vineri, 9 octombrie 2020

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 7)

KIWI B4E

Nici un rezultat in stiinta nu poate fi considerat validat daca nu poate fi reprodus. Testul B4D fusese un succes fulminant, care punea inapoi pe sine intregul program Rover. Managementul bun, supravegherea lui Anderson si Finger (care, in urma testului, si-a schimbat opinia referitor la program, desi in continuare nu l-a considerat fezabil economic) si dezvoltarile tehnice permisesera realizarea unui motor care a atins toate obiectivele operationale. Insa, trebuia sa se demonstreze ca putea fi reprodus acest succes de cate ori era necesar, iar pentru asta s-a folosit prototipul B4E.

Obiectivele erau:

  • operarea in apropierea conditiilor nominale de flux, temperatura si putere
  • caracterizarea efectelor pe care le avea timpul de operare asupra parametrilor de mai sus si a instalatiei de curgere
  • masurarea performantei neutronice si compararea ei cu predictiile teoretice

Obiectivele secundare erau:

  • inchiderea buclei de control al temperaturii prin folosirea unor termocuple legate de materiale din miez, in locul unora expuse la jetul de evacuare
  • masurarea efectelor pe care le avea densitatea hidrogenului asupra reactivitatii
  • investigarea posibilitatii de racire a reactorului folosind numai hidrogen
  • determinarea functiei dintre presiunea de evacuare a pompei si presiunea de intrare in miez prin tehnici de corelare

Design-ul reactorului era practic identic cu cel anterior, cu urmatoarele diferente:

  • reactorul folosea numai elemente de carbura incapsulate intr-un strat exterior de pyrocarbon
  • sistemul de control al temperaturii a fost revizuit pentru a folosit masuratori prin termocuple (situate la planul de mijloc axial) pe post de furnizori de date de intrare
  • s-a efectuat o reducere a fluxului de racire la periferia miezului pentru a reduce degradarea temperaturii de iesire provocata de eventualele scurgeri
  • s-a folosit o duza de tip Rocketdyne RN-6, in locul clasicai RN-2. Aceasta avea un acoperamant exterior care prevenea patrunderea aerului lichefiat in tuburile de racire.

Miezul continea 1500 de elemente de cate 132 cm lungime, cu 19 canale, de forma hexagonala. Sectiunea canalelor era de 0.254 cm, cu suprafetele prezentand acelasi invelis de NbC, cu grosimea de 0.00508 cm. Existau 10 incarcaturi de uraniu, diferenta dintre elementele invecinate fiind de 12% pe directie axiala.

Trebuie sa facem aici o paranteza, si sa dicutam despre decizia de a folosi UC in loc de UO2. Dupa cum am mentionat, toate reactoarele precedente au folosit oxid de uraniu ca si combustibil principal. Problema majora cu oxidul era asa-numita reactie inversa („back-reaction”).

Particulele de carbura sunt extrem de reactive si au tendinta sa se transforme in oxizi in prezenta aerului, in special a aerului umed. Asadar reactii de oxidare-carburizare-oxidare avea loc in fiecare ciclu de incalzire si stocare. Includem aici operatiile de grafitizare, placarea canalelor si aprinderea reactorului. Fiecare ciclu cauza pierderea unei parti a carbonului prin aparitia dioxidului de carbon si astfel elementul era degradat.
De asemenea schimbari dimensionale au fost constatate si in elementele testate la Los Alamos. In unele cazuri, oxidarea carburii a facut ca materialul sa capate dimensiuni cu 4% la mai mari. Astfel, controlul dimensional si proiectarea structurala erau afectate.

Solutia care a fost adoptata era folosirea unor particule de UC2 cu dimensiuni considerabil mai mari, avand diametre intre 50 si 150 micrometrii, acoperite cu un strat de grafit pyrolitic gros de 25 de micrometri.

Detaliu construtiv al elementelor de combustibil care au devenit standard pentru articolele urmatoare

Prima aprindere a avut loc pe 28 August 1964. Reactorul a operat vreme de 12 minute, dintre care 8 au fost la putere maxima (937 MWth). Temperatura de evacuare s-a mentinat la valoarea de 2222 K, cu un debit de 31.8 kg/sec. Operatiunea a fost calma si lipsita de eveniment neprevazute. Diferenta fata de durata testului anterior era semnificativa. In fapt, reactorul nu a fost oprit din cauza unei probleme, ci fiindca cantitatea de hidrogen lichid era limitata.

