JP2023537855A - 核熱推進段階のための統合型アンモニア系減速材及び推進剤 - Google Patents

核熱推進段階のための統合型アンモニア系減速材及び推進剤 Download PDF

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Abstract

Figure 2023537855000001
統合型減速材－推進剤の技術により、２つの目的を兼ねる流体が、核熱推進（ＮＴＰ）システムなどの原子炉システムにおいて核減速剤並びに推進剤の両方として機能することが可能になる。ＮＴＰシステムの質量効率を高め、運転中の全体的な性能を向上させることによって、統合型減速材－推進剤の技術は、ＮＴＰシステムにおいての有益なペイロード効率を向上させる。有利なことに、統合型減速材－推進剤の技術は、ＮＴＰシステム運転の大部分において専用の貯蔵スペースをほとんどから全く必要としない。例えば、統合型減速材－推進剤は、アンモニア（ＮＨ３）であり、これは、ＮＴＰシステムの減速要件並びに推進要件を満たしている。
【選択図】図２Ａ

Description

発明の詳細な説明
［関連出願の相互参照］
[0001]本出願は、２０２０年８月１７日に出願された名称「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ａｍｍｏｎｉａ－Ｂａｓｅｄ Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｓｔａｇｅｓ」の米国仮特許出願第６３／０６６，４２２号の優先権を主張し、その開示全体を参照により本明細書に組み込む。
［技術分野］
[0002]本主題は、核熱推進（ＮＴＰ）システム及び原子炉システムの例に関する。本主題はまた、統合型減速材－推進剤を用いる核熱推進用原子炉の減速及び推進を包含する。
［背景］
[0003]ロケットに一般に配備される従来の化学系推進システムは、推力を生成するために、酸素などの酸化剤に依存して、化学反応を生じさせる。核熱推進（ＮＴＰ）システムは、化学系燃料をはるかに超える推力値をもたらす可能性がある。通常、これは、原子炉からの熱エネルギーを利用して、推進剤、通常は低分子量の水素を２，６００ケルビン超に加熱することによって行われる。
[0004]ＮＴＰは、地球低軌道の域を超える有人探査に最適な推進システムになる可能性のある魅力的な技術である。多くの探査アーキテクチャでは、ＮＴＰが、高い比推力で作動しながら著しい量の推力を生成することができるため、２０３０年代の有人火星探査にとって好ましい手法であると言われている。
[0005]ＮＴＰシステムの設計は、ＮＡＳＡによって行われたロケット飛翔体応用原子力エンジン（ＮＥＲＶＡ）の研究にさかのぼる。ＮＥＲＶＡの設計は通常、小型核分裂炉、ターボポンプアセンブリ（ＴＰＡ）、ノズル、放射線遮蔽体、様々な推進剤ライン、圧力容器、及び支援ハードウェアからなる。膨張サイクル中に推進剤によって得られた熱エネルギーは、ロケットに動力を供給するために使用される。
[0006]従来のＮＴＰ設計では、タンクは、推進剤としての水素（Ｈ２）を貯蔵する。この水素推進剤タンクは、宇宙などの探査にとって十分な量の水素を入れるために十分な大きさでなければならない。水素の密度及び沸点はそれほど高くないため、タンクの質量及び大きさは通常非常に大きい。したがって、水素推進剤は、質量効率のよい形態及び小さな形状因子でタンク内に貯蔵することが困難である。
[0007]さらに、従来の水素推進剤を利用するには、極低温冷凍機及び多層断熱材（ＭＬＩ）などの極低温装置が必要である。極低温装置は高価であり、したがって、特に宇宙での費用対効果の高い探査に資するものではない。したがって、従来の水素推進剤は、費用対効果があまり良くない。極低温装置及びタンクを含めた、従来の水素推進剤を使用するＮＴＰシステムに必要な機器の質量は大きく、水素推進剤を利用するには、ロケットのフェアリングをより大きく且つより複雑にする必要がある。水素貯蔵タンクと比較して、軽量で、形状因子が小さく、表面積と体積の比が比較的大きい、より小型のタンクに高密度の液体として貯蔵できる代替推進剤が必要とされている。
［概要］
[0008]したがって、ＮＴＰシステム及びそのようなＮＴＰシステムを組み込むデバイスには、さらなる改善の余地がある。本明細書に開示する統合型減速材－推進剤の技術は、ＮＴＰシステムの質量効率を高め、運転中の全体的な性能を向上させる。単一目的の非減速型水素推進剤とは対照的に、統合型減速材－推進剤の技術は、ＮＴＰ運転の大部分において専用の貯蔵スペースをほとんどから全く必要としない。統合型減速材－推進剤の技術により、有利なことに、２つの目的を兼ねる流体がＮＴＰシステムにおいて核減速材並びに推進剤（例えば、ロケット用）の両方として機能することが可能になり、それによって、ＮＴＰシステムがより軽量になり、形状因子が小型化し（かさばらない）、費用対効果が良くなる。
[0009]一例では、核熱推進システムは、圧力容器、及びその圧力容器内に配置された原子炉炉心を含む。原子炉炉心は、統合型減速材－推進剤を流すための減速材領域、及びその減速材領域内に配置された燃料集合体の配列を含む。各燃料集合体は、核燃料と、核燃料内に形成された、且つ統合型減速材－推進剤を推力室に流すために減速材領域に連結された冷却材チャネルの配列とを含む。統合型減速材－推進剤は、アンモニア（ＮＨ３）を含むことができる。
[0010]各燃料集合体は、核燃料と冷却材チャネルの配列とを囲む絶縁層、その絶縁層を囲む内缶、その内缶を囲んで配置された統合型減速材－推進剤リターン部、及び外缶をさらに含むことができる。統合型減速材－推進剤リターン部は、内缶と外缶との間に置かれ得る。外缶は、減速材領域に直接連結することができ、絶縁層は、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）で形成され得る。圧力容器は、チタン合金、アルミニウムステンレス鋼合金、又はニッケル－クロム系超合金で形成され得る。内缶は、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体又はジルコニウム合金で形成され得る。外缶は、ＳｉＣ－ＳｉＣ複合体、ベリリウム（Ｂｅ）複合体、又はステンレス鋼合金で形成され得る。核燃料は、高温マトリックス内に埋め込まれた被覆燃料粒子で構成され得る。高温マトリックスは、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ニオブ、タングステン、モリブデン、又はこれらの組合せを含むことができる。被覆燃料粒子は、三重構造等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子、二重構造等方性（ＢＩＳＯ）燃料粒子、又はＴＲＩＺＯ燃料粒子を含むことができる。ＢＩＳＯ燃料粒子は、窒化ウラン（ＵＮ）で形成された燃料核を含むことができる。
[0011]核熱推進システムはまた、減速材領域と圧力容器との間に配置された反射体領域を含むことができる。反射体領域は、固体反射体材料で形成することができる。固体反射体材料は、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成され得る。
[0012]或いは、又はさらに、反射体領域は、統合型減速材－推進剤を流すように構成され得る。核熱推進システムは、減速材領域と反射体領域との間に配置された減速材反射体セパレータをさらに含むことができる。減速材反射体セパレータは、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体、ベリリウム（Ｂｅ）、又はステンレス鋼合金で形成され得る。
[0013]核熱推進システムは、圧力容器内に置かれた、且つ統合型減速材－推進剤を貯蔵し、減速材領域に流すように減速材領域に連結された冷却材プレナムを含むことができる。さらに、核熱推進システムは、統合型減速材－推進剤用ポンプを含むことができる。統合型減速材－推進剤用ポンプは、統合型減速材－推進剤を冷却材プレナムから減速材領域にポンプ輸送し、統合型減速材－推進剤を減速材領域から燃料集合体の配列にポンプ輸送するように構成されている。
[0014]核熱推進システムは、減速材領域を囲む複数の環状制御ドラムをさらに含むことができる。制御ドラムの各々は、外面の第１の部分内に反射体部分、及び外面の第２の部分内に吸収体材料を含む。反射体部分は、固体反射体材料で形成され得る。固体反射体材料は、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成され得る。或いは、又はさらに、反射体部分は、統合型減速材－推進剤を流すように構成された制御ドラム反射体室を含むことができる。制御ドラム反射体室は、統合型減速材－推進剤が加圧状態又は超臨界状態にある間に統合型減速材－推進剤を流すように構成されている。
[0015]実施例の追加の目的、利点、及び新規な特徴は、一部は以下の説明に記載され、一部は以下及び添付の図面を検討することで当業者に明らかになるか、又は実施例の製造若しくは操作により知ることができるであろう。本主題の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲に特に指摘された方法論、手段、及び組合せによって実現且つ達成され得る。
[0016]図面は、限定ではなく例としてのみ、１つ又は複数の実装形態を示す。図面において、同様の参照番号は、同じ又は同様の要素を指す。
統合型減速材－推進剤が、原子炉炉心（減速材領域及び燃料領域を含む）、ポンプ、推進剤タンク、並びにＮＴＰシステムの他の構成部品を通って流れていることを示す原子炉を描いた核熱推進システムの概念的な流れ図である。 固体制御ドラム及び固体反射体領域を実装している図１の統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の第１の変形例の横断面図である。 図２Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の横断面の詳細域の図である。 図２Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の燃料集合体の詳細域の図である。 統合型減速材－推進剤、推力室、ノズル、固体制御ドラム、及び固体反射体領域を実装している図２Ａ～ＣのＮＴＰシステムの正面断面図である。 アンモニア（ＮＨ３）を充填した制御ドラム及びアンモニアを充填した反射体領域を実装している図１の統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の第２の変形例の横断面図である。 図３Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の横断面の詳細域の図である。 図３Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心の燃料集合体の詳細域の図である。 アンモニア（ＮＨ３）を充填した制御ドラム及びアンモニアを充填した反射体領域を実施している図３Ａ～ＣのＮＴＰシステムの正面断面図である。 アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する重量物運搬ロケット（ｈｅａｖｙ ｌｉｆｔ ｖｅｈｉｃｌｅ）の最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用する重量物運搬ロケットの場合と比較した線グラフである。 宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する重量物運搬ロケットのペイロード能力と、貯蔵可能な二元推進剤を利用する場合との比に対する計算ΔＶ（速度変化）に関する能力を示した線グラフである。 図４Ａに、所与の速度変化で達成可能な様々な代表的なペイロード及び様々な代表的な探査を重ねた線グラフである。 アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する中量物運搬ロケット（ｍｅｄｉｕｍ ｌｉｆｔ ｖｅｈｉｃｌｅ）の最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用する中量物運搬ロケットの場合と比較した線グラフである。 宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する中量物運搬ロケットのペイロード能力と、貯蔵可能な二元推進剤を利用する場合との比に対する計算ΔＶ（速度変化）に関する能力を示した線グラフである。 アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用するエウロパクリッパー（Ｅｕｒｏｐａ Ｃｌｉｐｐｅｒ）級運搬ロケットの最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用するエウロパクリッパー級運搬ロケットの場合と比較した線グラフである。 加圧アンモニアの理論上推進剤タンクと極低温水素の理論上推進剤タンクとを比較した図である。 地球外推進システムに様々な推進技術を利用する際の実現可能性を比較及び対比した図である。
[0034]パーツリスト
１００ 核熱推進（ＮＴＰ）システム
１０１ 原子炉炉心
１０２、１０２Ａ～Ｂ 統合型減速材－推進剤
１０７ 原子炉
１１３ 減速材領域
１１４ 燃料領域
１２０ 統合型減速材－推進剤流路
１４０ 統合型減速材－推進剤用ポンプ
１５１ 推進剤タンク
１７０ 推力室
１７１ ノズル
１７２ スロート
１７３ スカート
２０４Ａ～Ｎ 燃料集合体
２１５ 固体反射体領域
２１６ 固体制御ドラム反射体部分
２１７ 制御ドラム吸収体材料
２１９Ａ～Ｆ 制御ドラム冷却材間隙
２２０Ａ～Ｆ 制御ドラム
２３０ 外面
２３１ 第１の部分
２３２ 第２の部分
２４０ 外缶
２４１ 統合型減速材－推進剤リターン部
２４２ 内缶
２４３ 外側絶縁層
２４４ 核燃料
２４５Ａ～Ｎ 内側絶縁層
２４６Ａ～Ｎ 冷却材チャネル
２６０ 圧力容器
２６１ 主冷却材プレナム
２６２ 光子遮蔽体
２６３ 中性子遮蔽体
２６４ 上板
２６５ 上部冷却材プレナム
２６６ 下板
２６７ 下部冷却材プレナム
２６８ 内圧容器
２６９ 冷却材吸気マニホールド
２７０ 底板
２９０ 原子炉炉心の詳細域
２９１ 燃料集合体の詳細域
３１５ 流体反射体領域
３１６ 流体制御ドラム反射体部分
３５０ 減速材反射体セパレータ
３５１Ａ～Ｆ 制御ドラム反射体室
３９０ 原子炉炉心の詳細域
３９１ 燃料集合体の詳細域
４００Ａ～Ｃ 重量物運搬ロケットの性能計算プロット
４０１ ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン
４０２ 貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン
