發明背景
核動力火箭那時科幻作家給予這種新能源以充分的關注。H.G.威爾斯在1914年出版的科幻小說《獲得自由的世界》中構想了核武器運用在戰爭中給人類造成的苦難。1926年，雷金納德-格羅索普在科幻小說《太空孤兒》中第一次將原子能與鍊金術聯繫在一起。但只有科學家在1938年發現了核裂變的秘密後，核武器及核動力才有可能成為現實。
原子核中蘊含的能量被發現以後，一方面立即被套用于軍事，另一方面很多人也開始了和平利用原子能的嘗試核電和核動力船舶很快就投入實用，但核動力飛機的嘗試卻失敗了，因為大多數飛機無法運載一個龐大的反應堆50年代，美國人終於造出了像B-36這樣確實能裝上一個反應堆的大型飛機，但這個機載反應堆的功率輸出卻很難滿足驅動如此龐大飛機的需求，因此美國不久後就放棄了把B-36改裝成核動力飛機的計畫。為什麼明明能量巨大的核反應堆驅動飛機時反而不如普通的化學燃料發動機呢？這都是因為在目前的技術水平下，原子能轉化成動能的過程太複雜了，以致效率低下，或者用術語說，是功率密度不足。
通常的船用核反應堆採用了所謂兩迴路方式第一迴路直接從高放射性的堆芯中吸收能量，被加熱後把熱量帶到堆芯以外，加熱第二迴路中的水，產生蒸汽推動蒸汽輪機先發電，再用電力推動船舶，或是直接通過減速齒輪機構帶動螺鏇槳產生推力。然而用這種方式驅動飛機無法得到令人滿意的效果，因為整套裝置太大也太重了，多餘的體積和重量完全抵消了大功率帶來的好處結果裝了類似船用反應堆的核動力系統後，飛機根本就飛不起來。此外，對於飛船，最終的功率輸出也不能靠螺鏇槳，因為在太空中根本不能指望空氣的反作用力，
功率密度
核動力火箭一種核動力火箭的設計圖是這樣的：首先利用反應堆加熱水，讓它變成蒸汽，然後高速蒸汽噴射出來，推動火箭。這和蘇聯科幻小說家構想的“蒸汽原子飛機”有些相似，但作為火箭，必須自帶大量工作物質的缺點仍將使得利用原子能加熱帶來的優點基本被抵消，因為背著大批水上路依舊是個沉重的包袱，而且從水到蒸汽的轉換過程浪費的熱量也太多。最後，環保組織也一定會反對這一方案的，因為它取消了兩迴路模式中高、低放射性區的分隔，從核發動機中噴射出的蒸汽必然是高放射性的會造成嚴重污染。
採用氫氣作為核動力火箭的工作物質可能是更好的解決方案，液氫已是最常用的火箭燃料之一火箭攜帶液氫基本上沒有技術難點。利用核反應堆加熱氫，只要其最終噴射速度達到或超過目前氫氧火箭發動機的噴射速度，相同重量的火箭就能工作更久，也就可以把火箭最終加速得更快。這裡只存在兩個問題：首先火箭的最後重量中包括核反應堆的重量，因此它必須儘可能輕。超小型核反應堆目前已能實現。
此外，如果在外太空使用，可以不考慮放射性殘餘物的問題，簡單到只有一個質子的氫核也比較不容易產生感生放射性，於是禁止層可以作得薄些，噴射出的氫氣也可以直接流過反應堆芯，這樣就可節省下不少重量，當然環保組織可能還是會反對這個設計。第二個問題看似簡單，解決起來卻不容易，那就是如何讓被加熱的氣體高速向後噴出。這是個熱能轉化成動能的問題，其實也是噴氣推進技術方面的一個核心問題。目前，已基本研製成功的超音速衝壓噴氣發動機會是一個很好的借鑑。
感生放射性
物質由於處在高放射性環境中，受到輻射，使原子核發生變化而產生的放射性 以核裂變型反應堆為基礎的原子能火箭構想已基本成熟，主要存在的問題是缺乏投資和實質性的需求、能達到的最高速度仍然有限以及環境污染等如果受控核聚變技術能夠實現，並且可以小型化，那么也可以用核聚變反應堆當作火箭動力，採用的工作原理則基本與上述方式相同。由於核聚變產生的能量遠遠大於核裂變，相同重量的核聚變燃料能夠運行更長時間並把火箭加速到每秒100千米以上。
