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ガス炉心ロケットは、ガス核分裂炉の排気冷却材によって推進される概念的なロケットの一種です。核分裂炉心はガスまたはプラズマのいずれかです。比推力は3,000 ～5,000 秒（30～50 kN・s/kg、有効排気速度30～50 km/s）に達し、比較的高速な惑星間旅行に十分な推力を生み出すことができます。作動流体（推進剤）への熱伝達は、主に紫外線領域の熱放射によって行われ、これは作動温度約25,000 ℃の核分裂ガスから放出されます。
ガス炉ロケットは、温度制限がノズルと炉心壁の構造温度にあり、ガス炉心の最も高温になる領域から離れているため、固体炉心ロケットよりもはるかに高い比推力を得ることができます。その結果、ガス炉心ロケットは推進剤に非常に高い温度を与えることができます。固体炉心核熱ロケットは、水素推進剤の分子量が小さいため、従来の化学ロケットよりも高い比推力を得ることができますが、原子炉の温度は構成部品の最低融点を超えることができないため、動作温度は固体炉心の最高温度によって制限されます。
ガス炉心設計では、従来型の原子力設計に比べてはるかに高い温度を達成できるため、比推力と比推力を向上させることができます。これは、将来の宇宙飛行士のミッション移動時間の短縮や、ペイロード搭載量の増加につながります。また、ガス炉心から発生する部分的に電離したプラズマを利用して磁気流体力学的に発電することも可能となり、結果として追加の電源が不要になる可能性もあります。
ガス炉ロケットの設計はすべて、原子炉炉心においていくつかの共通の特性を持ち、ほとんどの設計で同じ材料が使用されている。地上における設計コンセプトで最も近いのは、気体核分裂炉である。
核分裂性燃料は通常、高濃縮ウランペレットまたはウラン含有ガス（ウラン235またはウラン233）である。化学的安定性のため、四フッ化ウランが用いられる場合もある。推進剤は通常、水素である。
ほとんどのガス炉は、炉心内部の過酷な環境に耐える放射状の第一壁、それらを一体化させる圧力シェル、そして通常は酸化ベリリウムからなる放射状の中性子減速材に囲まれている。推進剤もまた減速材としての役割を果たす。
水素推進剤は原子炉とその各種構造部品を冷却します。水素はまずノズルから送り込まれ、壁面を通過して炉心領域へと戻ります。炉心領域を通過すると、水素は排出されます。推進剤による冷却だけでは不十分な場合は、外部ラジエーターが必要です。ほとんどの設計において炉心内部のガス温度は異なりますが、比推力が最も高い設計では、一般的に核分裂ガスプラズマによって低質量推進剤が加熱されます。この加熱は主に放射によって行われます。
高温では、熱は主に熱放射によって伝達されます（熱伝導よりも）。しかし、推進剤として使用される水素ガスは、この放射に対してほぼ完全に透明です。そのため、ほとんどのガス炉ロケットのコンセプトでは、推進剤に不透明な固体または液体の粒子を添加することが必要とされています。炭素粒子（すす）（非常に不透明で、 昇華点である3915 Kまで固体状態を保つ）は自然な選択肢のように思えますが、炭素は高温高圧の水素リッチ環境では化学的に不安定です。したがって、炭素の代わりに、タングステン（融点3695 K、沸点6203 K）や炭化タンタルハフニウム（融点4263 K、沸点は不明なより高い温度）などの物質の粉塵粒子または液滴が好ましいとされています。これらの粒子は排気ガスの質量の最大4％を占めるため、推進剤のコストが大幅に増加し、ロケットの比推力がわずかに低下するだろう。
しかし、比推力5000～7000秒を達成するために必要な温度では、固体または液体の物質はどれも残存せず（必要な原子炉温度は少なくとも50,000～100,000K ）、推進剤は透明になってしまう。その結果、熱の大部分は燃焼室の壁に吸収されてしまう。推進剤への熱供給または熱伝達のための別の手段が見つからない限り、これほど高い比推力を持つ核熱ロケットの使用は不可能となるだろう。
