近日，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的一个团队与一些大学生共同前往俄亥俄州立大学研究反应堆，开展了一项关于核热火箭燃料涂层的新颖实验。这项实验有望助力美国宇航局(NASA)的宇航员更快、更有效地前往火星。

从后往前：Brandon Wilson、Bryan Conry、Pavel Shilenko 和 Emily Hutchins 聚集在俄亥俄州立大学研究反应堆周围，准备使用 INSET 炉对涂层替代粒子进行辐照测试。图片来源：Maria McGraw/俄亥俄州立大学

ORNL核能和极端环境测量小组研发人员Brandon Wilson表示：“我们的实验旨在测试燃料涂层技术，并评估其是否能承受核热火箭的极端环境。在极高温度下测试材料是帮助NASA成熟和合格核燃料用于使用核热推进(NTP)技术进行载人航天探索的第一步，也是至关重要的一步。”

核热推进是一项可能改变NASA 2040年载人火星任务格局的技术。NTP发动机使用核反应堆将氢气加热到超高温度，然后通过喷嘴排出加热的氢气，从而产生推力，使火箭比传统化学火箭更有效地穿越太空。实际上，NTP发动机可以大幅缩短前往火星的时间，同时降低总体任务成本以及辐射和零重力对宇航员的影响。

然而，开发和测试能够承受地球上任何其他环境条件的材料仍然是一个挑战。为此，ORNL率先采用了一种用碳化锆涂覆燃料和反应堆堆芯材料的技术，这种技术可以保护这些关键部件免受氢渗透和腐蚀，而不会影响反应堆的中子学。

为了在高温和高辐射的综合影响下测试这种涂层，ORNL核与极端环境测量小组的研究人员设计了堆内稳态极端温度试验台(INSET)。这是一种专门设计用于在核反应堆内运行的高温炉。INSET的第二代产品(INSET 2.0)由ORNL开发，田纳西大学研究生Emily Hutchins做出了重要设计贡献。它可以在大约五分钟内将材料从室温快速加热到2200摄氏度，同时允许在中子辐照后快速处理，是一种经济高效的选择，可在反应堆内外进行多项实验。

在核科学用户设施超快速周转实验计划的资助下，INSET被用于在俄亥俄州立大学研究反应堆对涂层替代粒子进行辐照测试。在那里，四种不同的核热火箭燃料样品替代品被涂上碳化锆，并被放置在INSET中，在反复的温度循环下进行辐照两天。

实验团队包括Wilson、Hutchins、ORNL博士后研究员Bryan Conry以及西点军校学员Pavel Shilenko。Hutchins和Shilenko是实验的主要操作员，负责设置INSET炉子并在为期两天的测试中记录数据。

Wilson表示：“我为Emily和Pavel感到无比自豪。他们对这个项目的贡献为这项研究创造了一个重要的里程碑。此外，他们也为我们带来了一段学习经历，我希望这段经历能塑造他们未来成为核科学和工程领域的领导者。”

今年春季晚些时候，研究小组将在橡树岭国家实验室进行辐照后分析，以评估涂层的性能及其在运行条件下保护燃料的能力。

Wilson指出：“这次实验的结果将代表人类未来太空探索核热推进技术向前迈出的关键一步。”

此外，ORNL的Katherine Montoya、Eddie Lopez Honorato、Craig Gray、Bob Sitterson、Nick Prins和N. Dianne Bull Ezell也参与了本次实验。团队感谢俄亥俄州立大学核反应堆实验室的支持以及反应堆工作人员的协助。

这项研究得到了美国国家航空航天局和核科学用户设施超快速周转实验计划的资助。