塑造他們未來成為核科學和工程領域的領導者。”

今年春季晚些時候，研究小組將在橡樹嶺國家實驗室進行輻照后分析，以評估涂層的性能及其在運行條件下保護燃料的能力。

Wilson指出：“這次實驗的結果將代表人類未來太空探索核熱推進技術向前邁出的關鍵一步。”

此外，ORNL的Katherine Montoya、Eddie Lopez Honorato、Craig Gray、Bob Sitterson、Nick Prins和N. Dianne Bull Ezell也參與了本次實驗。團隊感謝俄亥俄州立大學核反應堆實驗室的支持以及反應堆工作人員的協助。

這項研究得到了美國國家航空航天局和核科學用戶設施超快速周轉實驗計劃的資助。