设想的原子能推进火箭，也有一个“燃烧室”，这个“燃烧室”称为反应室。铀-235的某种盐类溶液从几个燃料库存输入到反应室中时，开始链式反应，铀原子核不断地进行分裂，产生4000摄氏度以上的高温，在这种温度下，水分解成氢和氧，这种灼热的气流以每秒10000米的速度冲出排气口。它的速度是任何化学燃料所不能达到的。据计算，一千克铀可以产生比一千克汽油多一百万倍的热能。一台原子能发动机的功率几乎相当于美国华盛顿全市使用的能量。所以原子能火箭可能是人类进行宇宙旅行的一种重要工具。
化学火箭只能获得每秒4千米左右的喷出速度，即使采用了目前尚未使用的液氟做氧化剂，使其与液氢组成高能推进剂，把燃烧温度提高到3800摄氏度，看来也不过能把喷出速度提高到每秒47千米。这可能已经达到化学火箭性能方面的极限。要想进一步提高喷出速度，就需要采用核反应的能量，研制出新型的原子火箭。
原子火箭所采用的核反应，就目前的技术水平来看，只能是利用重核的裂变。因为目前已经有办法对裂变过程加以控制，而还不能对热核反应加以控制。重核裂变过程中放出的核的结合能，大约要比燃烧过程中放出的改变电子层的能量大一百万倍。这样，利用核反应能量的火箭，在性能上就可以比化学火箭大大提高。
虽然核反应释放的能量很大，但是由于受到反应堆结构材料强度的限制，反应堆内活性区的温度，一般只能达到2200~2700摄氏度左右，被它加热的氢气离开反应堆时，温度可达2000~2500摄氏度。这样，通过喷管的膨胀加速以后，氢气从火箭喷口的喷出速度，可以比高能化学火箭高一倍在右；海平面为每秒7千米，真空中达到每秒8千米。
由于喷出速度提高了，原子火箭能运载有效载荷的比例，要比相同重量的化学火箭还高，并且只要用单级火箭，便可以发射人造地球卫星。不过由于核反应所带来的放射性污染问题，目前研究中的方案，主要用作巨型空间运载火箭的第三级，使其在远离大气层的外层空间工作。
原子火箭还有一个特点，就是它能够重复使用。由于核子反应材料用量很省，所以每次发射之后，只要补充液氢就可以重复再用。而只补充一种成分的推进剂要比化学火箭补充燃料和氧化剂简单容易得多。原子火箭最适合的用途，是从地球轨道上往月球或行星发射有效载荷较重的飞行器；然后再返回地球轨道，由别的火箭或空间站给它补充推进剂，等候作下一次的飞行。这种飞行器有人把它称为“空间渡船”。一种初步设计的空间渡船，采用“奈瓦”原子火箭发动机动力，将有457米长，直径约10米。但是进行原子火箭为动力的航天器试验，需要相当可观的投资，还有待于未来去实现。
（2）离子火箭
所谓“离子火箭”是指这样的火箭：给铯和碘等的原子以电荷，产生离子，再加速这种离子使它喷射。加速离子的方法是利用带正电荷的粒子吸引负电荷这一物理性质。使用这种方法，可以喷射出极高速的离子（和普通化学燃料火箭比较），此推力可以达到5000到20000秒。但是推力小，所以和原子火箭一样，从地面到达卫星轨道，还必须使用普通的化学燃料火箭。
原来离子火箭虽然输出功率小，却具有其他火箭无法与之相比的长处：寿命长。这种火箭利用核电池作能源，能够在十年以上的时间内，连续发出一种小推力，起到大功率火箭无法起到的作用。例如：用土星火箭先将几吨重的有效载荷送到环绕地球的轨道上，接着离子火箭会慢慢地推动它去完成各种任务，如把通信卫星送到36000千米上空的同步轨道；把气象仪器推到确定的天域等。据计算，只要用三年时间，离子火箭就可以把6吨重的探测飞船，连带1吨重的仪器，从环绕地球的轨道上推送到土星或冥王星。利用离子火箭把巨大的补给飞船送往有人的月面基地。
1964年，美国试制成功了世界上第一台这样的离子火箭SERTI。这种火箭仅有30克推力。它是利用发动机中的气态燃料加热后，原子的激烈撞击，电子脱离原子飞出，生成离子，再用超高压电场使之加速，以第小时15万千米的速度从喷口喷出，产生的反作用力而制成的。
离子火箭主要包括电源、推进剂储箱、正离子源、静电加速器（离子枪）电子源等几个部分。
