O Projeto Pluto foi um programa do governo dos Estados Unidos para desenvolver motores ramjet movidos a energia nuclear para uso em mísseis de cruzeiro. Dois motores experimentais foram testados no Área de Testes de Nevada (Nevada Test Site - NTS) em 1961 e 1964, respectivamente. Em 1.º de janeiro de 1957, a Força Aérea dos Estados Unidos (USAF) e a Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos selecionaram o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para estudar a viabilidade de aplicar calor de um reator nuclear para alimentar um motor ramjet em um . Isso ofereceria vantagens sobre outros sistemas de entrega de armas nucleares da época: operando a Mach 3, ou cerca de , e voando a apenas , seria invulnerável a interceptações por defesas aéreas contemporâneas, transportaria mais ogivas nucleares com maior rendimento nuclear, entregaria com precisão superior à dos mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs) da época e, diferentemente deles, poderia ser recolhido.
Essa pesquisa ficou conhecida como Projeto Pluto e foi dirigida por Theodore Charles (Ted) Merkle, líder da Divisão R do laboratório. Inicialmente conduzida em Livermore, na Califórnia, os testes foram transferidos para novas instalações construídas por 1,2 milhão de dólares (equivalente a US$ 10 milhões em 2024) em no Site 401 do NTS, também chamado Jackass Flats. Os reatores de teste eram movidos sobre um vagão ferroviário controlado remotamente. A necessidade de manter velocidade supersônica em baixa altitude e em qualquer condição climática exigia que o reator suportasse altas temperaturas e radiação intensa. Elementos de combustível nuclear cerâmicos foram usados, contendo óxido de urânio altamente enriquecido e óxido de berílio como moderador de nêutrons.
Após testes preliminares para verificar a integridade dos componentes sob tensão e vibração, o Tory II-A, primeiro motor ramjet nuclear do mundo, operou em potência total (46 MW) em 14 de maio de 1961. Um motor ramjet maior e totalmente funcional, o Tory II-C, foi desenvolvido e operado em potência total (461 MW) em 20 de maio de 1964, demonstrando a viabilidade de um motor ramjet nuclear. Apesar desses e outros testes bem-sucedidos, a tecnologia de ICBMs avançou mais rápido que o esperado, reduzindo a necessidade de mísseis de cruzeiro. No início dos anos 1960, havia maior preocupação com emissões radioativas na atmosfera, e elaborar um plano de testes de voo adequado era difícil. Em 1.º de julho de 1964, sete anos e seis meses após o início, o Projeto Pluto foi cancelado.
Origens Durante a década de 1950, a Força Aérea dos Estados Unidos (USAF) considerou o uso de aeronaves e mísseis movidos a energia nuclear como parte do projeto , coordenado pelo Aircraft Nuclear Propulsion Office. A pesquisa em mísseis era coordenada pela Missile Projects Branch. O conceito de usar um reator nuclear como fonte de calor para um ramjet foi explorado por e Eldon W. Sams no Lewis Research Center do National Advisory Committee for Aeronautics em 1954 e 1955. O princípio do ramjet nuclear era simples: o movimento do veículo forçava a entrada de ar pela frente (efeito ram). Se um reator nuclear aquecesse o ar, este se expandiria rapidamente por um bico na traseira, gerando empuxo.
Na época, a Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos (AEC) estudava o uso de um foguete nuclear como estágio superior de um míssil balístico intercontinental (ICBM) para a USAF. A AEC delegou esse trabalho aos seus dois laboratórios rivais de armas atômicas: o Laboratório Nacional de Los Alamos (LASL), em Los Alamos, Novo México, e o Lawrence Radiation Laboratory, em Livermore, Califórnia. No final de 1956, avanços no design de armas nucleares reduziram a necessidade de um estágio superior nuclear, concentrando o esforço no LASL, onde se tornou o Projeto Rover.