Pentru a sublinia succesul testului, reactorul a fost repornit pe 10 Septembrie, si a operat la 882 MWth vreme de 2.5 secunde, cu acelasi debit si temperaturi ca si la aprinderea anterioara. S-a putut realiza acest experiment pentru ca toate datele au aratat ca motorul era in conditie excelenta. Intr-adevar, capacitatea de a reporni un reactor nu era prevazuta, si s-a infaptui astfel mult mai repede in decursul programului decat era anticipat initial.

In ambele instante, oprirea reactorului s-a realizat normal, fara incidente.

In analiza initiala dupa teste nu s-au descoperit dovezi ale vibratiilor intalnit la B4A. Tot atunci s-au confirmat si analizele pentru B4D.

La examinarea post-mortem s-a relevat faptul ca, desi aparent in conditie excelenta, existau zone de coroziune. Doua dintre aceste zone erau suprafete situate la periferia miezului, respectiv la suprafetele externe ale elementelor adiacente celor centrale (neincarcate, si continand termocuplele).

14 elemente au fost descoperite cu coroziuni semnificative, dintre care 11 apartineau celor 16 elemente periferice (cu forma si numarul de canale diferit, pentru a obtine o suprafata externa aproximativ circulara) si inca trei apartineau unor elemente standard cu 19 canale.

Vedere in sectiune a motorului KIWI-B4E

 

Teste ulterioare

Succesul fulminant al modelelor D si E i-a luat prin surprindere pe specialistii de la Jackass Flats, in special capacitatea de a reaprinde motorul. Nu s-au culcat insa pe lauri, ci, cu velele pline, au decis sa realizeze doua experimente care erau programate mult mai tarziu in cadrul programului.

Primul era un experiment menit a testa doua motoare adiacente simultan. Scopul era de a determina daca neutronii emisi de un motor puteau influenta negativ motorul adiacent.
Acest aspect era important, pentru ca majoritatea vehiculelor orbitale folosesc motoare multiple combinata in manunchiuri. Daca NTR-urile nu puteau fi folosite decat individual, impactul asupra planificarii misiunilor era semnificativ.

Detalii asupra acestui test sunt putine. Se stie ca unul dintre cele doua motoare era un KIWI B4 (posibil unul dintre articolele precedente, dar reconditionat) iar celalalt era PARKA, reactorul de teste de la Los Alamos, care a fost adus special pentru aceasta ocazie. KIWI urma sa opereze, iar schimbarile urmau sa fie masurate cu PARKA (un dispozitiv care, prin natura sa, era intesat de instrumentatie). Distantele dintre prototipuri erau de 4.9, 2.7 si 1.8 metrii.

Rezultatele acestui test erau ca motoarele nu sufereau probleme atunci cand erau operate aproape unul de altul. Desi s-au evidentiat unele efecte, care ar fi trebuit sa fie luate in seama la proiectarea unui vehicul orbital, folosirea lor in manunchiuri era perfect fezabila.
 

KIWI TNT

Ultimul prototip al seriei KIWI s-a deosebit de celelalte nu prin constructia sa neobisnuita ci prin scopul sau. TNT era o abreviere de la Transient Nuclear Test, si era menit a investiga comportamentul motoarelor atunci cand apareau variatii mari si potential distructive de putere sau debit. Situatia folosita ca si referinta era o prabusire a reactorului in apa. Apa, fiind un moderator neutronic bun, putea sa induca reactorului o stare prompt-critica.

Un scop secundar era investigarea posibilitatii ca reactorul sa fie „dezasamblat” in spatiu dupa terminarea misiunii.

Reactoarele KIWI erau proiectate sa functioneze normal la temperaturi de peste 2473 K. In cazul unui accident, insa, valorile puteau ajunge la 4273-4723 K. Acea plaja de operare constituia o mare necunoscuta cand venea vorba de proprietatile fizice si chimice ale grafitului.

