Атомні ракетні двигуни не є новинкою. У 1960 році США і Радянський Союз розробляли й випробовували теплові ядерні ракети. Тепер, у рамках розширеної програми Exploration Systems НАСА планує продемонструвати життєздатність і оцінити матеріали теплових систем ядерних енергетичних установок для використання в майбутніх далеких космічних польотах.

Тепловий ядерний ракетний двигун використовує ядерний реактор, щоб нагріти водень до дуже високих температур, після чого перегрітий водень розширюється і під тиском викидається через сопло для створення тяги. Таким чином, ефективність теплового ядерного двигуна обмежується високою міцністю твердих матеріалів. На відміну від сонячних чи атомних іонів або плазмових двигунів, теплової ядерний двигун значною мірою виконує ту ж роботу, що і хімічні ракетоносії, але витрачає на це приблизно в два рази менше палива.

Турбонасос подає рідкий водень в двигун під великим тиском. Більша частина потоку водню надходить у верхню частину корпусу двигуна, але частина його відходить до теплообмінника на стінках сопла ракети, тим самим охолоджуючи сопло.

Водень подається в активну зону реактора, яка має матрицю з поздовжніх каналів, в яких водень нагрівається до температури понад 2200С. Після нагріву водню в реакторі він викидається через сопло, досягаючи швидкості до 10 км/с і більше.