４０３ ＮＨ３ ＮＴＰと貯蔵可能な二元推進剤のペイロードの比のライン
４１０ ΔＶ（速度変化）
４１５ 最大ペイロード質量
４２０ ＮＨ３ ＮＴＰ／貯蔵可能な二元推進剤のペイロード能力
４２５Ａ～Ｄ 代表的な探査
４３０Ａ～Ｄ 代表的なペイロード
５０１ ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン
５０２ 貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン
５０３ ＮＨ３ ＮＴＰと貯蔵可能な二元推進剤のペイロードの比のライン
６００ エウロパクリッパーの性能計算プロット
６０１ ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン
６０２ 貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン
６２５ 木星移動探査相当
７００ 代表的なケースの推進剤１０，０００ｋｇの図
７０１ 加圧ＮＨ３推進剤
７０２ 極低温Ｈ２推進剤
７２１ 加圧ＮＨ３推進剤タンクの直径
７２２ 極低温Ｈ２推進剤タンクの高さ
７３２ 極低温Ｈ２推進剤タンクの直径
７５１ 加圧ＮＨ３推進剤タンク
７５２ 極低温Ｈ２推進剤タンク
８００ 潜在的推進技術の図
８０２ Ｈ２ ＮＴＰシステム
８０３ ＬＨ２／液体酸素（ＬＯＸ）システム
８０４ ＣＨ４／ＬＯＸシステム
８０５ 貯蔵可能な二元推進剤システム
８０６ 太陽電気推進（ＳＥＰ）システム
８０７ 核電気推進（ＮＥＰ）システム
８１０ 非極低温推進剤の推進技術
８１１～８１７ 結果
８２０ ペイロード用空間を有する民間輸送ロケット（ＣＬＶ）フェアリングへの適合性を有する推進技術
８２１～８２７ 結果
８３０ グリーン推進剤の推進技術
８３１～８３７ 結果
８４０ 急速且つ低重力損失軌道マヌーバの推進技術
８４１～８４７ 結果
８５０ 単一流体の可能性を有する推進技術
８５１～８５７ 結果
８６０ 推進技術
［詳細な説明］
[0035]以下の詳細な説明では、関連する教示の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳説を例として示している。しかし、本教示がそのような詳説なしに実施され得ることは、当業者には明らかであろう。他の例では、本教示の態様を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の方法、手順、構成部品、及び／又は回路は、詳細なしに、比較的高いレベルで説明されている。
[0036]用語「連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、本明細書で使用する場合、任意の論理的又は物理的な接続を意味する。別段の記載がない限り、連結された要素又は装置は、必ずしも互いに直接接続されておらず、中間構成部品、要素などによって分離されていてもよい。用語「流体連通（ｆｌｕｉｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」は、本明細書で使用する場合、液体又は気体などの物質が流れ得ることを意味する。本明細書の実施例では、統合型減速材－推進剤１０２は、典型的には物質である。いくつかの実施例では、流体連通中、物質は、２つ以上の室、チャネル、コンテナ、タンク、又は容器の間を流れることができ、したがって、物質が留まる場合、室、チャネル、コンテナ、タンク、及び容器の形状及び容積にかかわらず、流体連通状態にある室、チャネル、コンテナ、タンク、及び容器のすべてにおいて物質は同じレベル又は圧力に釣り合うようになる。
[0037]別段の指示がない限り、以下の特許請求の範囲を含めて、本明細書に記載するすべての測定値、数値、評価、位置、規模、大きさ、角度、及びその他の仕様は、概算値であり、正確ではない。そのような量は、それらが関係する機能及びそれらが関係する技術分野において慣習的なものと一致する合理的な範囲を有することを意図している。例えば、明確に別段の記載がない限り、パラメータ値などは、記載量から±５％程度又は±１０％程度変動することがある。用語「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」又は「実質上（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、パラメータ値などが記載量から最大±１０％変動することを意味する。
[0038]図面のいずれかに示されるような核熱推進（ＮＴＰ）システム１００、原子炉１０７、原子炉炉心１０１、関連構成部品、及び／又は、原子炉炉心１０１、燃料集合体２０４Ａ～Ｎ、制御ドラム２２０Ａ～Ｆを組み込んだ任意のＮＴＰシステム１００の向きは、例示及び議論のために例としてのみ示されている。特定のＮＴＰシステム１００の運転において、構成部品は、ＮＴＰシステム１００の特定の用途に適した任意の他の方向、例えば、直立、横向き、又は任意の他の向きに向けられ得る。また、本明細書で使用する範囲において、横（ｌａｔｅｒａｌ）、縦（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）、上（ｕｐ）、下（ｄｏｗｎ）、上（ｕｐｐｅｒ）、下（ｌｏｗｅｒ）、上（ｔｏｐ）、底（ｂｏｔｔｏｍ）、及び側（ｓｉｄｅ）などの任意の方向に関する用語は、例としてのみ使用されしおり、本明細書に別段記載するように構築した任意のＮＴＰシステム１００又はＮＴＰシステム１００の構成部品の方向又は向きに関して限定するものではない。
[0039]本明細書に開示する様々な実施例は、運転中の全体的な性能を向上させるために、質量効率を高め、核熱推進（ＮＴＰ）システム１００の大きさ（例えば、形状因子）を減少させる統合型減速材－推進剤の技術に関する。減速材及び推進剤の役割を統一流路により単一流体に統合化することで、ＮＴＰシステム１００を実装する輸送ロケット内での大幅な質量節減を実現することができる。推進剤を減速材として利用することにより、ＮＴＰシステム１００内の減速材の一部又は全部を最終的に推進剤として使用することが可能になる。減速材を最終的に推進剤として使用できるようにすることにより、減速材に二重の目的が与えられ、別個の減速材（例えば、黒鉛などの固体減速材ブロック）及び別個の推進剤（例えば、水素）の両方を追加する必要性がなくなる。さらに、ＮＴＰシステムは、推進剤用の別個のタンクを必要としない。統合型減速材－推進剤１０２のすべては、ＮＴＰシステム１００の圧力容器２６０内に貯蔵され、推進剤として排出されるまで原子炉１０７用の減速材として機能することができる。質量的な節減は相当なものである。統合型減速材－推進剤の技術を利用するＮＴＰシステム１００は、従来のＮＴＰベースの輸送ロケットで使用される別個の減速材と別個の推進剤のタンクとの重量と同じ又はそれを超えて輸送ロケットのペイロード質量を潜在的に減少させることができる。
[0040]原子炉炉心１０１の要素を統合型減速材－推進剤１０２に置き換える設計パラダイムは、さらに拡張され得る。追加の実施例では、固体減速材ブロックが、減速材として機能する液体推進剤（統合型減速材－推進剤１０２）を充填した減速材領域１１３と置き換えられるだけでなく、原子炉炉心１０１の制御ドラム２２０Ａ～Ｆをくり抜き（例えば、空洞を形成）、統合型減速材－推進剤で充填することができる。制御ドラム２２０Ａ～Ｆが中性子を反射して原子炉炉心１０１に戻すことができるようにするために、この統合型減速材－推進剤１０２は、減速材領域１１３内の圧力を超える圧力を加えられる必要があり得る。
[0041]さらに、原子炉炉心１０１の周囲に固体反射体領域２１５を形成する固体反射体ブロック（複数可）を、統合型減速材－推進剤１０２を充填した流体反射体領域３１５と置き換えることもできる。この統合型減速材－推進剤１０２はまた、流体反射体領域３１５が中性子を原子炉炉心１０１に反射できるようにするために、減速材領域１１３内の圧力を超える圧力を加えられる必要があり得る。制御ドラム２２０Ａ～Ｆの固体制御ドラム反射体部分２１６、固体反射体領域２１５の固体反射体ブロック（複数可）、又はその両方を、最終的に推進剤として使用され得る流体に置き換えることによる質量的な節減は、相当なものである。非常に一般的に、（図３Ａのように）上から見た場合、原子炉炉心１０１は、燃料集合体２０４Ａ～Ｎ、金属合金で形成された薄い隔壁、及び制御ドラム内の少量の中性子毒を含む。原子炉炉心１０１の残りの部分は、一般に統合型減速材－推進剤１０２であり、これはＮＴＰシステム１００を利用する輸送ロケットを大気及び宇宙空間で推進させるために最終的に使用することができる。体積の観点から見ると、原子炉炉心１０１のほぼすべては、推進剤を加熱し放出するために原子炉炉心１０１の温度を上昇、低下、及び維持すること、並びにその推進剤自体が放出されるようにすることという２つの仕事を実行する。燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、原子炉炉心１０１のほぼすべての部分を使用して、輸送ロケットを効率的に推進させ、それによって、質量効率が向上し、原子炉炉心１０１を含む原子炉炉心１０７の形状因子がより小さくなる。
[0042]次に、添付の図面に示し、且つ以下で論じる実施例を詳細に参照されたい。
[0043]図１は、統合型減速材－推進剤１０２が、原子炉炉心１０１（減速材領域１１３及び燃料領域１１４を含む）、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０、推進剤タンク１５１、並びにＮＴＰシステム１００の他の構成部品を通って流れていることを示す原子炉１０７を描いた核熱推進システム１００の概念的な流れ図である。一般的に述べると、原子炉１０７は、原子炉炉心１０１を含み、そこでは制御された核連鎖反応が起こり、エネルギーが放出される。統合型減速材－推進剤１０２は、アンモニア系（ＮＨ３）とすることができる。
[0044]実施例では、ＮＴＰシステム１００は、膨張サイクルの原理で作動する一種の原子炉１０７であり、アンモニア（ＮＨ３）などの統合型減速材－推進剤１０２を統合型減速材－推進剤流路１２０を通してポンプ輸送する。膨張サイクルは、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０又はターボポンプアセンブリ（ＴＰＡ）により駆動される。統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０、又はＴＰＡ内のポンプ及びタービンは、統合型減速材－推進剤１０２を統合型減速材－推進剤流路１２０を通して移動させ、統合型減速材－推進剤１０２は、原子炉炉心１０１内で過熱され、例えば、推力又は発電のための気体に膨張する。
[0045]代替例では、統合型減速材－推進剤１０２を利用する原子炉システムはまた、核分裂表面電力（ｆｉｓｓｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｗｅｒ（ＦＳＰ））システムのための核電気推進（ＮＥＰ）システムなど、地上電力システムでもよい。ＮＥＰは、ロボット及び人間の宇宙船のためのホール効果スラスターなどの電気スラスターに電力を供給する。ＦＳＰは、月及び火星などの惑星に電力を供給する。ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、統合型減速材－推進剤１０２技術で可能になった原子炉システムが、電力変換システム（例えば、ブレイトン）によって作動流体（例えば、アンモニア）を加熱して、電力を生成する。さらに、ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、原子炉システムは、推進剤を含まず、むしろ、電力を生成する場合に原子炉入口を通過する作動流体を含む。ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、作動流体が燃料集合体２０４Ａ～Ｎを通過する前に、統合型減速材－推進剤１０２は、原子炉入口作動流体（例えば、復熱器から出る流れ）により冷却され得る。ＮＥＰ又はＦＳＰ用途では、原子炉システム１００は、ターボポンプアセンブリの代わりに、ターボジェット（例えば、タービン及び圧縮機）を含むことができる。
[0046]ＮＴＰシステム１００は、核燃料を含む小型核分裂炉炉心などの原子炉炉心１０１を使用して、ロケット推力のために統合型減速材－推進剤１０２を高い排気温度に加熱するのに必要な多くのメガワットの熱出力（ＭＷｔ）を生成する。原子炉炉心１０１は、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０を駆動するための熱エネルギーを提供する。ＮＴＰシステム１００の様々な局面（起動、全推力、及び停止）中での運転は、原子炉炉心１０１の所望の原子炉出力レベルに達するように、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０により供給される統合型減速材－推進剤１０２を制御することによって行われる。
[0047]図１において、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０には、理論上の推進剤タンク１５１から統合型減速材－推進剤１０２が供給される。図１は観念図であるが、目的は、統合型減速材－推進剤流路１２０を介した統合型減速材－推進剤１０２の機能的な流れを説明することである。図２Ａ～Ｄ及び図３Ａ～Ｄに示した設計において、推進剤タンク１５１は、減速材領域１１３内、図２Ｄ及び図３Ｄの主冷却材プレナム２６１内、並びに図３Ａ～Ｂの制御ドラム２２０Ａ～Ｆ及び／又は固体反射体領域２１５内に実装され得る。
[0048]統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０は、１個又は複数個のサブポンプを含む。これらのサブポンプを、統合型減速材－推進剤流路１２０に沿って統合型減速材－推進剤１０２の流れを増加、減少、又は停止させるために、統合型減速材－推進剤流路１２０に沿って任意の場所に分散させることができる。
[0049]統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０は、統合型減速材－推進剤流路１２０に沿って、統合型減速材－推進剤１０２を推進剤タンク１５１から原子炉炉心１０１に移送する。統合型減速材－推進剤流路１２０は、最初に統合型減速材－推進剤１０２を減速材領域１１３に流す。
[0050]統合型減速材－推進剤１０２は、ＮＴＰシステム１００推進段階の推進剤タンク１５１に液体として貯蔵される。次いで、統合型減速材－推進剤１０２は、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０によって加圧され、原子炉炉心１０１の減速材領域１１３を経て循環し、次に、原子炉炉心１０１の核燃料領域１１４を経て循環し、最後に、推進剤として原子炉炉心１０１を出る。この手法により、黒鉛又は水素化ジルコニウム（ＺｒＨ）などの別個の固体減速材の必要性がなくなり、それに関連する質量が除かれる。