制御は、核分裂性燃料と推進剤の相対密度または全体密度を変更するか、外部制御駆動装置で中性子吸収ドラムまたは放射状減速材を動かすことによって行うことができる。
ガス炉ロケットには、大きく分けて2つの種類がある。一つは燃料を容器内に収容しない開放サイクル設計、もう一つはガス反応炉を固体構造体内に収容する閉鎖サイクル設計である。
オープンサイクル方式の欠点は、燃料が燃焼度を十分に高める前に、作動流体とともにノズルから漏れ出してしまう可能性があることです。そのため、オープンサイクル方式では燃料の損失を抑える方法を見つける必要があります。外部からの力（磁力、ロケットの加速など）を利用しない限り、燃料と推進剤の混合を抑える唯一の方法は、流体力学を利用することです。また、ノズルからの放射性物質の放出により、この方式は地球の大気圏内での運用には全く不向きです。
開放サイクル設計の利点は、密閉サイクル設計よりもはるかに高い動作温度を達成できること、そして適切な密閉サイクル設計に必要な特殊な材料を必要としないことである。
核分裂性ガス炉心の形状は、円筒形、トロイダル形、または対向流トロイダル形のいずれかである。円筒形およびトロイダル形設計では核分裂性燃料の損失に関する問題があるため、対向流トロイダルガス炉心形状が主な研究対象となっている。対向流トロイダル形は、安定性が最も高く、理論的には前述の概念よりも核分裂性燃料と推進剤の混合をより効果的に防止できるため、最も有望である。この設計では、核分裂性燃料は、流体力学的閉じ込めによって、ベースインジェクション安定化再循環バブル内に大部分が保持される。ほとんどの設計では、モデリングの容易さから円筒形のガス炉心壁が使用されている。しかし、これまでの低温流動試験では、球形の内壁形状設計の方が流体力学的閉じ込めを容易に達成できることが示されている。
燃料渦の形成は複雑です。基本的には、鈍い底を持つ弾丸状の形状に沿って流れる流れに帰着します。渦は、燃料渦の所望の位置の前に半多孔質壁を配置し、その側面に水素推進剤のための空間を残すことによって形成されます。推進剤は、環状の入口領域に沿って原子炉キャビティ内にポンプで送り込まれます。すると、半多孔質壁の後ろにデッドスペースが形成され、粘性力とせん断力によって逆トロイダル回転が発生します。渦が形成されると、半多孔質板を通して核分裂性燃料を注入して原子炉を臨界状態にすることができます。燃料渦の形成と位置は、半多孔質壁を通してシステムに流入する核分裂性燃料の量に依存します。壁を通してシステムに流入する燃料が多いほど、渦は下流に移動します。流入量が少ないほど、渦は上流に移動します。もちろん、上流側の位置は半多孔質壁の配置によって制約される。
閉サイクル方式は、燃料の損失をほぼ完全に排除できるという利点があるが、燃料と推進剤の間に物理的な壁が必要となるため、極めて最適化された特性を持つ材料を見つけるという課題が生じる。広範囲のガンマ線エネルギーに対して透明でありながら、原子炉内の放射線環境、特に近傍の核分裂反応による粒子照射に耐えられる媒体を見つけなければならない。この粒子照射はスパッタリングを引き起こし、最終的には壁の侵食につながる可能性がある。
閉鎖サイクルガスロケットの設計の一つ（しばしば「核電球」と呼ばれる）では、核分裂ガスを推進剤とは別の石英製の容器に封入する。まず、水素冷却材がノズルを通って石英容器の壁の内側を流れ、冷却を行う。次に、冷却材は石英製の燃料容器の外側を流れる。核分裂ガスが壁に直接接触するため、壁が最終的に溶融してしまうことから、作動温度は他の設計ほど高くならない。
外部からの力がない限り、流体力学的閉じ込めは、原子炉内での燃料の滞留時間を延ばす唯一の方法です。しかし、外部からの力がない限り、推進剤は部分的にしか電離しないのに対し、燃料は高度に電離（3倍または4倍）されるため、磁気閉じ込めを使用できないのはなぜかと疑問に思うかもしれません。この疑問に答えるには、磁気プラズマ閉じ込めについて少し理解する必要があります。磁気閉じ込めで重要なパラメータは、運動圧力と磁気圧力の比βです。