Em 1.º de janeiro de 1957, a USAF e a AEC selecionaram o Laboratório de Livermore para estudar o projeto de um reator nuclear para motores ramjet. Essa pesquisa tornou-se o Projeto Pluto. Foi dirigido por Theodore C. (Ted) Merkle, líder da Divisão R do laboratório.
Desenvolvimento
O uso proposto para ramjets nucleares seria propulsionar um míssil de cruzeiro chamado SLAM, sigla para Supersonic Low Altitude Missile. Teria vantagens sobre outros sistemas de entrega de armas nucleares. Estimava-se que o reator pesaria entre 23 e 91 toneladas, permitindo uma carga útil superior a 23 toneladas. Operando a Mach 3, ou cerca de , e voando a , seria invulnerável a defesas aéreas da época. Poderia carregar mais ogivas nucleares que as dezesseis de um submarino da , com rendimento de até 10 megatons de TNT (42 PJ), e maior precisão. Diferentemente de um ICBM, poderia ser recolhido.
Estima-se que o custo unitário de cada míssil seria inferior a 5 milhões de dólares (equivalente a US$ 40 milhões em 2024, tornando-os mais baratos que um bombardeiro Boeing B-52 Stratofortress. Custos operacionais também seriam baixos, pois mantê-los em prontidão seria mais barato que submarinos ou bombardeiros, e comparável a um ICBM baseado em silo. O alcance não seria ilimitado, mas determinado pela carga de combustível. Merkle calculou que um MW-dia de energia consumiria cerca de um grama de urânio altamente enriquecido. Um reator de 490 MW com 50 quilogramas de urânio queimaria 1% de seu combustível por dia. Se a acumulação de pudesse ser evitada, o míssil voaria por vários dias. O sucesso do projeto dependia de avanços em metalurgia e ciência dos materiais. para controlar o reator em voo precisavam operar incandescentes e sob intensa radiação ionizante. Manter velocidade supersônica em baixa altitude e em qualquer clima significava voar em ar mais denso, enfrentando maior resistência e exigindo mais potência. O reator, codinome "Tory", suportaria temperaturas que derreteriam metais de motores a jato ou foguete.
A solução foi usar elementos de combustível cerâmicos. O núcleo seria de óxido de berílio (), único moderador de nêutrons disponível que resistia às altas temperaturas. Mais de 80% dos tubos combustíveis tinham ; o restante variava para atingir o comprimento e arranjo corretos. Os tubos consistiam em uma matriz de BeO com grãos de contendo solução sólida de urânio (), zircônio () e ítrio (). O Tory II-A usava mistura urânio-berílio, mas no Tory II-C adicionou-se zircônioe ítrio na proporção 1,06:1:1 de urânio:zircônia:ítrio. zircônioe ítrio estabilizavam a urânio contra transição de fase para octóxido de triurânio () a cerca de . As partículas da mistura urânio-zircônia-ítrio ("horseradish") tinham principalmente . O urânio era oralloy: enriquecido a 93,2% em urânio-235.
Os tubos tinham seção hexagonal de entre faces opostas, com furo central de . Eram compactados em padrão de favo de mel. As hastes metálicas eram de e Hastelloy R235, resfriadas para não exceder . Tubos cerâmicos ao redor das hastes (tubos de proteção) eram sem combustível e com furos de . O núcleo era cercado por refletores de nêutrons. O refletor frontal tinha e o traseiro , ambos de tubos de BeO. O lateral consistia em de tubos de BeO e de lâminas de níquel. O reator era controlado por haste de controles de háfnio que se moviam axialmente nas hastes. Doze hastes de ajuste ficavam a do eixo central; duas mais próximas do refletor: uma de ajuste fino e outra de segurança. Normalmente, moviam-se a , mas em em 1,5 segundo. As hastes de ajuste eram movidas por quatro atuadores, cada um controlando três hastes. Tinham de comprimento, de diâmetro e curso de .