[0051]減速材領域１１３は、核分裂事象から生じる高速中性子を熱化し、減速材領域１１３内を移動する燃料集合体２０４Ａ～Ｎ（図２Ａ～Ｄ及び図３Ａ～Ｄを参照）によって放出された高速中性子の速度を一般に低下させ、それによって原子炉炉心１０１の反応度及び効率を高めるように設計されている。この実施例では、減速材領域１１３は、減速材材料の従来の固体ブロックを含まず、むしろ、統合型減速材－推進剤流路１２０に沿って統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０から流された統合型減速材－推進剤１０２で充填されている。統合型減速材－推進剤１０２は、減速材領域１１３内にある間、主に減速材の役割を果たす。複合型減速材－推進剤１０２を使用することにより、ＮＴＰシステム１００から固体減速材の質量成分が除去され、有利なことに、より小型で軽量なＮＴＰシステム１００を実現することができる。この実施例の統合型減速材－推進剤１０２では、アンモニア系（ＮＨ３）減速材は推進剤でもある。したがって、減速材は、推力に使用することもでき、ＮＴＰシステム１００に追加の質量を加えることもない。これを言い換えると、アンモニア減速材は、統合型減速材－推進剤１００を利用するＮＴＰシステム１００内の慣性質量ではない。
[0052]統合型減速材－推進剤１０２は、推進剤タンク１５１と比較して、減速材領域１１３内にいる間に初期加熱される。この初期加熱により、燃料領域１１４は、推進剤タンク１５１内の統合型減速材－推進剤１０２の温度間のより小さい温度差を克服することが可能になるであろう。次いで、初期加熱された統合型減速材－推進剤１０２は、燃料領域１１４を流れ、ここで、その加熱された統合型減速材－推進剤１０２は過熱される。最後に、統合型減速材－推進剤１０２は、最終的に、室１７０（例えば、ロケット燃焼室などの推力室）に流れ込む。
[0053]統合型減速材－推進剤流路１２０は、例えば、燃料集合体２０４Ａ～Ｎを囲む図２Ｃの統合型減速材－推進剤リターン部２４１を介して、或いは図２Ｂの制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆを介して、減速材領域１１３を複数回通過することができる。しかし、減速材領域１１３は、図示した「方向のある」流れを必ずしも有さず、これは、統合型減速材－推進剤１０２が減速材領域１１３の上部から入り、燃料領域１１４に入るために減速材領域１１３の異なる開口部又はチャネルから出てよいことを意味する。
[0054]次いで、初期加熱された統合型減速材－推進剤燃料通路１０２は、減速材領域１１３を出て、燃料領域１１４に入る。燃料領域１１４内では、統合型減速材－推進剤１０２は、主に推進剤の役割で機能している。燃料領域１１４は、燃料集合体２０４Ａ～Ｎを含み、推力室１７０に向かって統合型減速材－推進剤流路１２０に沿って燃料領域１１４を通過する統合型減速材－推進剤１０２を過熱する。
[0055]統合型減速材－推進剤流路１２０における統合型減速材－推進剤１０２の選択的流体連通は、バルブ及びアクチュエーターで実現することができる。各バルブは、１個又は複数個のアクチュエーターによって電子的又は機械的に作動させることができる。バルブは、コンピュータからの電気信号によりバルブ位置、ひいては推進剤密度を調整するために、ある位置にばねで留められ、電気的に別の位置に動かすことができる。機械的に作動するバルブは、液体推進剤流れの制御に有利である可能性があり、一方、電気的に作動するバルブは、気体推進剤流れなどのより軽い負荷の場合に使用され得る。例えば、統合型減速材－推進剤１０２の選択的な連通を促進する各バルブは、油圧流体圧力、空気圧、熱エネルギー、又は磁気エネルギーなどの機械的エネルギーを介してアクチュエーターによって制御される。アクチュエーターは、外部の機械的エネルギー又は電子回路によって制御され得、例えば、コンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル又はアナログ回路などからの電流制御信号によってアクチュエーターを駆動させることができる。アクチュエーターは、ソレノイド、可変容量形ポンプ、電動機、油圧シリンダ、空気圧、ねじジャッキ、ボールねじ、ホイスト、ラック及びピニオン、車輪及び車軸、チェーンドライブ、サーボ機構、ステッパー電動機、圧電、形状記憶、電気活性ポリマー、熱バイモルフなどであり得る。一例では、アクチュエーターは、バルブに直接作用する内部操縦型ソレノイドバルブである。バルブ及びアクチュエーターは、ソレノイドバルブ、又は電気油圧式サーボバルブなどのサーボバルブを集合的に形成することができる。例えば、伝達された電気制御信号によって駆動されるソレノイドが、より大きなラック及びピニオンアクチュエーターなどの他のアクチュエーターに作用し、次に、空気圧作動バルブを制御するなど、各バルブにとって複数のアクチュエーターを含むことは有利であり得る。
[0056]統合型減速材－推進剤１０２を使用することにより、ＮＴＰシステムで普通使用される水素（Ｈ２）推進剤に関連する難点が取り除かれる。多くのＮＴＰコンセプトで使用される水素推進剤は、極低温（＜３０ケルビン（Ｋ））で貯蔵されなければならず、非常に低密度の推進剤である。したがって、Ｈ２を貯蔵するタンクの質量及びＨ２を極低温に維持する設備の質量は、大質量を有する。特定の例として、極低温のＨ２を使用する場合、１０，０００ｋｇの推進剤を貯蔵するために、推進剤タンクの重量に８，６２１キログラム（ｋｇ）追加される。代替案として、１０，０００ｋｇの加圧ＮＨ３では、推進剤タンク１５１の重量に７８０ｋｇ追加されるだけである。これにより、極低温Ｈ２の推進剤密度７１ｋｇ／ｍ３とは対照的に、ＮＨ３の推進剤密度は１立方メートル当たり６００キログラム（ｋｇ／ｍ３）になる。さらに、２メガパスカル（ＭＰａ）で摂氏４７度（℃）まで液体であるＮＨ３とは対照的に、極低温Ｈ２は－２５３℃までしか液体ではない。液体は気体よりも減速材として働くのに適しており、したがって、Ｈ２は統合型減速材－推進剤１０２としてうまく機能する可能性が低い。
[0057]次いで、過熱された統合型減速材－推進剤１０２は、推力室１７０に移動し、そこで、過熱された統合型減速材－推進剤１０２は、加圧され、スロート１７２及びスカート１７３を含むノズル１７１を通って押し出される。過熱された統合型減速材－推進剤１０２は、加圧され、ノズル１７１のスロート１７１、次いでノズル１７１のスカート１７３を押し出され、それによってＮＴＰシステム１００の推進力が生成される。
[0058]統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０は、ターボ形ポンプ及び駆動ガスタービンの２種の主要構成部品を有する推進剤用ポンプである。ターボ形ポンプ及び駆動ガスタービンは、同じ軸に取り付けられることも、又は時には連動させることもある。統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０は、原子炉炉心１０１への供給、ＮＴＰシステム１００の構成部品の冷却、及び原子炉炉心１０１内の中性子フルエンス量の緩和のために統合型減速材－推進剤１０２の高圧流体を生成する。
[0059]統合型減速材－推進剤１０２が原子炉炉心１０１の燃料領域１１４で過熱されて気体になると、統合型減速材－推進剤１０２は加速し、ノズル１７１で膨張するために推力室１７０から排出される。ノズル１７１のスロート１７２及びスカート１７３を通る統合型減速材－推進剤１０２の熱膨張により、推力が生じる。過熱された統合型減速材－推進剤１０２のいくらかは、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０の駆動ガスタービンを回転させ、ターボ形ポンプを駆動するために使用することができる。注目すべきは、過熱された統合型減速材－推進剤１０２のいくらかが、バイパスを介して原子炉炉心１０１から戻されて、例えばブリードされて、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０の駆動ガスタービンを回転させ、ターボ形ポンプを駆動することができる。続いて、膨張サイクルが繰り返される。
[0060]生成された推力は、ＮＴＰシステム１００を収容するか、ＮＴＰシステム１００と一体的に形成されるか、ＮＴＰシステム１００と接続するか、又はＮＴＰシステム１００に取り付ける機体、例えば、ロケット、ドローン、無人航空機（ＵＡＶ）、航空機、宇宙船、ミサイルなどを推進させる。機体は、ステアリングのための様々な制御ノズル及び他の構成部品を含むことができる。図示した実施例では、原子炉炉心１０１を有するＮＴＰシステム１００は、宇宙環境において利用される。例えば、統合型減速材－推進剤１０２を含むＮＴＰシステム１００は、核熱ロケット原子炉、核電気推進原子炉、火星表面原子炉、又は月表面原子炉とすることができる。さらに、ＮＴＰシステム１００は、潜水艦又は船舶の推進に使用され得る。
[0061]図２Ａは、図１の統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の第１の変形例の横断面図である。ＮＴＰシステム１００は、固体ベリリウム（Ｂｅ）制御ドラムを含み、原子炉炉心１０１は、固体ベリリウム反射体領域２１５を含む。示すように、原子炉炉心１０１は、燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列を含む。燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、一般に、原子炉炉心１０１の周囲にあるリング内に分布している。燃料集合体２０４Ａ～Ｎの内側リングは一般に六角形であり、一方、燃料集合体２０４Ａ～Ｎの外側リングは一般に円形である。燃料集合体２０４Ａ～Ｎの数は、調整され得る。燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、２０２１年１月２５日に出願され、２０２１年７月２９日に国際公開第２０２１／１５１０５５号として公開された名称「Ｓｋｅｗｅｄ－Ｐｉｎ（ＳＰＩＮ） Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ Ｂｌｏｃｋｓ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ」の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０１４８５８の図４～５及び関連文章における様々なモデル、研究、及び設計に記載の燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、１３２Ａ～Ｍのように分配され得、その全体を参照により本明細書に組み込む。
[0062]固体反射体領域２１５は、原子炉炉心１０１の燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列及び減速材領域１１３を囲んでいる。固体反射体領域２１５は、自由中性子を原子炉炉心１０１の方へ戻して、核分裂反応の数、エネルギー生成、及び原子炉炉心１０１の運転温度を上昇させる。
[0063]複数の環状制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、制御ドラム２２０Ａ～Ｆを回転させることによって、燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列を囲み、原子炉炉心１０１の反応性を変化させることができる。複数の制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、固体反射体領域２１５の範囲に配置されて、運転中の中性子集団及び原子炉出力レベルを調節することができる。固体反射体領域２１５は、１種以上の固体反射体ブロック（複数可）を含むことができる。
[0064]制御ドラム２２０Ａは、固体制御ドラム反射体部分２１６を含み、この実施例では、高弾性散乱中性子断面を有する材料で一般に形成されている。固体制御ドラム反射体部分２１６が原子炉炉心１０１の内側を向くと、中性子束が増加し、それによって、原子炉炉心１０１の反応性及び運転温度が上昇する。制御ドラム２２０Ａはまた、制御ドラム吸収体材料２１７を含み、これは中性子毒で形成され得る。中性子毒は、自由中性子を吸収するのに特に適した高吸収中性子断面を有する同位体又は分子である。制御ドラム吸収体材料２１７が原子炉炉心１０１の内側を向くと、中性子束が減少し、それによって、原子炉炉心１０１の反応性及び運転温度が低下する。
[0065]制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、２０２０年１０月４日に出願され、２０２１年４月８日に国際公開第２０２１／０６７９０２号として公開された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｓｈｕｔｄｏｗｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｕｍｓ」の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２０／０５４１８９の図１Ａ～６Ｂ及び関連文章に記載の任意の制御ドラム１１５Ａ～Ｕのように実装することができ、その全体を参照により本明細書に組み込む。制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、２０２１年８月１７日に出願された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｕｍ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ」の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／ＸＸＸＸＸＸの図１Ａ～８及び関連文章に記載のアクチュエーター１２０Ａ～Ｚによって駆動され得、その全体を参照により本明細書に組み込む。
[0066]通常、制御ドラム２２０Ａ～Ｆ及び燃料集合体２０４Ａ～Ｎは同じ長さであるが、実装形態に応じて長さが異なる可能性があることを理解されたい。原子炉炉心１０１の一部を枠で囲み、要素２９０と表示し、この原子炉炉心の詳細域２９０を図２Ｂにおいて拡大する。