Obiectivele erau :

  • masurarea numarului de evenimente de fisiune petrecute la un nivel de reactivitate cunoscut, si compararea acestor informatii cu modelele teoretice
  • determinarea mecanismelor de eliberare a energiei
  • caracterizarea dezintegrarii unui astfel de reactor la un astfel de varf de putere
  • masurarea dispersiei radioactive in atmosfera in cazul unui astfel de accident
  • masuratori de radiatie in timpul si dupa un astfel de accident
  • investigarea tehnicilor ce puteau fi folosite pentru curatarea locatiei post-accident

Reactorul folosit era bazat pe B4E. Folosea combustibil pe baza de carburi, cu un cilindru reflector din grafit si capace de beriliu, incastrate intr-un vas de presiune din aluminiu.

Elementele de combustibil nu erau placat cu niobiu. Exceptia faceau unele elemente care fusesera fabricate pentru teste anterioare, dar nu trecusera verificarile de calitate (in jur de 800).

In total, miezul a folosit 12 tipuri diferite de elemente. Controlul reactivitatii se realiza folosind 12 tamburi rotativi situati in interiorul reflectorului. Nu s-a folosit masa de reactie in acest experiment.

In mod normal, tamburii de control se puteau invarti cu o viteza maxima de 45 grade/sec. Pentru ca reactorul trebuia sa simuleze instabilitati puternice, viteza a fost marita de 89 de ori, pana la 4000 grade/sec. Reactorul a fost construit sa fie, de asemenea, extrem de sensibil la variatii de neutronicitate.

Alte modificari erau:

  • zona de intrare si iesire a porturilor hidraulice era cu 50% mai mare
  • diametrul liniilor hidraulice era marit
  • s-au folosit valve de control de 30 GPm, in locul celor obisnuite de 3.5 GPm
  • presiunea hidraulica era marita de la 4826 kPa la 9308 kPa
  • folosirea unor circuite de aprindere cu latenta pre-determinata, pentru a asigura activarea simultana a tututor elementelor de combustibil

Reactorul a fost distrus intentionat pe 12 Ianuarie 1965 la NRDS. Acesta reactie s-a obtinut prin fortarea motorului intr-o configuratie rapid instabila folosind tamburii de control. Acestia au fost programati sa se invarta la viteza maxima posibila.

Rezultatele obtinute au fost:

  1. valori de temperatura, care au inregistrat masuratori maxime de 2167 K
  2. pe o raza de 7620 m in jurul reactorului, nu a putut fi recuperat mai mult de 50% din materialul nuclear din miez. Despre restul, s-a presupus ca a fost ars in aer, transformandu-se in aerosoli, sau a fost pulverizat de explozie, devenind imposibil de reperat vizual
  3. pe baza energiei exploziei, s-a estimat ca numai 5% pana la 15% din miez ar fi putut sa fie vaporizat
  4. cel mai mare fragment gasit a fost o bucata din vasul de presiune, ce cantarea 67 kg, si avea o suprafata de 0.91 m patrati. A fost gasit la 229 m de reactor. Un alt fragment de 44 kg a fost recuperat de la 457-533 metri
  5. numarul total de fisiuni a fost estimat ca fiind 3.1 x 10^20.

Desi aparent ridicol si periculos, KIWI-TNT a fost un experiment necesar. Tehnicile si informatiile oferite puteau fi folosite pentru planificarea aspectelor de siguranta in viitoare misiuni spatiale. Pe baza testului s-a emis raportul LA-3358-MS, intitulat „Siguranta Neutronica A Reactoarelor Rover”, care descria in detaliu aceste tehnici.

De altfel, desi nu se stia in acel moment, invatamintele trase aveau sa se dovedeasca utile atunci cand NRDS avea sa sufere al doilea accident nuclear, de aceasta data nedorit.

Explozia si ramasitele testului KIWI-TNT

 

La intretaiere de drumuri

Asadar aceast a fost sfarsitul seriei KIWI. Menit a fi un program de cercetare si dezvoltare, a arata fara dubiu ca un motor de racheta putea fi construit. Mai mult, a aratat ca, atunci cand configuratia si tehnologiile folosite erau potrivite, un astfel de motor era sigur, puternic si indeplinea posibilitatile teoretice.

Doar fiindca s-a sfarsit seria KIWI nu insemna ca s-a sfarsit programul Rover. Teoretic, obiectivele fusesera atinse, insa mai erau multe aspecte ce meritau cercetate. Motoarele erau inca relativ slabe comparativ cu performantele lor teoretice, combustibilul era inca problematic, iar plaja de solutii de design al motoarelor nucleo-termice nu era inca in intregime examinata.

