はじめに
核熱推進（Nuclear Thermal Propulsion, NTP）は、化学推進の2倍以上となる比推力約900秒を実現し、火星往復の飛行時間を大幅に短縮する次世代推進技術だ。NASAとDARPAは2023年にDRACO（Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations）計画を発表し、2027年の宇宙実証を目指している。BWX Technologiesが原子炉を、ロッキード・マーティンが宇宙機を開発するこの計画は、1972年のNERVA計画終了以来、50年以上ぶりの核推進飛行試験となる。
核熱推進の原理
固体炉心NTPの仕組み
NTPの動作原理は化学ロケットに比べてシンプルだ。原子炉の核分裂反応で発生する熱エネルギーを使って推進剤（水素ガス）を加熱・膨張させ、ノズルから高速排出する。化学推進が推進剤の燃焼エネルギーに依存するのに対し、NTPは核分裂の莫大なエネルギー密度（ウランの質量エネルギーは化学燃料の約2,000万倍）を利用する。
| パラメータ | NTP | 化学推進(LOX/LH2) | 化学推進(LOX/CH4) |
|---|---|---|---|
| 比推力 | 850〜900秒 | 450秒 | 360秒 |
| 推力 | 25〜250 kN | 可変 | 可変 |
| 推進剤 | 液体水素 | LOX + LH2 | LOX + CH4 |
| エネルギー源 | 核分裂 | 化学反応 | 化学反応 |
| 推力重量比 | 3〜10 | 50〜80 | 40〜70 |
水素が推進剤として最適な理由は、その分子量の小ささにある。ロケットの排気速度は「温度/分子量」の平方根に比例するため、同じ温度でも水素（分子量2）は水蒸気（分子量18）の3倍の排気速度を達成できる。NTPでは炉心温度を2,500〜3,000 Kまで加熱することで、比推力900秒を実現する。
NERVA計画の遺産
NTPは新しい概念ではない。NASAは1960年代にNERVA（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application）計画で地上試験を繰り返し、推力333 kN、比推力841秒（Phoebus-2A）を実証した。しかし1972年、アポロ計画の縮小とともにNERVAは中止された。
当時のNERVAとDRACOの大きな違いは炉心設計にある。NERVAは高濃縮ウラン（HEU, 93%濃縮）を使用したが、DRACOは核拡散リスクを考慮し高濃度低濃縮ウラン（HALEU, 20%未満）を使用する設計だ。
DRACO計画の技術構成
BWX Technologiesの原子炉設計
BWX Technologies（BWXT）は米国海軍の原子力艦船用原子炉で60年以上の実績を持つ企業であり、DRACOの原子炉設計・製造を担当する。
“The DRACO program aims to demonstrate a nuclear thermal rocket engine in orbit, paving the way for faster and more efficient deep-space travel.”