[0067]第１の実施例では、燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、２０２０年５月５日に発行された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ｐａｓｓｉｖｅ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」の米国特許第１０，６４３，７５４号の図３及び図７並びに関連文章に記載の燃料要素３１０Ａ～Ｎのように実装され得、その全体を参照により本明細書に組み込む。第２の実施例では、燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、２０２０年１月２３日に公開された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」の米国特許出願公開第２０２０／００２７５８７号の図２Ｃ及び関連文章に記載の燃料要素１０２Ａ～Ｎのように実装され得、その全体を参照により本明細書に組み込む。
[0068]ＮＴＰシステム１００は、圧力容器２６０の内部に置かれた固体反射体領域２１５（例えば、外側反射体領域）を含む。固体反射体領域２１５は、複数の燃料集合体２０４Ａ～Ｎ及び減速材領域１１３を横から囲む複数の反射体ブロックを含む。
[0069]ＮＴＰシステム１００は、原子炉炉心１０１を含み、そこで、制御された核連鎖反応が起こり、エネルギーが放出される。原子炉炉心１０１での中性子連鎖反応は、各核分裂核からの単一の中性子が別の核の核分裂をもたらすという臨界的なものであり、その連鎖反応は制御されなければならない。制御された核分裂を持続させることにより、ＮＴＰシステム１００は熱エネルギーを生成する。ある例の実装形態では、原子炉システム１００は、ガス冷却高温原子炉１０１として実装される。しかし、統合型減速材－推進剤１０２を、大型実用規模原子炉、ヒートパイプ原子炉、溶融塩冷却原子炉、塩中燃料（ｆｕｅｌ－ｉｎ－ｓａｌｔ）原子炉、又はナトリウム冷却高速原子炉に含めることができる。例えば、統合型減速材－推進剤１０２を、ガス冷却黒鉛減速原子炉、ガス冷却黒鉛減速原子炉よりも高い熱中性子束を有するフッ化物塩冷却高温原子炉、又はガス冷却黒鉛減速原子炉よりも高速な中性子束を有するナトリウム高速原子炉などのＮＴＰシステム１００に含めることができる。
[0070]上述のように、ＮＴＰシステム１００はまた、例えば、宇宙空間、天体、惑星体、及び地球上の辺境を含めた辺境用途に原子力（例えば、熱及び／又は電力）を提供するために、陸上用途における原子力発電所として代わりに実装することができる。例えば、統合型減速材－推進剤１０２を用いる原子炉システム１００は、惑星表面での電力生成のための宇宙原子炉１０７において利用される。統合型減速材－推進剤１０２を用いる原子炉システム１００は、短期宇宙運用、月着陸船のための小型商用核分裂発電システム、又は高出力宇宙船及び原位置資源利用などの大規模な表面運用のための商用核分裂発電システムであり得る。
[0071]ＮＴＰシステム１００は、例えば、宇宙空間へ移動し、惑星体に着陸し、散開作業を行い、宇宙空間に戻るように設計され得る。そのような例では、ＮＴＰシステム１００は、惑星体まで宇宙空間を横断するために、原子炉炉心１０１内の統合型減速材－推進剤１０２を利用する。惑星体に着くと、ＮＴＰシステム１００は、統合型減速材－推進剤１０２を減速材及び冷却材として代わりに利用し、統合型減速材－推進剤１０２を、燃料領域１１４を通して循環させ、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０が統合型減速材－推進剤１０２からの余熱に基づいて作動することができるのと同様に、他の計装に電力供給するために熱を放出することができる。惑星体での作業が完了すると、ＮＴＰシステム１００は、統合型減速材－推進剤１０２を減速材及び推進剤として使用することに戻り、ＮＴＰシステム１００を宇宙空間に戻すことができる。
[0072]したがって、ＮＴＰシステム１００はまた、核分裂表面発電（ＦＳＰ）システムのための核電気推進（ＮＥＰ）システムなど、地上電力システムでもよい。ＮＥＰは、ロボット及び人間の宇宙船のためのホール効果スラスターなどの電気スラスターに電力を供給する。ＦＳＰは、月及び火星などの惑星に電力を供給する。ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、ＮＴＰシステム１００は、電力変換システム（例えば、ブレイトン）により統合型減速材－推進剤１０２を加熱して、電力を生成する。さらに、ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、ＮＴＰシステム１００は、統合型減速材－推進剤１０２を推進剤として必ずしも利用するのではなく、むしろ、電力を生成する場合に原子炉入口を通過する作動流体として利用する。ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、減速材領域１１３は、統合型減速材－推進剤１０２が燃料集合体２０４Ａ～Ｎを通過する前に、原子炉入口の統合型減速材－推進剤１０２（例えば、復熱器から出る流れ）で依然として充填され、冷却され得る。
[0073]図２Ａに示すように、ＮＴＰシステム１００において、原子炉炉心１０１は、複数の制御ドラム２２０Ａ～Ｆ及び固体反射体領域２１５を含むことができる。制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、制御ドラム２２０Ａ～Ｆを回転させることによって、減速材領域１１３及び核集合体２０４Ａ～Ｎの燃料領域１１４を横から囲み、原子炉炉心１０１の反応性を変化させることができる。示すように、制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、圧力容器２６０の周囲又は周縁に存在し、原子炉炉心１０１の減速材領域１１３及び燃料集合体２０４Ａ～Ｎの周囲に環状に配置される。制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、固体反射体領域２１５の範囲、例えば、原子炉炉心１０１のすぐ周囲に反射体ブロックで形成された外側反射体領域に置かれて、運転中の中性子集団及び原子炉出力レベルを選択的に調節することができる。例えば、制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、円筒形であり、固体制御ドラム反射体部分２１６（例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、ＢｅＳｉＣ、ＢｅＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３など）及び制御ドラム吸収材料２１７の両方で形成され得る。
[0074]固体制御ドラム反射体部分２１６及び制御ドラム吸収体材料２１７は、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの円筒形状の対向する側、例えば、外周の一部にあり得る。固体制御ドラム反射体部分２１６は、円筒又はその切断された一部分として形成された反射体基材を含むことができる。制御ドラム吸収体材料２１７は、吸収体プレート又は吸収体コーティングを含むことができる。吸収体プレート又は吸収体コーティングは、反射体基材上に配置されて、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々の円筒形状を形成する。例えば、吸収体プレート又は吸収体コーティングは、反射体材料で形成された反射体基材を覆って、制御ドラム２２０Ａ～Ｆを形成する。固体制御ドラム反射体部分２１６が円筒の切断された一部分である場合、制御ドラム吸収体材料２１７は、円筒形状を形成するように、切断された一部分と相補的な形状である。
[0075]制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、円筒を形成するために連続面、例えば、丸みを帯びた面、非球面、若しくは球面で形成されるか、又は双曲面、円錐、楕円面、放物面などの二次曲面を形成するために他の円錐面で形成される。或いは、又はさらに、制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、（例えば、立方体、又は六角柱などの他の多面体を形成するために）複数の不連続面から形成され得る。本明細書で使用する場合、「不連続」とは、集まって一体となっている面が、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの周囲が丸い（例えば、円形又は楕円形）連続外面１６５を形成しないことを意味する。図２Ａ～Ｂにおいて、示した外面は、丸みを帯びた連続面である。
[0076]図示した円筒形状の制御ドラム２２０Ａ～Ｆを回転させると、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの制御ドラム吸収体材料２１７（例えば、炭化ホウ素、Ｂ４Ｃ）の、原子炉炉心１０１への接近度が変化して、中性子の反射量が変化する。固体制御ドラム反射体部分２１６が原子炉炉心１０１に対して内向きであり、且つ制御ドラム吸収体材料２１７が外向きである場合、中性子が原子炉炉心１０１に後方散乱して（反射して）、より多くの核分裂を引き起こし、原子炉炉心１０１の反応性が増大する。制御ドラム吸収体材料２１７が原子炉炉心１０１に対して内向きであり、且つ固体制御ドラム反射体部分２１６が外向きである場合、中性子が吸収され、さらなる核分裂が停止して、原子炉炉心１０１の反応性が低下する。
[0077]外側固体反射体領域２１５は、最も外側の核燃料集合体２０４Ａ～Ｎと制御ドラム２２０Ａ～Ｆとの間、並びに制御ドラム２２０Ａ～Ｆの周囲に配置される充填材要素であり得る。固体反射体領域２１５は、最も外側の核燃料集合体２０４Ａ～Ｎと任意選択のバレル（例えば、ベリリウムで形成されている）との間に配置される減速材で形成され得る。固体反射体領域２１５は、六角形又は部分的に六角形の形状の充填材要素を含むことができ、中性子減速材（例えば、酸化ベリリウム、ＢｅＯ）で形成され得る。必須ではないが、ＮＴＰシステム１００は、原子炉炉心１０１の減速材領域１１３、燃料領域１１４、並びに固体反射体領域２１５を含むバンドル集合体を囲む任意選択のバレル（図示せず）を含むことができる。示すように、制御ドラム２２０Ａ～Ｆは、圧力容器２６０の周辺に存在し、固体反射体領域２１５内に散在又は配置され、例えば、反射体１４０を形成する充填材要素（例えば、固体反射体ブロック）のサブセットを囲むことができる。
[0078]圧力容器２６０は、アルミニウム合金、炭素複合材、チタン合金、放射線耐性のあるＳｉＣ複合材、ニッケルベース合金（例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）若しくはＨａｙｎｅｓ（商標））、又はそれらの組合せで形成され得る。圧力容器２６０及びＮＴＰシステム１００は、減速材領域１１３、統合型減速材－推進剤リターン部２４１（図２Ｃ及び図３Ｃを参照）、又は冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎ（図２Ｃ及び図３Ｃを参照）を流れる統合型減速材－推進剤１０２を移送するシリンダ、配管、及び貯蔵タンクを含めた他の構成部品で構成され得る。統合型減速材－推進剤１０２は、気体又は液体、例えば、ＮＴＰシステム１００における推力生成用の原子炉炉心１０１の燃焼サイクル中に液体状態から気体状態に遷移するものでよい。例示的なＮＴＰシステム１００用の統合型減速材－推進剤は、アンモニアである。
[0079]図２Ｂは、図２Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の横断面を示す詳細域２９０の図である。原子炉炉心詳細域２９０では、制御ドラム吸収体材料２１７などの要素がより見やすくなっている。さらに、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆがよりはっきりと見える。従来の制御ドラムでは、制御ドラムが回転できるようにするために、制御ドラムと物体（例えば、固体反射体領域２１５、減速材領域１１３、又はその両方）との間に小さな間隙が設けられる。通常、この小さな間隙は、不燃性潤滑剤又は非反応性ボールベアリングで充填される。しかし、このＮＴＰシステム１００では、制御ドラム２２０Ａ～Ｆは各々、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆを有する。制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆは、統合型減速材－推進剤１０２で充填され、統合型減速材－推進剤流路１２０と流体連通又は選択的流体連通状態にある。これは、例えば、予備の統合型減速材－推進剤１０２がすべて消費され、制御ドラム２２０Ａ～Ｆがもはや確実に回転する必要がなくなると、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆにおいて潤滑剤として使用された統合型減速材－推進剤１０２をＮＴＰシステム１００が推進剤として利用することができ、ＮＴＰシステム１００の質量効率がより良くなることを意味している。制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆと減速材領域１１３との間の１つ又は複数の壁により、減速材領域１１３が制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆと流体連通していない場合、減速材領域１１３の統合型減速材－推進剤１０２を制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆの統合型減速材－推進剤１０２とは別の圧力に維持することが可能になり得る。
[0080]図２Ｂにおける原子炉炉心１０１の一部を枠で囲み、燃料集合体詳細域２９１と表示し、図２Ｃにおいて拡大する。したがって、図２Ｃは、図２Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の燃料集合体２０４Ａの燃料集合体詳細域２９１の図である。燃料集合体詳細域２９１では、所与の燃料集合体２０４Ａの要素がより見やすくなっている。最初に、燃料集合体２０４Ａは、燃料集合体２０４Ａ全体を囲む外缶２４０を含む。外缶２４０は、燃料集合体２０４Ａを減速材領域１１３と分離する。外缶２４０内には、統合型減速材－推進剤リターン部２４１がある。この統合型減速材－推進剤リターン部２４１は、減速材領域１１３と冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎとの間の統合型減速材－推進剤流路１２０にあり得る。統合型減速材－推進剤リターン部２４１内の統合型減速材－推進剤１０２は、計装又は統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０に電力を供給するためにブリードオフされる熱を吸収してもよく、又は燃料集合体２０４Ａを単に冷却してもよい。統合型減速材－推進剤リターン２４１内の統合型減速材－推進剤１０２はまた、冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎに流れる前に統合型減速材－推進剤リターン部２４１の熱を吸収して、統合型減速材－推進剤１０２を推力室１７０に送る前に統合型減速材－推進剤１０２を過熱するために燃料集合体２０４Ａが統合型減速材－推進剤１０２に与えなければならない熱量を減少させることができる。
