美国国家航空航天局计划在未来十年内向火星发射载人飞船——但是1.4亿英里(2.25亿公里)的火星之旅可能需要几个月到几年的往返时间。
这种相对较长的运输时间是使用传统化学火箭燃料的结果。该机构目前开发的化学推进火箭的另一种替代技术被称为核热推进技术，它利用核裂变，有朝一日可以为火箭提供动力，只用一半的时间就能完成行程。
核裂变涉及到收集原子被中子分裂时释放的难以置信的大量能量。这个反应被称为裂变反应。裂变技术在发电和核动力潜艇方面已经很成熟，将其应用于火箭的驱动或动力可能有一天会给NASA提供一种比化学驱动火箭更快、更强大的替代方案。
NASA和国防高级研究计划局正在联合开发NTP技术。他们计划在2027年在太空中部署并展示原型系统的能力，这可能使其成为美国建造和运营的首批此类系统之一
有一天，核热推进也可以为机动空间平台提供动力，以保护地球轨道内外的美国卫星。但这项技术仍在发展中。
我是佐治亚理工学院核工程副教授，我的研究小组建立模型和模拟来改进和优化核动力推进系统的设计。我的希望和热情是协助设计核动力推进引擎，将载人任务带到火星。
传统的化学推进系统使用一种化学反应，包括一种轻推进剂，如氢和一种氧化剂。当两者混合在一起时，就会点燃，导致推进剂很快从喷嘴中喷出，推动火箭前进。
这些系统不需要任何形式的点火系统，所以它们是可靠的。但这些火箭进入太空时必须携带氧气，氧气会使火箭重量下降。与化学推进系统不同，核热推进系统依靠核裂变反应来加热推进剂，然后从喷嘴中喷出以产生推动力或推力。
在许多裂变反应中，研究人员向铀的较轻同位素铀-235发射一个中子。铀吸收中子，产生铀-236。然后铀-236分裂成两个碎片——裂变产物——反应释放出一些不同的粒子。
目前世界上运行的400多个核反应堆使用的是核裂变技术。这些运行中的核反应堆大多数是轻水反应堆。这些裂变反应堆利用水来减缓中子的速度，并吸收和传递热量。水可以直接在核心或蒸汽发生器中产生蒸汽，从而驱动涡轮机发电。
核热推进系统的工作原理与此类似，但它们使用的是含有更多铀-235的不同核燃料。它们也可以在更高的温度下工作，这使得它们非常强大和紧凑。核动力推进系统的功率密度大约是传统轻水反应堆的10倍。
由于几个原因，核动力推进可能比化学推进更有优势。
核动力推进将从发动机喷嘴中迅速排出推进剂，产生高推力。这种高推力使火箭能够更快地加速。
这些系统也有很高的比冲。比冲测量推进剂产生推力的效率。核动力推进系统的比冲大约是化学火箭的两倍，这意味着它们可以将飞行时间缩短2倍。
几十年来，美国政府一直在资助核热推进技术的发展。1955年至1973年间，美国国家航空航天局、通用电气和阿贡国家实验室的项目生产并在地面测试了20台核热推进发动机。
但这些1973年以前的设计依赖于高浓缩铀燃料。由于存在扩散危险，或与核材料和核技术扩散有关的危险，这种燃料已不再使用。
由美国能源部和国家核安全管理局发起的“全球减少威胁倡议”旨在将许多使用高浓缩铀燃料的研究堆转化为高含量、低浓缩铀燃料。
与高浓缩铀燃料相比，高含量、低浓度的铀燃料具有较少能够发生裂变反应的物质。因此，火箭需要装载更多的高浓氢燃料，这会使发动机更重。为了解决这个问题，研究人员正在寻找一种特殊材料，可以在这些反应堆中更有效地利用燃料。
NASA和DARPA的敏捷地月操作演示火箭(简称DRACO)计划打算在其核热推进发动机中使用这种高含量、低浓缩铀燃料。该项目计划在2027年发射火箭。
作为DRACO项目的一部分，航空航天公司洛克希德·马丁公司与BWX技术公司合作开发反应堆和燃料设计。
这些集团正在开发的核热推进发动机将需要符合特定的性能和安全标准。他们需要有一个核心，可以在任务期间运行，并执行快速前往火星的必要操作。
理想情况下，发动机应该能够产生高比脉冲，同时也满足高推力和低发动机质量的要求。
在工程师能够设计出满足所有这些标准的发动机之前，他们需要从模型和仿真开始。这些模型帮助研究人员，比如我所在小组的研究人员，了解发动机如何启动和关闭。这些操作需要快速、大规模的温度和压力变化。
核动力热推进发动机将不同于所有现有的裂变动力系统，因此工程师们将需要开发与这种新发动机一起工作的软件工具。
我的小组使用模型设计和分析核动力推进反应堆。我们对这些复杂的反应堆系统进行建模，以了解温度变化等因素如何影响反应堆和火箭的安全。但是模拟这些效果需要大量昂贵的计算能力。
我们一直在努力开发新的计算工具来模拟这些反应堆在启动和运行时的行为，而不需要使用太多的计算能力。
我和我的同事们希望这项研究有一天能帮助开发出能够自主控制火箭的模型。
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