β<1 の場合、磁気閉じ込めは可能です (ほとんどの核融合方式では β は 0.05 に近い値です)。しかし、ガス炉ロケットの圧力は核融合装置の圧力よりもはるかに高く、約 1000 atm (100 MPa ) です。このような圧力では、β=1 を実現するだけでも 16テスラ近い磁場強度が必要となります。この規模の磁場を実現するには超伝導技術が必要であり、そのようなシステムの質量増加は有害です。また、β<1 であっても、抵抗拡散によって燃料炉心は β<<1 でない限りほぼ瞬時に崩壊し、そのためにはさらに大きな磁場が必要となります。
しかし、推進剤と燃料は同じ圧力になる可能性があるため、磁場は推進剤との対流混合を阻害するだけで燃料を保持することができ、原子炉チャンバー内の圧力を維持する役割は果たしません。燃料の圧力はβの計算には関係ありません。状況は真空中の核融合プラズマの閉じ込めとは全く異なるため、核分裂燃料の保持に必要な磁場の強度は、磁気流体力学的考察（特に乱流混合の抑制）に基づいて推定する必要があります。
GCR（銀河宇宙ロケット）におけるもう一つの重要な側面は、ロケットの加速が燃料バブル内の燃料の保持に及ぼす影響です。0.001g（10mm/s²）の加速でも、他の すべての流量をゼロgの始動から一定に保った場合、浮力の影響でコアの燃料保持率は35%低下します。最終的には、ロケットが何らかの定常状態に近づくまで、燃料推進剤の流量を絞る必要があります。
このようなガス炉心原子炉では急峻な温度勾配が生じるため、中性子特性に関していくつかの影響を考慮する必要があります。開放サイクルガス炉心原子炉（OCGCR）は、一般的に熱中性子/熱外中性子原子炉です。ほとんどのタイプのOCGCRは、ガス炉心内部の急峻な温度勾配のため、外部減速材を必要とします。燃料領域で発生した中性子は、比較的妨げられることなく外部減速材まで移動し、そこで一部が熱化されてガス炉心に戻されます。しかし、炉心温度が高いため、戻りの途中で中性子は燃料領域で散乱され、原子炉価値が大幅に低下します。臨界状態を達成するために、この原子炉は非常に高い圧力で運転され、外側の半径方向の壁は、一般的に酸化ベリリウムなどの減速材で構成されています。減速は、燃料または推進剤の流れに減速粒子を導入することによっても実現できますが、そうすると、中性子特性上の利点はロケット性能の低下によって相殺されます。
開放サイクルガス炉ロケットは、惑星間ミッション向けに提案されている他の推進方式に対抗できる、独自の設計特性を数多く備えています。閉鎖サイクル方式では原子炉内部に透明な壁が必要となるため、固体炉からガス炉へ移行するメリットはほぼ相殺されます。OCGCRで実現可能な高い比推力と大きな推力は、ミッション時間の短縮とペイロード比率の向上につながります。しかし、その設計には技術的な課題や未知の要素が数多く存在します。さらに、地球上で実施されるシステム試験は1gの重力下で行われるため、ガス炉内部で浮力の影響が及ぶことになります。
地上での実地試験が不可能なため、研究は主にこのようなシステムの計算モデル化に焦点を当てています。比推力は3000秒以上になる可能性があると先に述べましたが、計算モデル化の結果はこの数値がやや楽観的であることを示唆しています。D. Poston が典型的なベース噴射安定化再循環バブルガスコアロケットの熱水力学をより完全にモデル化したところ、比推力は3000秒以上から1500秒未満に低下しました。ベース噴射安定化再循環バブルガスコアロケットの概念では、燃料閉じ込めの追加方法が有益であると考えられています。前述のように、燃料バブルの磁気閉じ込めに完全に依存することはまだ実用的ではありません。しかし、磁場は閉じ込めを助けたり、燃料と推進剤の混合につながる乱流を抑制するのに役立つ可能性があります。
したがって、このようなOCGCRに関する今後の研究の主な分野は、燃料と推進剤の混合を可能な限り避けることに重点が置かれるだろう。本稿では燃料として濃縮ウラン、推進剤として水素に焦点を当ててきたが、これらはどちらにとっても最適な選択肢とは限らない。プルトニウムなどの他の燃料や、ヘリウムやヘリウム3などの他の推進剤も検討されており、状況によっては利点をもたらす可能性がある。