[0081]次いで、統合型減速材－推進剤リターン部２４１は、内缶２４２によって内部に境界を形成される。外缶２４０及び内缶２４２の両方は、非放射性金属合金であり、統合型減速材－推進剤１０２Ａの異なる体積、部分、又はセグメントを、統合型減速材－推進剤流路１２０の様々な段階での他の統合型減速材－推進剤１０２Ｂとの相互作用から切り離す目的を果たすことができる。統合型減速材－推進剤リターン部２４１はまた、デュアルパス熱交換器として動作するために、冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎと選択的に連結することができる。統合型減速材－推進剤リターン部２４１内の統合型減速材－推進剤１０２の密度を調整することで、原子炉炉心１０１の反応度を制御することができる。
[0082]核燃料２４４自体と内缶２４２との間には外側絶縁層２４３がある。さらに、核燃料２４４内には複数の冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎがあり、各冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎと核燃料２４４との間には内側絶縁層２４５Ａ～Ｎがある。内側絶縁層２４５Ａ及び外側絶縁層２４３は、熱伝導率の低い高温熱絶縁材料で形成されている。高温熱絶縁材料として、低密度炭化物、金属炭化物、金属酸化物、又はこれらの組合せを挙げることができる。より詳細には、高温熱絶縁材料には、低密度ＳｉＣ、安定化酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、低密度ＺｒＣ、低密度炭素、又はこれらの組合せが挙げられる。
[0083]冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎは、減速材領域１１３と推力室１７０との間の統合型減速材－推進剤流路１２０にある。核燃料２４４は、冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎ内の統合型減速材－推進剤１０２を過熱して、統合型減速材－推進剤１０２のほぼすべてを、推力室１７０に入るときに過熱気体状態にする。
[0084]燃料集合体２０４Ａ～Ｎの各々は、核燃料２４４を含む。核燃料２４４は、高温マトリックス内に埋め込まれた三重構造等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子などの被覆燃料粒子で構成される燃料コンパクトを含む。いくつかの実装形態では、核燃料２４４は、高温マトリックス内に埋め込まれた二重構造等方性（ＢＩＳＯ）燃料粒子で構成された燃料コンパクトを含む。さらに別の実装形態では、核燃料２４４は、ＴＲＩＺＯ燃料粒子として既知のＴＲＩＳＯの変形体で構成された燃料コンパクトを含む。ＴＲＩＺＯ燃料粒子は、ＴＲＩＳＯ燃料粒子の炭化ケイ素層を炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）に置き換えたものである。或いは、ＴＲＩＺＯ燃料粒子は、ＴＲＩＳＯ燃料粒子の典型的なコーティング、及び燃料核の周りの追加の薄いＺｒＣ層コーティングを含み、このＺｒＣ層コーティングは、ＴＲＩＳＯ燃料粒子の典型的なコーティングによって囲まれている。さらなる実装形態では、核燃料２４４は、ＵＮ ＢＩＳＯ燃料粒子として既知のＢＩＳＯの変形体で構成された燃料コンパクトを含む。ＵＮ ＢＩＳＯ燃料粒子は、窒化ウラン（ＵＮ）の燃料核を含む。高温マトリックスは、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ニオブ、タングステン、モリブデン、又はこれらの組合せを含む。ＴＲＩＳＯ燃料粒子の各々は、多孔質炭素緩衝層、内側熱分解炭素層、二元炭化物層（例えば、ＳｉＣのセラミック層又は耐火金属炭化物層）、及び外側熱分解炭素層によって囲まれた燃料核を含むことができる。ＴＲＩＳＯ燃料粒子の耐火金属炭化物層は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル、炭化ハフニウム、ＺｒＣ－ＺｒＢ２複合体、ＺｒＣ－ＺｒＢ２－ＳｉＣ複合体、又はこれらの組合せのうちの少なくとも１種を含むことができる。高温マトリックスは、ＴＲＩＳＯ燃料粒子の二元炭化物層と同じ材料で形成することができる。
[0085]円筒形状の核燃料コンパクトを形成するために炭化ケイ素マトリックス内に分散されるＴＲＩＳＯ燃料粒子の説明は、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの以下の特許及び刊行物：名称「Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｕｃｌｅａｒ ｆｕｅｌ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」の２０１６年３月２９日発行の米国特許第９，２９９，４６４号；名称「Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏ－ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ（ＦＣＭ） ｆｕｅｌ ｆｏｒ ＣＡＮＤＵｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」の２０１８年７月２４日発行の米国特許第１０，０３２，５２８号；名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ」の２０１８年１０月２３日発行の米国特許第１０，１０９，３７８号；名称「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏ－ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ（ＤＣＭ） Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」の２０１７年４月１１日発行の米国特許第９，６２０，２４８号及び２０１９年１１月１２日発行の米国特許第１０，４７５，５４３号；名称「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」の２０２０年１月２３日公開の米国特許出願公開第２０２０／００２７５８７号；並びに名称「Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｌａｙｅｒｓ ｏｆ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ」２０２０年２月２５日発行の米国特許第１０，５７３，４１６号に提供されており、それらの全体を参照により本明細書に組み込む。これらのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ特許に記載されているように、核燃料は、円筒形状の核燃料コンパクトを作製するために炭化ケイ素マトリックス内に埋め込まれたＴＲＩＳＯ燃料粒子で構成された円筒形状の燃料コンパクト又はペレットを含むことができる。円筒形状の核燃料コンパクトを形成するために炭化ジルコニウムマトリックス内に分散されたＴＲＩＳＯ、ＢＩＳＯ、又はＴＲＩＺＯ燃料粒子の説明は、２０２１年１月７日に公開された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ」の米国特許出願公開第２０２１／０００５３３５号に提供されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。
[0086]図２Ｄは、統合型減速材－推進剤１０２、推力室１７０、ノズル１７１、固体制御ドラム２２０Ａ～Ｆ（例えば、ベリリウム（Ｂｅ））、及び固体反射体領域２１５を実装する、図２Ａ～ＣのＮＴＰシステム１００の正面断面図である。正面断面図から、推力室１７０、スロート１７２、及びノズル１７１を含むＮＴＰシステム１００の推進要素がはっきりと見える。さらに、主冷却材プレナム２６１及び冷却材吸気マニホールド２６９も見ることができる。この観点から、図１の概念的な流れは、図２Ａ～Ｃの状況でより容易に理解することができる。主冷却材プレナム２６１は、統合型減速材－推進剤１０２の大きな貯蔵部として機能し、図１の推進剤タンク１５１と類似している。主冷却材プレナム２６１は、統合型減速材－推進剤で少なくとも部分的に満たされている場合、追加の放射線遮蔽としても機能し、主冷却材プレナム２６１が原子炉炉心１０１と繊細な構成要素又は人間との間に配置された場合、輸送ロケット内の繊細な構成要素又は人間を保護することができる。
[0087]しかし、主冷却材プレナム２６１がない場合でも、繊細な構成要素又は人間を保護するために、光子遮蔽体２６２及び中性子遮蔽体２６３の両方が存在する。減速材領域１１３及び制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆと同様に、光子遮蔽体２６２及び中性子遮蔽体２６３も、統合型減速材－推進剤１０２で充填され、統合型減速材－推進剤流路１２０と選択的に流体連通している。光子遮蔽体２６２及び中性子遮蔽体２６３の機能を促進するために、統合型減速材－推進剤１０２を高圧にすることができる。
[0088]統合型減速材－推進剤流路１２０において、統合型減速材－推進剤１０２を燃料集合体２０４Ａ～Ｎの冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎに適切に分配するために、統合型減速材－推進剤１０２は冷却材吸気マニホールド２６９を通過する。冷却材吸気マニホールド２６９は、上板２６４及び上部冷却材プレナム２６５、下板２６６及び下部冷却材プレナム２６７を含む。上部冷却材プレナム２６５及び下部冷却材プレナム２６７は、統合型減速材－推進剤流路１２０と流体連通しており、統合型減速材－推進剤１０２を適切に構造化して、推進剤として機能させる。冷却材吸気マニホールド２６９及び主冷却材プレナム２６１は、内圧容器２６８によって原子炉炉心１０１の放射能から保護される。
[0089]過熱された統合型減速材－推進剤１０２が冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎから排出されると、過熱された統合型減速材－推進剤１０２は、推力室１７０に入る。推力室１７０は、実質的な圧力を構築して、気体状の過熱された統合型減速材－推進剤１０２を、スロート１７２を通過させ、次にノズル１７１のスカート１７３から押し出し、それによって推力が生成される。原子炉炉心１０１は、底板２７０によって室１７０から保護される。推力室１７０は、典型的には、原子炉炉心１０１の底部に配置される。
[0090]したがって、図２Ａ～Ｄは、圧力容器２６０と、圧力容器２６０内に配置された原子炉炉心１０１とを含む核熱推進（ＮＴＰ）システム１００を図示している。原子炉炉心１０１は、統合型減速材－推進剤１０２を流すように構成された減速材領域１１３と、減速材領域１１３内に配置された燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列とを含む。各燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、核燃料２４４と、核燃料２４４内に形成された、且つ統合型減速材－推進剤１０２を推力室１７０に流すように減速材領域１１３に連結された冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎの配列とを含む。統合型減速材－推進剤１０２は、アンモニア（ＮＨ３）を含むことができる。
[0091]各燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、核燃料２４４及び冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎの配列を囲む絶縁層（図２Ｃでは外側絶縁層２４３として示す）；絶縁層（図２Ｃでは外側絶縁層２４３として示す）を囲む内缶２４２；内缶２４２を囲む統合型減速材－推進剤リターン部２４１；並びに外缶２４０をさらに含むことができる。統合型減速材－推進剤リターン部２４１は、内缶２４２と外缶２４０との間に置かれる。
[0092]この実施例では、外缶２４０は、減速材領域１１３に直接連結することができる。絶縁層（図２Ｃでは外側絶縁層２４３として示す）は、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）で形成され得、内側絶縁層２４５Ａ～Ｎは、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）で形成され得る。圧力容器２６０は、チタン合金、アルミニウムステンレス鋼合金、又はニッケル－クロム系超合金で形成され得る。内缶２４２は、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体又はジルコニウム合金で形成され得る。外缶２４０は、ＳｉＣ－ＳｉＣ複合体（例えば、内缶２４２とは異なるタイプのＳｉＣ－ＳｉＣ複合体を含む）、ベリリウム（Ｂｅ）複合体、又はステンレス鋼合金で形成され得る。核燃料２４４は、高温マトリックス内に埋め込まれた被覆燃料粒子を含むことができる。高温マトリックスは、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ニオブ、タングステン、モリブデン、又はそれらの組合せを含む。被覆燃料粒子は、三重構造等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子、二重構造等方性（ＢＩＳＯ）燃料粒子、又はＴＲＩＺＯ燃料粒子を含むことができる。ＢＩＳＯ燃料粒子は、窒化ウラン（ＵＮ）で形成された燃料核を含むことができ、ＵＮ ＢＩＳＯ燃料粒子と呼ばれることもある。
[0093]ＮＴＰシステム１００は、減速材領域１１３と圧力容器２６０との間に配置された反射体領域（例えば、図２Ａ～Ｄに示す固体反射体領域２１５又は図３Ａ～Ｄに示す流体反射体領域３１５のいずれか）を含むことができる。図２Ａ～Ｄの実施例では、反射体領域は、固体反射体材料で形成された固体反射体領域２１５とすることができる。固体反射体材料は、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成され得る。