DRACOの炉心はHALEU燃料を使用した固体炉心型で、以下の特徴を持つ。
- 燃料形態: セラミック被覆HALEU粒子を含む複合燃料要素
- 炉心温度: 目標2,500 K以上
- 冷却材/推進剤: 液体水素（炉心を通過して加熱される）
- 出力: 数百MWt（熱出力）クラス
ロッキード・マーティンの宇宙機
ロッキード・マーティンは宇宙機全体の設計・組立・統合を担当する。宇宙機は原子炉モジュール、推進剤タンク、アビオニクスモジュールで構成され、推進剤（液体水素）のクライオジェニック管理が大きな技術課題となる。
液体水素は沸点が−253℃と極めて低く、長期間の宇宙貯蔵には高性能な断熱技術とゼロボイルオフ（ZBO）技術が必要だ。
SPAR研究所
2024年、NASAはアイダホ国立研究所内にSPAR（Space Nuclear Propulsion and Reactor）研究所を設立し、3,500万ドルの予算を投じた。SPARはDRACOの地上試験支援だけでなく、将来の宇宙用原子炉技術全般の研究基盤となる。
火星往復時間の短縮効果
化学推進 vs NTP vs NEP
NTPの最大のメリットは、火星への往復飛行時間の短縮だ。
| 推進方式 | 地球→火星（片道） | 往復総期間 | 推進剤質量比 |
|---|---|---|---|
| 化学推進（LOX/LH2） | 7〜9ヶ月 | 約2.5年 | 高い |
| NTP（Isp 900s） | 3〜4ヶ月 | 約1.5年 | 中程度 |
| NEP（Isp 5,000s） | 6〜12ヶ月（低推力） | 約2年 | 低い |
NTPは比推力が化学推進の約2倍であるため、同じペイロードでの推進剤質量を大幅に削減できる。これにより、より高いΔVの軌道を選択でき、遷移時間が短縮される。有人火星ミッションでは、飛行時間の短縮は宇宙放射線被曝量の低減とクルーの心理的負担軽減に直結する重要な要素だ。
核電気推進（NEP）との比較
核電気推進（NEP）は原子炉の熱を電力に変換し、イオンエンジンやホールスラスタを駆動する方式だ。比推力は5,000秒以上と極めて高いが、推力が小さいため加速に長時間を要する。有人ミッションにはNTP、大量貨物輸送にはNEPが適するとされている。
安全性と規制
宇宙での核利用の安全設計
NTPの原子炉は打上げ時には未臨界（停止）状態で宇宙に運ばれ、軌道上でのみ起動される。万が一の打上げ失敗時にも核分裂反応は起こらない設計だ。国連宇宙空間平和利用委員会（COPUOS）の原子力電源原則（1992年）は、十分な軌道高度での運用と、地球再突入時の安全対策を求めている。
技術的なポイント
基礎知識
- 比推力（Isp）: 推進剤1kgあたりの推力持続時間。NTPは約900秒で化学推進（450秒）の約2倍
- HALEU: High-Assay Low-Enriched Uranium。濃縮度5〜20%のウラン。核兵器転用リスクがHEU（93%）より格段に低い
- ゼロボイルオフ（ZBO）: クライオジェニック推進剤の蒸発を冷凍機で防ぐ技術。長期宇宙ミッションに必須
- 推力重量比: NTPは化学推進より低いが、高比推力との組合せで総ミッション性能は優位
応用例
- NERVA（1960-1972）: 地上試験で推力333 kN、比推力841秒を実証。宇宙飛行試験は未実施
- DRACO（2023-2027）: DARPA/NASA共同。宇宙でのNTPエンジン初実証を目指す
- Kilopower/KRUSTY: NASAの宇宙用小型原子炉（電力用）。月面電力供給に応用予定
まとめ
核熱推進（NTP）は比推力900秒という化学推進の2倍の効率を持ち、火星往復時間を1.5年程度に短縮できる。DRACO計画は2027年の宇宙実証を目指し、BWX Technologiesの原子炉とロッキード・マーティンの宇宙機で構成される。NERVA計画から50年を経て、核推進は再び有人深宇宙探査の現実的な選択肢となりつつある。再利用ロケットによるコスト削減と組み合わせれば、2030年代の有人火星探査は技術的に手の届く距離にある。
参考文献
- DARPA, “Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO)”, DARPA Program Information. DARPA
- NASA, “Nuclear Thermal Propulsion”, NASA Space Technology Mission Directorate. NASA NTP
- Borowski, S.K. et al., “Nuclear Thermal Propulsion (NTP): A Proven Growth Technology for Human NEO/Mars Exploration Missions”, AIAA Space 2012. AIAA
- NASA, “SPAR: Space Nuclear Propulsion and Reactor Facility”, 2024. NASA INL
- Koenig, D., “Experience Gained from the Space Nuclear Rocket Program (Rover)”, Los Alamos Report LA-10062, 1986. LANL
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