用雷射束照射核燃料，使之在燃燒室內發生核聚變反應的實驗已接近成功這種雷射核聚變反應堆不需要大尺寸的約束腔容納反應物，也不需要外加強磁場，小型化的前景比較好。因此或許我們可以期待採用這種原理的聚變核火箭出現。此外，採用磁約束達到高溫的“托卡馬克”裝置最近也取得了較大進展，雖然這一裝置較龐大，而且需要超導磁體來產生強磁場，但如果是用於幾千噸級或更加龐大的星際飛船也是可以考慮的，它的好處是易於長時間高負荷連續工作，因為在雷射核聚變堆中，燃料小球燒完後必須停止工作才能重新裝填，
動力類型
常見的核裂變技術發動機包括核脈衝火箭、核電火箭、核熱火箭以及核衝壓火箭等，以核熱火箭為例，其反應堆結構比陸基核電站的規模要小很多，鈾-235的純度要求更高，達到90%以上，在高比衝要求下，發動機核心溫度將達到3000K左右，需要耐高溫性能極佳的材料。核動力技術用於太空環境時，也會面臨核輻射的危險，如果克服這些困難，那么在核聚變發動機無法實現的前提下，核裂變發動機技術也能為太陽系內的探索服務，甚至可進行無人飛船恆星際之旅，可帶來強大續航力，這是傳統化學能發動機所不能比擬的。
研究進展
美國宇航局的科學家目前正在研究新型核聚變動力，2030年的火星載人登入計畫中將會使用到這一革命性動力可極大縮短空間飛行的時間，核聚變技術目前依然無法作為宇宙飛船的動力，但是科學家認為核聚變技術並不是幻想，可控核聚變在不久的將來就會出現。將太空人送上一艘前往火星的超高速飛船是完全可以做到的，目前核聚變技術驅動火箭的原理已經在實驗室進行了驗證，這樣的動力系統很可能在短短的90天之內完成飛往火星這顆紅色星球的旅程。空間推進公司MSNW的技術人員人員安東尼認為：在9月25日與美國宇航局未來太空工作組的演示過程中，實驗室的研究人員獲得了對核聚變技術的相關成果。
一趟往返的火星之旅大約需要500天左右，根據軌道的不同需要的時間也會出現變化，我們目前使用的是傳統的推進系統，太空人需要在宇宙深空中暴露數百天的時間，來自太陽或者宇宙深空的射線都會對太空人健康構成威脅，長時間的空間飛行會使得骨骼和肌肉出現萎縮、機能降低。美國宇航局目前正在發展新一代的推進系統顯然傳統的化學能火箭無法滿足深空飛行的需要，這項新的推進系統需要在2030年中期投入使用，執行前往火星的載人計畫，首席為華盛頓大學的研究人員約翰·斯勞。
NASA創新先進概念計畫的研究人員同時也在設計一個潛在的載人火星登入軌道，只需要210天的時間，相比較於500天的空間飛行時間已經是大大縮短了，時間分配為83天為前往火星、30天時間為停留在火星表面進行考察、剩餘的97天時間為返回地球。
這樣的空間飛行需要全新的動力系統，核聚變裝置是目前較為可行的方案之一，可以提供強大的能量來源，美國宇航局的未來太空發射系統可以將這一系統發射至地球軌道，也可以通過多次發射在軌道上組裝起一艘大型宇宙飛船。按照科學家的構想，我們還需要在飛船上安裝太陽能電池板，可以為飛船上的人員提供必要的電力供應，斯勞和他的團隊正在建設核聚變反應堆的硬體並進行實驗，他們希望在2014年的某個時候能進行一次實驗，使得這項新型宇航動力研究計畫可以達到一個新的里程碑。