[0094]ＮＴＰシステム１００は、圧力容器２６０の内部に位置した、且つ統合型減速材－推進剤１０２を貯蔵し、減速材領域１１３へ流すように減速材領域１１３に連結された冷却材プレナム（図２Ｄの主冷却材プレナム２６１として示す）をさらに含むことができる。さらに、ＮＴＰシステム１００は、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０を含むことができる（図１を参照）。統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０は、統合型減速材－推進剤１０２を冷却材プレナム（主冷却材プレナム２６１として示す）から減速材領域１１３にポンプ輸送し、統合型減速材－推進剤を減速材領域１１３から燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列にポンプ輸送するように構成される。
[0095]ＮＴＰシステムは、減速材領域１１３を囲む複数の環状制御ドラム２２０Ａ～Ｆを含むことができる。制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々は、外面２３０の第１の部分２３１内に反射体部分（例えば、図２Ｂに示すような固体反射体部分２１６又は図３Ｂに示すような流体制御ドラム反射体部分３１６のいずれか）を含む。制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々は、外面２３０の第２の部分２３２内に吸収体材料２１７をさらに含む。図２Ａ～Ｄの実施例では、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々の反射体部分は、固体反射体材料で形成された固体反射体部分２１６とすることができる。固体反射体材料は、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成される。
[0096]図３Ａは、アンモニア（ＮＨ３）を充填した制御ドラム２２０Ａ～Ｆ及びアンモニアを充填した反射体領域３１５を実装している、図１の統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の第２の変形例の横断面図である。制御ドラム２２０Ａ～Ｆ及び反射体領域は、部分的又は全体的にアンモニアを充填することができる。図３Ａ～Ｄに図示した原子炉炉心１０１及びＮＴＰシステム１００は、図２Ａ～Ｄの例示的な原子炉炉心１０１、原子炉１０７、及びＮＴＰシステム１００と比較して、多くの類似した特徴を有する。しかし、図３Ａでは、固体反射体領域２１５は、流体反射体領域３１５に置き換えられている。したがって、この実施例では、流体反射体領域３１５はまた、減速材領域１１３と共に、統合型減速材－推進剤流路１２０と流体連通又は選択的流体連通状態にある。ＮＴＰシステム１００の運転中のある時点で、流体反射体領域３１５を空にすることができ、流体反射体領域３１５内の統合型減速材－推進剤１０２は、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０によって流体反射体領域３１５から最終的には冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎにポンプ輸送されて、ＮＴＰシステム１００の推進剤として使用される。或いは、固体反射体領域２１５の一部のみ、例えば、固体反射体ブロック（複数可）のサブセット）が、統合型減速材－推進剤１０２で構成された液体反射体に置き換えられる。統合型減速材－推進剤１０２は、固体反射体領域２１５と同様の方法で機能するために、流体反射体領域３１５内で加圧される必要があり得る。
[0097]さらに、各制御ドラム２２０Ａ～Ｆの固体制御ドラム反射体部分２１６は、流体制御ドラム反射体部分３１６に置き換えられている。したがって、この実施例では、流体制御ドラム反射体部分３１６はまた、減速材領域１１３、及び流体反射体領域３１５と共に、統合型減速材－推進剤流路１２０と流体連通又は選択的流体連通状態にある。ＮＴＰシステム１００の運転中のある時点で、制御ドラム２２０Ａ～Ｆのいずれかの流体制御ドラム反射体部分３１６を空にすることができ、流体制御ドラム反射体部分３１６内の統合型減速材－推進剤１０２は、統合型減速材－推進剤用ポンプ１４０によって流体制御ドラム反射体部分３１６から最終的には冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎにポンプ輸送されて、ＮＴＰシステム１００の推進剤として使用される。或いは、固体制御ドラム反射体部分２１６の一部のみが、統合型減速材－推進剤１０２で構成された流体制御ドラム反射体部分３１６に置き換えられる。統合型減速材－推進剤１０２は、固体制御ドラム反射体領域２１６と同様の方法で機能するために、流体制御ドラム反射体部分３１６内で加圧される必要があり得る。
[0098]原子炉炉心１０１の一部を枠で囲み、要素３９０と表示し、この原子炉炉心詳細域３９０を図３Ｂにおいて拡大する。したがって、図３Ｂは、図３Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の横断面の詳細域３９０の図である。原子炉炉心詳細域３９０を見ると、固体反射体領域２１５を流体反射体領域３１５に、固体制御ドラム反射体部分２１６を液体制御ドラム反射体部分３１６に変更することがさらに詳細に示されている。減速材領域１１３の統合型減速材－推進剤１０２を流体反射材領域３１５の統合型減速材－推進剤１０２と分離し続けるために、１つ又は複数の壁を含むことができる減速材反射体セパレータ３５０が原子炉炉心１０１に構築されている。この減速材反射体セパレータ３５０により、減速材領域１１３が流体反射体領域３１５と流体連通していないとき、減速材領域１１３の統合型減速材－推進剤１０２を流体反射体領域３１５の統合型減速材－推進剤１０２とは別の圧力に維持することが可能になる。
[0099]同様に、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆの統合型減速材－推進剤１０２を制御ドラム２２０Ａ～Ｆの流体制御ドラム反射体部分３１６の統合型減速材－推進剤１０２と分離し続けるために、それぞれの制御ドラム反射体室３５１Ａ～Ｆが各制御ドラム２２０Ａ～Ｆに形成される。制御ドラム反射体室３５１Ａは、統合型減速材－推進剤１０２を保持するためにくり抜かれた空洞又は貯蔵部とすることができる。制御ドラム反射体室３５１Ａは、アクチュエーターによって制御されるバルブを選択的に開閉する少なくとも１つの開口部を含むことができる。この制御ドラム反射体室３５１Ａ～Ｆにより、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆが流体制御ドラム反射体部分３１６と流体連通していないとき、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの流体体制御ドラム反射体部分３１６の統合型減速材－推進剤１０２を別の圧力に維持することが可能になる。
[0100]減速材領域１１３、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆ、制御ドラム反射体室３５１Ａ～Ｆ、流体反射体領域３１５、統合型減速材－推進剤リターン部２４１、主冷却材プレナム２６１、上部冷却材プレナム２６５、及び下部冷却材プレナム２６７の連結の順序は変えることができ、上記構成部品のいずれもが、統合型減速材－推進剤１０２を上記任意の他の構成部品に流すことができる。しかし、この説明した実施例では、流体反射体領域３１５、制御ドラム反射体室３５１Ａ～Ｆ、制御ドラム冷却材間隙２１９Ａ～Ｆ、及び主冷却材プレナム２６１はすべて、統合型減速材－推進剤１０２を減速材領域１１３に選択的に流す。減速材領域１１３は、統合型減速材－推進剤１０２を統合型減速材－推進剤リターン部２４１に選択的に流す。統合型減速材－推進剤リターン部２４１は、統合型減速材－推進剤１０２を冷却材吸気マニホールド２６９の上部冷却材プレナム２６５及び下部冷却材プレナム２６７に流す。次いで、冷却材吸気マニホールド２６９は、統合型減速材－推進剤１０２を冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎに流し、次に、推力室１７０、及びノズル１７１（例えば、スロート１７２及びスカート１７３を含む）に流し、その後、ＮＴＰシステム１００から排出されて、推力が生成される。
[0101]上記の構成部品における統合型減速材－推進剤１０２の圧力（密度に直接関係する）を変化させることにより、原子炉炉心１０１の反応度を顕著に増大させることができる。より高い圧力の統合型減速材－推進剤１０２は、より低い圧力の統合型減速材－推進剤１０２よりも、高速中性子の速度をさらに低下させる。特に減速材領域１１３において、統合型減速材－推進剤１０２の圧力を実質上上昇させることによって、制御ドラム２２０Ａ～Ｆを回転させずに、原子炉炉心１０１の反応度に影響を及ぼすことが可能である。したがって、統合型減速材－推進剤１０２を実装するＮＴＰシステム１００は、２０２０年５月５日に発行された、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの、名称「Ｐａｓｓｉｖｅ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」の米国特許第１０，６４３，７５４号に開示された推進剤密度制御技術に基づく制御ドラム２２０Ａ～Ｆなしで構築することができ、その全体を参照により本明細書に組み込む。
[0102]図３Ｂにおいて、原子炉炉心１０１の一部を枠で囲み、原子炉炉心詳細域３９０と表示し、図３Ｃにおいて拡大する。したがって、図３Ｃは、図３Ａの統合型減速材－推進剤ＮＴＰ原子炉炉心１０１の燃料集合体２０４Ａの原子炉炉心詳細域３９０である。図２Ｃの燃料集合体詳細域２９１と比較して、図３Ｃの燃料集合体詳細域３９１と図２Ｃの燃料集合体詳細域２９１との間にたいした違いはない。
[0103]図３Ｄは、統合型減速材－推進剤１０２、推力室１７０、ノズル１７１、及びアンモニア（ＮＨ３）を充填した制御ドラム２２０Ａ～Ｆ、及びアンモニアを充填した反射体領域３１５を実施している、図３Ａ～ＣのＮＴＰシステム１００の正面断面図である。図２Ｄの正面断面図と比較して、唯一の明らかな変化は、固体反射体領域２１５を流体反射体領域３１５に置き換えたことである。さらに、この視角では、減速材反射体セパレータ３５０が、流体反射体領域３１５を主冷却材プレナム２６１と分離し、並びに推力室１７０とも分離していることが分かる。
[0104]したがって、図３Ａ～Ｄは、圧力容器２６０と、圧力容器２６０内に配置された原子炉炉心１０１とを含む核熱推進（ＮＴＰ）システム１００を示している。原子炉炉心１０１は、統合型減速材－推進剤１０２を流すように構成された減速材領域１１３と、減速材領域１１３内に配置された燃料集合体２０４Ａ～Ｎの配列とを含む。各燃料集合体２０４Ａ～Ｎは、核燃料２４４と、核燃料２４４内に形成された、且つ統合型減速材－推進剤を推力室１７０に流すように減速材領域１１３に連結された冷却材チャネル２４６Ａ～Ｎの配列とを含む。
[0105]ＮＴＰシステム１００は、減速材領域１１３と圧力容器２６０との間に配置された反射体領域（例えば、図２Ａ～Ｄに示す固体反射体領域２１５又は図３Ａ～Ｄに示す流体反射体領域３１５のいずれか）を含むことができる。図３Ａ～Ｄの実施例では、反射体領域は、統合型減速材－推進剤１０２を流すように構成された流体反射体領域３１５とすることができる。反射体領域が流体反射体領域３１５である場合、減速材反射体セパレータ３５０は、減速材領域１１３と流体反射体領域３１５との間に配置され得る。減速材反射体セパレータ３５０は、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体、ベリリウム（Ｂｅ）、又はステンレス鋼合金で形成される。
[0106]ＮＴＰシステム１００は、減速材領域１１３を囲む複数の環状制御ドラム２２０Ａ～Ｆを含むことができる。制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々は、外面２３０の第１の部分２３１内に反射体部分（例えば、図２Ｂに示す固体反射体部分２１６又は図３Ｂに示す流体制御ドラム反射体部分３１６のいずれか）を含む。制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々は、外面２３０の第２の部分２３２内に吸収体材料２１７をさらに含む。図３Ａ～Ｄの実施例では、制御ドラム２２０Ａ～Ｆの各々の反射体部分２１６は、統合型減速材－推進剤１０２を流すように構成された制御ドラム反射体室３５１Ａを含む流体制御ドラム反射体部分３１６とすることができる。さらに、反射体部分が流体制御ドラム反射体部分３１６である図３Ａ～Ｄの実施例では、制御ドラム反射体室３５１Ａは、統合型減速材－推進剤１０２が加圧状態又は超臨界状態にある間に統合型減速材－推進剤１０２を流すよう構成されている。
[0107]図４Ａは、アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する重量物運搬ロケットの最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用する重量物運搬ロケットの場合と比較した線グラフである。貯蔵可能な二元推進剤は、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００の推力クラスにおいて宇宙推進技術で最も一般的な非極低温推進剤であるため、貯蔵可能な二元推進剤をアンモニアに対する比較推進剤として選択する。以下の計算では、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００は、エンジン質量が１０００ｋｇ、比推力（Ｉｓｐ）が４７０秒、非エンジン慣性質量と推進剤の割合が０．０８０であると仮定する。貯蔵可能な二元推進剤システムは、エンジン質量が９５ｋｇ、比推力Ｉｓｐが３２８秒、非エンジン慣性質量と推進剤の割合が０．１３４であると仮定する。
[0108]図４Ａにおいて、重量物運搬ロケットの性能計算プロット４００Ａは、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００（ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１として示す）及び貯蔵可能な二元推進剤システム（貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２として示す）のいずれかの場合の所与の最大ペイロード質量４１５に対して重量物運搬ロケットが実現できるΔｖ４１０推力の量を示す。重量物運搬機は、例えば、ニューグレン（Ｎｅｗ Ｇｌｅｎｎ）又はファルコンヘビー（Ｆａｌｃｏｎ Ｈｅａｖｙ）運搬ロケットである。
