Атомные ракетные двигатели не являются новинкой. В 1960 году США и Советский Союз разрабатывали и испытывали тепловые ядерные ракеты. Теперь, в рамках расширенной программы Exploration Systems НАСА планирует продемонстрировать жизнеспособность и оценить материалы тепловых систем ядерных энергетических установок для использования в будущих дальних космических полетах.

Тепловой ядерный ракетный двигатель использует ядерный реактор, чтобы нагреть водород до очень высоких температур, после чего перегретый водород расширяется и под давлением выбрасывается через сопло для создания тяги. Таким образом, эффективность теплового ядерного двигателя ограничивается высокой прочностью твердых материалов. В отличие от солнечных или атомных ионов или плазменных двигателей, тепловой ядерный двигатель в значительной степени выполняет ту же работу, что и химические ракетоносители, но тратит на это примерно в два раза меньше топлива.

Турбонасос подает жидкий водород в двигатель под большим давлением. Большая часть потока водорода поступает в верхнюю часть корпуса двигателя, но часть его отходит к теплообменнику на стенках сопла ракеты, тем самым охлаждая сопло.

Водород подается в активную зону реактора, которая имеет матрицу из продольных каналов, в которых водород нагревается до температуры свыше 2200С. После нагрева водорода в реакторе он выбрасывается через сопло, достигая скорости в 10 км/с и более.