In acelasi timp, insa, la NASA se desfasura o munca febrila. Programul Apollo era in plin avant, deja se pregateau de lansare variantele timpurii ale rachetei Saturn, iar la privati se construiau modulele lunare si echipamentul de intretinere a vietii.
Lumea se uita si muncea catre spatiu, iar motoarele nucleare nu puteau fi lasate in urma. Ele reprezentau viitorul post-Apollo, si trebuiau sa urmeze trendul.

Atunci s-a luat o decizie importanta: pe de o parte, Rover avea sa continue cu cercetarile sale fundamentale, urmand seria PHOEBUS. Pe de alta parte, tehnologia deja exista pentru a creea un motor de racheta functional. Asadar era necesare un program separat, al carui obiectiv final era un sistem de propulsie matur, certificat pentru a fi lansat si folosit in spatiu. Acesta era, teoretic, un demonstrator tehnologic, dar practic era menit a fi folosit pe un vehicul orbital.

Asadar, era necesar un program de dezvoltare paralel celui de cercetare. Acesta urma sa fie sub egida NASA, si s-a denumit NERVA, abreviere de la „Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications”.

Ambele programe au folosit centrul NRDS de la Jackass Flats (altminteri unic in lume in acel moment) si s-au desfasurat in paralel.

Personal, voi continua sa acopar Rover, insa NERVA trebuia sa fie si ea mentionata (deoarece, in ciuda succeselor sale, Rover nu a reusit sa certifice un motor; NERVA da), si va fi elaborata final. Randurile de mai sus sunt pentru a elucida de ce unele din reactoare au fost, din acest moment, testate in paralel.

Ambele programe si-au constituit fundamentul pe prototipurile KIWI, insa scopurile lor divergente au dus la design-uri diferite: NERVA a optat pentru motoare simple, de putere medie, care sa fie extrem de sigure si usor de controlat, Rover a creeat doua (sau chiar trei, depinzand de punctul de vedere) linii diferite de reactoare pentru a avansa tehnologia. Acestea au fost PHOEBUS si PEWEE, despre care urmeaza sa discutam.

Mai trebuie sa mentionam ca deja sufla vantul schimbarii prin Congress. Kennedy disparuse subit de pe scena politica (multumita unui lunetist), Lyndon B. Johnson, desi un manager capabil, nu era un personaj carismatic si avea dificultati in a-si asigura sprijinul politic. Ca atare, desi teoretic avea sprijinul partidului, practic trebuia sa negocieze. Apollo era prea mare si prestigios pentru public, si ca atare, nu putea fi taiat (in ciuda dorintelor anumitor curente). Insa specialistii deja incepeau sa se teama pentru epoca post-Apollo (pe buna dreptate) si pentru programele adiacente, cum erau Rover, NERVA, si bugetul NASA in general. Inertia adminsitratiei Johnson si bugetul masiv al NASA le-a permis continuarea, insa pe termen lung, lucrurile erau incerte. Chiar si asa, specialisti sperau ca daca puteau demonstra meritele tehnologiei, atunci vor avea un loc asigurat.
 

Va urma.

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the Proliferation Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32, 2001
2. http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html#nfaq6.2

3. https://science.sciencemag.org/content/160/3831/953
4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1132518
5. TRW Space Technology Laboratories – Mission oriented advanced nuclear system parameters study, 1965
6. https://www.osti.gov/servlets/purl/4098602

7. Bussard report, 1953
8. W.H. Robbins, H.B. Finger – An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, 1991
9. James A Dewar – To the end of the solar system : the story of the nuclear rocket, 2015
10. Solid Core NTR ( https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/ )
11. NTR Hot Fire Testing Part I: Rover and NERVA Testing ( https://beyondnerva.com/2018/06/18/ntr-hot-fire-testing-part-i-rover-and-nerva-testing/ )
12. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id–Nuclear_Thermal
13. David S. Portee – Think Big: A 1970 Flight Schedule for NASA’s 1969 Integrated Program Plan ( https://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/01/thinking-big-traffic-model-for-nasa.html )
14. David S. Portee blog ( http://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/02 )
15. Scott Lowther Nerva articles ( http://www.aerospaceprojectsreview.com/blog/?s=nerva&searchsubmit= )

16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )

Loading spinner

The post Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 7) appeared first on Romania Military.

Articol original

👍 Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 7)

Next
« Next
Previous
Previous »