[0109]重量物運搬ロケットの性能計算プロット４００Ａは、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００が、貯蔵可能な二元推進剤システムよりも効率が良いことを示している。ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１は、貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２の右側にあり、貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２は、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１と交差することはない。さらに、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００は、任意の所与の合理的なΔｖ４１０探査速度に対して、最大ペイロード質量４１５において２５００ｋｇ～４０００ｋｇ多く輸送することができる。ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００は、任意の所与の合理的な最大ペイロード質量４１５に対して、Δｖ４１０速度において７００～３０００ｋｍ／秒速くすることができる。
[0110]図４Ａ～Ｃ及び図５Ａ～Ｂの中心テーマは、統合型減速材－推進剤１０２が、所望のΔｖ４１０でのペイロード４１５によって、貯蔵可能な二元推進剤を使用する従来の宇宙用化学推進システムよりも効率が良いということである。例えば、貯蔵可能な二元推進剤は、四酸化二窒素（Ｎ２Ｏ４）／モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）推進剤である。ＭＭＨは、軌道上の宇宙船エンジンで使用するために米国で支持を得た貯蔵可能な液体燃料である。従来の宇宙用化学推進システムのうち最も一般的なものは、貯蔵可能な自燃性推進剤を使用する。
[0111]図４Ｂは、宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する重量物運搬ロケットのペイロード能力と、貯蔵可能な二元推進剤を利用する場合との比に対する計算Δｖ（速度変化）４１０に関する能力を示した線グラフである。線グラフは、２種の代替的な重量物運搬ロケットの最大ペイロード質量４１５の比に対する計算ΔＶ（速度変化）４１０に関する能力を示している。最大ペイロード質量４１５の比は、宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステム１００を利用する重量物運搬ロケット（図４ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１に記載）を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる宇宙推進段階を利用する重量物運搬ロケット（図４Ａの貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２に記載）と比較するものである。
[0112]したがって、図４Ｂでは、ＮＨ３ ＮＴＰと貯蔵可能な二元推進剤のペイロードの比のライン４０３は、アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを実装する重量物運搬ロケットのペイロード能力（図４ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１に記載）を、貯蔵可能な二元推進剤を実装する同じ重量物運搬ロケットのペイロード能力（図４Ａの貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２に記載）で割ったものである。ΔＶが約６．５ｋｍ／秒に増加すると、宇宙推進段階の貯蔵可能な二元推進剤を利用する重量物運搬ロケットのペイロード能力はゼロに低下し、ライン４０３は無限大に漸近する。６．５ｋｍ／秒のΔＶを超えると、宇宙船の探査又は操作は、宇宙推進段階として貯蔵可能な二元推進剤を利用する重量物運搬ロケットでは不可能であるが、アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステム１００を利用する重量物運搬ロケットでは可能である。
[0113]図４Ｃは、重量物運搬ロケットの性能計算プロット４００Ｃにおいて、図４Ａに、所与のΔｖ（速度変化）４１０で達成可能な様々な代表的ペイロード４３０Ａ～Ｄ及び様々な代表的探査４２５Ａ～Ｄを重ねた線グラフである。
[0114]ＧＥＯ探査相当４２５Ａは、重量物運搬ロケットをジオスペース軌道又は同等の探査に移動させるために必要なΔＶ４１０の量である。高速火星軌道の片道相当４２５Ｂは、地球への帰還なしで、重量物運搬ロケットを火星の軌道又は同等の探査に移動させるために必要なΔＶ４１０の量である。ＬＬＯ（月軌道）の往復相当４２５Ｃは、地球への帰還ありで、重量物運搬ロケットを月の軌道又は同等の探査に移動させるために必要なΔＶ４１０の量である。リュウグウの往復相当４２５Ｄは、「はやぶさ２」探査と同様に地球への帰還ありで、重量物運搬ロケットを小惑星リュウグウ又は同等の探査に移動させるために必要なΔＶ４１０の量である。
[0115]ニューホライズンズの乾燥質量相当４３０Ａは、ニューホライズンズ宇宙船の質量又はそれと同等の質量である。Ｘ－３７Ｂの乾燥質量相当４３０Ｂは、Ｘ－３７ボーイング軌道試験機の質量又はそれと同等の質量である。ＧＯＥＳ－１７気象衛星相当４３０Ｃは、ＧＯＥＳ－１７気象衛星の質量又はそれと同等の質量である。２基の平均的なＧＥＯ衛星相当４３０Ｄは、２基のジオスペース衛星の平均質量又はそれと同等の質量である。
[0116]図４Ａと同様に、重量物運搬ロケットの性能計算プロット４０１Ｃは、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１が貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２の右側にあり、貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２がＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１と交差することはないので、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００が貯蔵可能な二元推進剤システムよりも効率が良いことを示している。図４Ａからの洞察に加えて、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００が、ＬＬＯの往復相当４２５Ｃの探査において６倍～１０倍のペイロードを送ることができることが分かる。ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００はまた、ＧＥＯ探査相当４２５Ａにおいて２基の平均的なＧＥＯ衛星相当４３０Ｄをジオスペース軌道に輸送することができる。貯蔵可能な二元推進剤システムは、２基の衛星をジオスペース軌道に輸送することはできない。
[0117]図５Ａは、アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する中量物運搬ロケットの最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用する重量物運搬ロケットの場合と比較した線グラフである。中量物運搬機は、例えば、ファルコン９又はヴァルカン（Ｖｕｌｃａｎ）輸送ロケットである。
[0118]図５Ａの中量物運搬ロケットの性能計算プロット５００Ａにおいて、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン５０１及び貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン５０２の曲線は、図４ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１及び貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２と非常に似ている。しかし、図４ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１は、ΔＶの約１０ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の１７，５００ｋｇ付近にＹ切片を有するが、図５ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン５０１は、ΔＶの約９ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の９，０００ｋｇ付近にＹ切片を有する。
[0119]同様に、図４Ａの貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２は、ΔＶの約６．７５ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の１５，０００ｋｇ付近にＹ切片を有するが、図５Ａの貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン５０２は、ΔＶの約６．７５ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の８，０００ｋｇ付近にＹ切片を有する。
[0120]図５Ｂは、宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用する中量物運搬ロケットのペイロード能力と、貯蔵可能な二元推進剤の場合との比に対する計算Δｖ（速度変化）４１０に関する能力を示した線グラフである。線グラフは、２種の代替的な中量物運搬ロケットの最大ペイロード質量４１５の比に対する計算ΔＶ（速度変化）４１０に関する能力を示している。最大ペイロード質量４１５の比は、宇宙推進段階としてアンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステム１００を利用する中量物運搬ロケット（図５ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン５０１に記載）を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる宇宙推進段階を利用する中量物運搬ロケット（図５Ａの貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン５０２に記載）と比較するものである。ＮＨ３ ＮＴＰ／貯蔵可能な二元推進剤のペイロード能力４２０は、比である。したがって、図５Ｂの中量物運搬ロケットの性能計算プロット５００Ｂに示されるＮＨ３ ＮＴＰと貯蔵可能な二元推進剤のペイロードの比のライン５０３は、図４Ｂの重量物運搬ロケットの性能計算プロット４００Ｂに示されるＮＨ３ ＮＴＰと貯蔵可能な二元推進剤のペイロードの比のライン４０３と同じに見える。
[0121]図６は、アンモニア推進剤を用いるＮＴＰシステムを利用するエウロパクリッパー宇宙船の最大ペイロード質量に対する計算による速度変化を、貯蔵可能な二元推進剤を用いる推進システムを利用するエウロパクリッパー宇宙船の場合と比較した線グラフである。
[0122]示したエウロパクリッパーの性能計算プロット６００において、図６のＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン６０１及び貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン６０２の曲線は、図４ＡのＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１及び貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２と非常に似ている。しかし、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１は、ΔＶの約１０ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の１７，５００ｋｇ付近にＹ切片を有するが、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン６０１は、ΔＶの約１０．５ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の２８，０００ｋｇ付近にＹ切片を有する。
[0123]同様に、貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２は、ΔＶの約６．７５ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の１５，０００ｋｇ付近にＹ切片を有するが、貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン６０２は、ΔＶの約６．７５ｋｍ／秒にＸ切片を有し、最大ペイロード質量４１５の２４，０００ｋｇ付近にＹ切片を有する。
[0124]エウロパクリッパーの性能計算プロット６００は、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００が木星移動探査相当６２５において９，３００ｋｇを輸送できることを示しており、これは、３００ｋｇの純ペイロードを輸送できることを意味する。貯蔵可能な二元推進剤システムは、エウロパクリッパー自体が重すぎるため、木星移動探査相当６２５Ａにおいて積み荷なしのエウロパクリッパーを輸送するのに十分なΔＶ４１０を生成することができない。
[0125]したがって、図４～６は、アンモニア系ＮＴＰシステムが、すべての合理的な計画において、既存の貯蔵可能な二元推進剤システムよりも多くのペイロードをさらに移動させることができるため、アンモニア系ＮＴＰシステム１００の効率の向上により、多くの探査が利用可能になったことを実証している。貯蔵可能な二元推進剤の性能のライン４０２、５０２、６０２のＸ切片の一貫性からも明らかなように貯蔵可能な二元推進剤システムの最大ΔＶ４１０が約６．７５ｋｍ／秒であることと比較して、アンモニア系ＮＴＰシステム１００はまた、ＮＨ３ ＮＴＰの性能のライン４０１、５０１、６０１のＸ切片の一貫性からも明らかなように約１０～１１ｋｍ／秒というより高いΔＶ４１０速度を有する。