推进剂是利用容易电离的碱金属，最好用铯，先使它加热变成蒸汽，然后让铯蒸汽通过高温的松孔钨块，这时铯原子被加热，就会丢失外层的电子，使自己变成带正电的离子（有不用钨块加热，而利用电子轰击铯原子，也能使其电离）；正离子再被一个具有很大电势差的强电场所加速，以每秒40~100千米的速度喷出火箭，从而使火箭获得推力。离子火箭具有的电场，目前大约是在几毫米的距离内电势下降几千伏，带正电的离子在这样强的电场内，由静电同性相斥的原理作用，就被以很高的速度推出喷口。为了不使电子在离子火箭发动机内积存起来，在喷口附近要把等量的电子通过电源喷出加入到正离子流中去。
离子火箭内的电源，则不断地把电能供应给热铯、钨和维持强电场所用。由电能转换成喷出离子的动能，中间要受到一部分能量的损失，所以它的能量只有50%~80%被利用。不过这样的能量利用率，在同其他几种电火箭比较起来，还是最高的。
离子火箭的研究，已经有相当的进展。美国曾经在1970年2月发射了一颗“电火箭空间试验卫星2号”（SERT－2），重1500千克，上面安装有两台离子火箭发动机在高度约1000千米的近圆形轨道上进行长期工作试验。这两台离子火箭发动机的推力都很小，大约只有27克。虽然只有这么微小的推力，可是由于长时间的作用，却也能使卫星的轨道缓缓上升。第一台发动机从2月14日开始启动，连续工作了3785小时（近五个月），因电力中断而停止。经过地面发出信号，七次重新启运无效，只得于同年7月24日开始启动第二台发动机，到10月17日，经过2011小时（近三个月）连续工作之后，也因电力中断而停止。离子火箭发动机的电源，通常采用两种方式，一是利用原子能发电，二是利用太阳能发电。上述这两台离子火箭发动机利用太阳能电池的电力，因此在卫星上安装了面积很大的光电池，它们像机翼那样伸在卫星本体的两侧，长22米，宽15米，由33000片硅单晶材料的光电池组成。这次卫星上的试验，没有达到预期的连续试车六个月的目的，它不过是这种发动机在空间环境里长期试验的开端。
加速离子所需的电力可以从太阳能电池和原子电池中得到。火箭的推力还可以在很长的时间里一点一点产生，逐步增加宇宙飞船的速度，因而这种火箭很适宜于到火星和金星的远距离飞行。
（3）等离子体火箭
“等离子体火箭”是喷射高温等离子体的，由中央部分的原子核和包围着原子核的电子群组成的，原子核周围剥落下来。原子核和电子变得非常分散，这种状态叫“等离子体”。用电的办法加速、喷射等离子体，就是“等离子体火箭”。“离子火箭”只需要产生离子的物质就可以了，并不需要氧化剂。“等离子体火箭”也是这样，火箭只需要装入构成等离子体的原料——液态氢，不需要氧化剂。
这种“等离子体火箭”的推力也不可能太大。为了从地面发射，也要使用普通的化学燃料，一旦进入轨道，“等离子体火箭”就可以持续喷射等离子体，加快火箭的速度。
这种火箭一般又分电热式火箭和电磁流体火箭两种。它包括电源、推进剂储箱、高温电弧室、喷客等几部分组成。一般采用氢做推进剂，让它进入电弧室加热，加热之后由喷管膨胀加速，以每秒10千米左右的高速喷出，从而产生推力。电弧室里有正极和负极两个电极，分别和电源的正负极相接，当两极靠近，在很高的电压下，就会产生电弧。这种情况同焊接的时候或空中闪电类似。氢气通过电弧，就迅速被加热到2700摄氏度左右。当然如果提高电弧室温度，就可以获得更高的喷出速度，但这却受到火箭结构材料强度的限制。目前很难使喷出速度高于每秒15千米。由电能转达换到喷出氢气的动能，大约只能利用50%，其他的能量则浪费掉了。
由于氢气通过高温电弧时也要受到电离，如果电离时生成的自由电子不像离子发动机那样由磁块吸收，而是同正离子一同混合进入喷管，那么这一股粒子流中，带正电的粒子和带负电的粒子数量相等，就称为等离子体。等离子体具有良好的导电性，能够被电场所加速，所以只要在喷管后加一段电磁场，就可以大大加速等离子体的氢气流使其喷出速度达到每秒50千米左右。这就是所谓的电磁流体式火箭。它的能量转换效率是电火箭中最低的，一般小于50%。