O contrato para fabricar os elementos de combustível foi concedido à . O processo de produção do horseradish envolvia misturar pó de BeO sinterizável com nitrato de uranilo, e para formar uma suspensão coloidal coprecipitada com nitrato de amônio. Por segurança crítica com oralloy, os tanques de mistura tinham geometria longa e estreita. A mistura era filtrada, seca e calcinada a . Misturava-se com aglutinante de álcool polivinílico, e água, e extrudada a por uma matriz. Os tubos eram secos, o aglutinante queimado a , e sinterizados em hidrogênio a para densificação. O efeito máximo permitido de impurezas na reatividade era de 2 a 3%. Na prática, foi de 0,5%.
Instalações de teste Os testes foram realizados em novas instalações construídas por 1,2 milhão de dólares (equivalente a US$ 10 milhões em 2024) em de Jackass Flats no Área de Testes de Nevada (NTS) da AEC, conhecido como Site 401. As instalações eram compartilhadas com o Projeto Rover. O complexo incluía de estradas, edifício de montagem crítica, edifício de controle, edifícios de montagem e oficinas, além de utilidades.
Uma mina de agregados foi adquirida para fornecer o concreto das paredes do edifício de desmontagem, o Edifício 2201, com espessura de . O Edifício 2201 foi projetado para permitir ajustes, desmontagem ou substituição remota de componentes radioativos. As operações na baia principal de desmontagem podiam ser observadas por janelas de cristal de chumbo de . Células "quentes" adjacentes à baia eram usadas para monitorar os atuadores das hastes de controle. Cofres em cada célula eram equipados com manipuladores remotos.
Todos os controles ficavam na sala de controle central, climatizada com pressão positiva para que o ar fluísse sempre em direção à baia de desmontagem e às células quentes, e o ar usado passava por filtros. A baia principal e as células quentes eram acessíveis por aberturas normalmente cobertas com placas de chumbo. Havia chuveiros e uma sala de segurança radiológica para os trabalhadores. O Edifício 2201 também continha oficina de manutenção, quarto escuro, escritórios e depósitos de equipamentos. Cientistas monitoravam os testes remotamente via conexão de televisão a partir de um barracão de lata a uma distância segura, equipado com abrigo antinuclear com suprimento de comida e água para duas semanas em caso de catástrofe grave.
Foram necessários cerca de de tubos de poço de petróleo de para armazenar aproximadamente de ar comprimido a usado para simular condições de voo do ramjet Pluto. Três compressores gigantes foram emprestados da em Groton, Connecticut, capazes de reabastecer o sistema em cinco dias. Um teste de cinco minutos em potência total envolvia de ar forçado sobre 14 milhões de bolas de aço de contidas em quatro tanques de aço aquecidos a .
Como os reatores de teste ficavam altamente radioativos após a ativação, eram transportados de e para o local de teste em vagões ferroviários. A "Jackass and Western Railroad", como era chamada de forma humorística, era considerada a ferrovia mais curta e lenta do mundo. Havia duas locomotivas: a elétrica L-1 controlada remotamente e a diesel/elétrica L-2 controlada manualmente, mas com blindagem radiológica ao redor da cabine. A primeira era usada normalmente; a segunda, como reserva. A Baia de Montagem Fria (Sala 101) no Edifício 2201 era usada para armazenamento e montagem de componentes do veículo de teste do reator. Também continha poço de serviço de manutenção e carregador de bateria para as locomotivas.
Tory II-A Em 1957, o Laboratório de Livermore começou a trabalhar em um reator protótipo chamado Tory II-A para testar o projeto proposto. Inicialmente, planejava-se construir dois reatores de teste Tory II-A, designados IIA-1 e IIA-2; no final, apenas um foi construído. Seu objetivo era testar o projeto sob condições semelhantes às de um motor ramjet. Para economizar tempo, dinheiro e reduzir complexidade, o Tory II-A tinha diâmetro cerca de um terço do necessário para o motor, muito menor que o projeto final. Para ainda atingir com menos combustível, o núcleo era cercado por um refletor espesso de .