[0126]図７は、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１と理論上の極低温Ｈ２推進剤タンク７５２とを比較した図である。特に、図７は、代表的なケースの１０，０００ｋｇの推進剤の図７００を示している。この図７００は、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１と極低温Ｈ２推進剤タンク７５２との間の大きさの差を示している。
[0127]加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１は、１０，０００ｋｇの加圧ＮＨ３推進剤７０１を保持するために、３．２メートル（ｍ）の加圧ＮＨ３推進剤タンクの直径７２１を有する。この加圧ＮＨ３推進剤タンクの直径７２１は３．２ｍであることから、面積が１０．２４平方メートル（ｍ２）、体積が６８．９立方メートル（ｍ３）となる。
[0128]極低温Ｈ２推進剤タンク７５２は、極低温Ｈ２推進剤タンクの高さ７２２が１１．２ｍ、極低温Ｈ２推進剤タンクの直径７３２が４ｍである。この理論上の極低温Ｈ２推進剤タンクの高さ７２２が１１．２ｍ、理論上の極低温Ｈ２推進剤タンクの直径７３２が４ｍであることから、上部面積が１６ｍ２、側面面積が４４．８ｍ２、体積が１７９．２ｍ３となる。したがって、理論上の極低温Ｈ２推進剤タンク７５２と同じ質量の推進剤を貯蔵するために必要な理論上の加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１の体積は１／３であり、これは質量及び形状因子のかなりの節減である。さらに、丈が高い円筒形の理論上の極低温Ｈ２推進剤タンク７５２から球形の加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１に移行すると、高さが非常に著しく減るため、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１は、より小さな形状因子を有し、したがって、より小さく且つより効率の良いフェアリングも利用しながら、実質上より多くのＮＴＰシステムに適合することができるであろう。さらに、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１は、既存のＮＴＰシステムで現在利用されているフェアリングに適合する可能性が高いが、極低温Ｈ２推進剤タンク７５２は、適合する既存のフェアリングの数がはるかに少なく、既存のＮＴＰシステムの既存のフェアリングを実質的に再設計する必要があるであろう。
[0129]さらに、多くのＮＴＰコンセプトで使用される水素推進剤は極低温（＜３０ケルビン（Ｋ））で貯蔵しなければならないので、Ｈ２を貯蔵するための理論上の極低温Ｈ２推進剤タンク７５２の質量及びＨ２を極低温に保つための設備はかなり大きくなる。特定の例として、１０，０００ｋｇの極低温Ｈ２推進剤７０２を貯蔵するためには、極低温Ｈ２推進剤タンク７５２の重量は８，６２１キログラム（ｋｇ）追加される。代替案として、１０，０００ｋｇの加圧ＮＨ３推進剤７０１では、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１の重量は７８０ｋｇ追加されるだけである。これにより、理論上の極低温Ｈ２推進剤タンク７５２における極低温Ｈ２推進剤７０２の推進剤密度が１立方メートル当たり７１キログラム（ｋｇ／ｍ３）であるのとは対照的に、加圧ＮＨ３推進剤タンク７５１におけるＮＨ３の推進剤密度は６００ｋｇ／ｍ３になる。さらに、２メガパスカル（ＭＰａ）で摂氏４７度（℃）まで液体である加圧ＮＨ３推進剤７０１とは対照的に、極低温Ｈ２推進剤７０２は２５３℃までしか液体ではない。液体は気体よりも減速材として働くのに適しており、したがって、極低温Ｈ２推進剤７０２は、統合型減速材－推進剤１０２としてうまく機能する可能性が低い。したがって、加圧ＮＨ３推進剤７０１を統合型減速材－推進剤１０２として使用することにより、ＮＴＰシステムで通常使用される極低温Ｈ２推進剤７０２に関連する難点が取り除かれる。
[0130]図８は、地球外推進システムに様々な推進技術を利用する際の実現可能性を比較及び対照した図である。潜在的推進技術の図８００には推進技術８６０の欄があり、その欄から地球外用機体の推進方法を選択することができる。推進技術８６０の欄には、図１～３Ｄに記載したアンモニア（ＮＨ３）をベースとする統合型減速材－推進剤ＮＴＰシステム１００、Ｈ２ ＮＴＰシステム８０２、ＬＨ２液体酸素（ＬＯＸ）システム８０３、ＣＨ４ ＬＯＸシステム８０４、貯蔵可能な二元推進剤システム８０５、太陽電気推進（ＳＥＰ）システム８０６、及び核電気推進（ＮＥＰ）システム８０７がある。
[0131]潜在的推進技術の図８００は、ある種の推進技術８６０が特定の地球外探査に適しているかどうかを決定するための基準を識別する見出し行を有する。基準には、非極低温推進剤の利用８１０；技術がペイロード用空間を有する民間打上げロケット（ＣＬＶ）フェアリングに適合するかどうか８２０；推進技術がＮＡＳＡによるグリーン推進剤注入ミッションのために試験された推進技術のように環境に優しいかどうか８３０；推進技術が急速且つ低重力損失軌道マヌーバで良好に機能するかどうか８４０；及び技術が単一流体だけを利用しているかどうか８５０がある。結果８１１～８１７、８２１～８２７、８３１～８３７、８４１～８４７、８５１～８５７が示すように、ＮＨ３ ＮＴＰシステム１００のみが結果８１１、８２１、８３１、８４１、８５１ですべて合格点を有している。開示した他のすべての推進技術８０２～８０７は、いくつかの不合格結果８１２～８１４、８２２、８２７、８３５、８４６～８４７、８５３～８５５、８５７を有し、これは、これらの基準８１０、８２０、８３０、８４０、８５０に基づくＮＨ３ ＮＴＰシステム１００ほどは地球外推進に適していないことを示している。特に、図７で論じたＨ２ ＮＴＰ８０２は、現在使用中の既存のフェアリングに適合しておらず、したがって、ペイロード用空間を有する民間打上げロケット（ＣＬＶ）フェアリングに適合するかどうかという基準に不合格である。貯蔵可能な二元推進剤８０５は、ＮＨ３ ＮＴＰ８０１に対する妥当な競争相手であるように見えるが、図４Ａ～６で調査したように、貯蔵可能な二元推進剤８０５は、すべての性能測定基準にわたって性能が全般的に劣っている。
[0132]保護の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は、本明細書及びそれに続く審査経過に照らして解釈したときに、特許請求の範囲で使用する文言の通常の意味と一致するのと同じくらい広く、構造上及び機能上の均等物をすべて包含するように意図されており、解釈されるべきである。しかし、特許請求の範囲のいずれも、特許法第１０１条、第１０２条、又は第１０３条の要件を満たさない主題を包含することを意図してもいないし、そのように解釈されるべきでもない。そのような主題の意図しない包含は、これにより放棄される。
[0133]本明細書で使用する用語及び表現は、特定の意味を本明細書で別途記載している場合を除き、対応する調査及び研究のそれぞれの領域に関してそのような用語及び表現に与えられる通常の意味を有することが理解されるであろう。第１及び第２などの関係用語は、ある実体又は行為を別の実体又は行為と区別するためにのみ使用され、必ずしもそのような実体又は行為の間の任意の実際のそのような関係又は順序を要求又は暗示するものではない。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」、「とともに（ｗｉｔｈ）」、「で形成される（ｆｏｒｍｅｄ ｏｆ）」、又はそれらの他のどの変形も、非排他的な包含を網羅することを意図しており、したがって、要素又はステップのリストを含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）又は含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）プロセス、方法、物品、又は装置は、それらの要素又はステップだけを含むのではなく、明確にはリストされていないか、又はそのようなプロセス、方法、物品、若しくは装置に付随する他の要素又はステップも含むことができる。「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」が先行する要素は、さらなる制約なしに、その要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置における追加の同一の要素の存在を排除しない。
[0134]さらに、前述の詳細な説明では、開示を簡素化する目的で、様々な特徴が様々な実施例にまとめられていることが分かる。この開示方法は、特許請求する実施例が各請求項に明示的に記載している以上の特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、保護されるべき主題は、任意の単一の開示した実施例のすべての特徴にあるわけではない。したがって、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれ、各請求項は個別に請求される主題として存在している。
[0135]前述では、最良の態様及び／又は他の例と考えられるものを説明してきたが、そこに様々な修正を行うことができ、本明細書に開示した主題を様々な形態及び例で実施することができ、それらを多数の用途に適用することができ、そのうちの一部のみを本明細書に記載したことを理解されたい。以下の特許請求の範囲によって、本概念の真の範囲内にあるすべての修正及び変形を請求することを意図している。

Claims (22)

  1. 圧力容器と、
    前記圧力容器内に配置された原子炉炉心と
    を含む、核熱推進システムであって、
    前記原子炉炉心が、
    統合型減速材－推進剤を流すように構成された減速材領域と、
    前記減速材領域内に配置された燃料集合体の配列であり、各燃料集合体が、
    核燃料と、
    前記核燃料内に形成された、且つ前記統合型減速材－推進剤を推力室に流すために前記減速材領域に連結された、冷却材チャネルの配列と
    を含む、燃料集合体の配列と
    を含む、核熱推進システム。
  2. 前記統合型減速材－推進剤が、アンモニア（ＮＨ３）を含む、請求項１に記載の核熱推進システム。
  3. 各燃料集合体が、
    前記核燃料と前記冷却材チャネルの配列とを囲む絶縁層、
    前記絶縁層を囲む内缶、
    前記内缶を囲む統合型減速材－推進剤リターン部、及び
    外缶
    をさらに含み、前記統合型減速材－推進剤リターン部が、前記内缶と前記外缶との間に置かれる、請求項１に記載の核熱推進システム。
  4. 前記外缶が、前記減速材領域に直接連結される、請求項３に記載の核熱推進システム。
  5. 前記絶縁層が、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）で形成される、請求項３に記載の核熱推進システム。
  6. 前記圧力容器が、チタン合金、アルミニウムステンレス鋼合金、又はニッケル－クロム系超合金で形成される、請求項３に記載の核熱推進システム。
  7. 前記内缶が、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体又はジルコニウム合金で形成され、
    前記外缶が、ＳｉＣ－ＳｉＣ複合体、ベリリウム（Ｂｅ）複合体、又はステンレス鋼合金で形成される、
    請求項３に記載の核熱推進システム。
  8. 前記核燃料が、高温マトリックス内に埋め込まれた被覆燃料粒子で構成され、
    前記高温マトリックスが、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ニオブ、タングステン、モリブデン、又はこれらの組合せを含む、
    請求項３に記載の核熱推進システム。
  9. 前記被覆燃料粒子が、三重構造等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子、二重構造等方性（ＢＩＳＯ）燃料粒子、又はＴＲＩＺＯ燃料粒子を含む、請求項８に記載の核熱推進システム。
  10. 前記ＢＩＳＯ燃料粒子が、窒化ウラン（ＵＮ）で形成された燃料核を含む、請求項９に記載の核熱推進システム。
  11. 前記減速材領域と前記圧力容器との間に配置された反射体領域をさらに含む、請求項１に記載の核熱推進システム。
  12. 前記反射体領域が、固体反射体材料で形成される、請求項１１に記載の核熱推進システム。
  13. 前記固体反射体材料が、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成される、請求項１２に記載の核熱推進システム。
  14. 前記反射体領域が、前記統合型減速材－推進剤を流すように構成される、請求項１１に記載の核熱推進システム。
  15. 前記減速材領域と前記反射体領域との間に配置された減速材反射体セパレータをさらに含み、
    前記減速材反射体セパレータが、炭化ケイ素／炭化ケイ素（ＳｉＣ－ＳｉＣ）複合体、ベリリウム（Ｂｅ）、又はステンレス鋼合金で形成される、
    請求項１４に記載の核熱推進システム。
  16. 前記圧力容器内に置かれた、且つ前記統合型減速材－推進剤を貯蔵し、前記減速材領域に流すように前記減速材領域に連結された、冷却材プレナムをさらに含む、請求項１に記載の核熱推進システム。
  17. 統合型減速材－推進剤用ポンプをさらに含み、
    前記統合型減速材－推進剤用ポンプが、
    前記統合型減速材－推進剤を前記冷却材プレナムから前記減速材領域にポンプ輸送し、
    前記統合型減速材－推進剤を前記減速材領域から前記燃料集合体の配列にポンプ輸送する
    ように構成されている、
    請求項１４に記載の核熱推進システム。
  18. 前記減速材領域を囲む複数の環状制御ドラムをさらに含み、
    前記制御ドラムの各々が、外面の第１の部分内に反射体部分、及び前記外面の第２の部分内に吸収体材料を含む、
    請求項１に記載の核熱推進システム。
  19. 前記反射体部分が、固体反射体材料で形成される、請求項１８に記載の核熱推進システム。
  20. 前記固体反射体材料が、ベリリウム（Ｂｅ）又は酸化ベリリウム（ＢｅＯ）で形成される、請求項１９に記載の核熱推進システム。
  21. 前記反射体部分が、前記統合型減速材－推進剤を流すように構成された制御ドラム反射体室を含む、請求項１８に記載の核熱推進システム。
  22. 前記制御ドラム反射体室が、前記統合型減速材－推進剤が加圧状態又は超臨界状態にある間に前記統合型減速材－推進剤を流すように構成されている、請求項２１に記載の核熱推進システム。
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