Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 3)

Facilitatile de testare

Motoarele KIWI urmau sa fie testare intr-un complex de la Jackass Flats, Nevada. Zona a fost aleasa datorita distantei fata de orice asezare umana si proximitatii fata de poligonul de testari al armelor nucleare (facand ca grijile legate de eventuale contaminari radioactive sa fie considerate irelevante…initial).

Motoarele KIWI soseau gata asamblate de la Los Alamos, impreuna cu un contingent de cercetatori, ingineri si tehnicieni. Procedura obisnuita cerea o verificare a motorului, urmata de atasarea sa la liniile electrice si de hidrogen. Motorul ramanea atasat de vagonul specializat pe care era transportat pe toata durata testelor, duza de evacuare a hidrogenului fiind indreptata in sus, pe verticala, pentru a nu contamina solul si a permite o dispersie eficienta a eventualelor impuritati radioactive. Programul cerea o testare a motoarelor pana la distrugere sau pana la o putere prestabilita.

Dupa finalizarea testului, amsamblul vagon-motor era transportat pana la o portiune indepartata a complexului pentru a se „raci” (cu alte cuvinte, pana cand izotopii instabili generati in timpul functionarii dispareau). Apoi era transportat in facilitatil specializate, dezasamblat si examinat.

Facilitatile despre care vorbim erau, in multe privinte, similare celor folosite pentru fabricarea dispozitivelor militare explozive si a tijelor de combustibil pentru reactoare. Denumite colocvial „hot cells” (celule fierbinti), ele erau incaperi blindate cu pereti ecranati si ferestre realizate din compusi cristalini transparenti, precum borosilicate de plumb.

In interior erau dispozitive de traductanta mecanica sau electromecanica, adica brate robotizate denumite populare „Waldos”.

Intregul complex de dezasamblare se numea „Reactor Maintenance and Disassembly Building” (R-MAD). Diferenta fata de o celula fierbinte obisnuita era data de marimea sa: 76 de metrii lungime, 43 de metrii latime si inalta de 19 metrii. Pe langa aparatura stiintifica, cladirea era practic si un depou de cale ferata, permitand transportul direct al motoarelor racite.
 

Imagine aeriana cu R-MAD

Pe langa verificari structurale, R-MAD continea si aparate menite sa studieze schimbari cristalografice pentru materialele folosite in reactoare, pentru a vedea efectul pe care il avea radiatia asupra aliajelor metalice folosite.

De asemenea, aparatura speciala era folosita pentru a examina raportul izotopilor din motor cu scopul de a determina cantitatea totala de energie care fusese eliberata (si astfel afla puterea generata de motor pe parcursul testului).

Suprafata totala pusa la dispozitia programului Rover era de 127,200 hectare. In afara de R-MAD, locatia avea la dispozitie si o serie de sine de cale ferata (cu o lungime totala de 19 km) si zonele unde aveau loc aprinderile motoarelor, denumite celule de testare (test cell).

Prima dintre acestea (Test Cell A) avea o serie de butelii de hidrogen, si un perete de protectie gros de 0.91m menit a umbri instalatiile electronice de radiatia puternica emisa de motor. Camera de control era situata intr-un buncar la 3.2 km distanta.

O a doua celula de testare (Test Cell C) a fost finalizata in 1964, moment in care putem spune ca baza de cercetare a fost terminata (dupa 7 ani de constructie). Ea continea o serie de rezervoare de capacitate mai mare decat Test Cell A, precum si instalatii de condensare, permitand ciclii de functionare mai lungi.

De asemenea au fost adaugate si o serie de instalatii anexe, precum o a doua cladire de dezasamblare a motoarelor (Engine Maintenance and Disassembly Building – E-MAD) si trei standuri de testare a motoarelor (dintre care numai unul a fost finalizat pana la sfarsitul programului : ETS-1 ).

In final, in 1962, intregul complex a primit denumirea oficiala de Nuclear Rocket Development Station (NRDS).

Harta complexului Rover, oficial numit NRDS

 

Instalatii de pre-testare

Dupa cum am mentionat mai devreme, motoarele soseau la NRDS gata asamblate de la Los Alamos. Asta nu inseamna, insa, ca subansamble individuale nu erau testate inainte de montarea lor in reactor. Los Alamos a construit mai multe standuri specializate menite a verifica functionalitatea componentelor inainte de asamblare finala.

Primul a fost denumit „Fagurele” (Honeycomb) si era o instalatie de testare a tijelor de combustibil. Acestea erau fixate pe pozitie de un grilaj de aluminiu (un material transparent radiatiei neutronice). In ele erau inserate, si caracterizate, prisme de combustibil nuclear, reflectoare, moderatori si materiale absorbante de radiatie, intr-o configuratie atent asamblata (pentru a preintampina conditii de criticalitate accidentala; a se vedea accidentele cu „Demon Core”).
Scopul sau era de a vedea daca comportamentul ansamblelor se potrivea cu datele obtinute de modelele teoretice. Cu alte cuvinte, daca teoreticul e de acord cu practicul, si daca o configuratie nou obtinuta merita sa avanseze la etapele urmatoare, pentru a se tranforma, intr-un final, intr-un motor.

Un alt ansamblu experimental era o copie a unui reactor KIWI sectionat, cu o incinta de apa grea in mijloc pentru a reduce cantitatea de material fisionabil necesar atingerii pragului critic. Acest ansamblu a fost denumit Zepo-A, si a fost modificat pentru fiecare iteratie de motor ce urma sa fie testat in Nevada. Era folosit pentru caracterizare neutronica la temperaturi reduse (adica radiatie fara caldura)

Instalatii de testare de la Los Alamos: Fagurele si Zepo-A (A se observa moderatorul din fibra de grafit folosit la Zepo)

In final, complexul de la Los Alamos avea si instalatii de testare cu gaze fierbinti, denumite colocvial si „furnale”. Intregul scop al acestor standuri era sa caracterizeze elementele de combustibil la temperaturi inalte, in flux de hidrogen, fara a le iradia (caldura, dar fara radiatie). In loc de energie nucleara, instalatia utiliza incalzitoare rezistive pentru a mari temperatura elementelor.

Ea a devenit din ce in ce mai importanta pe parcursul programului, pe masura ce configuratia elementelor de combustibil (in speta a compozitului de grafit) a devenit mai sofisticata (spre exemplu, intial se folosea pudra de grafit, dar mai apoi s-a utilizat un amestec de pudra si fulgi, fixati cu o rasina epoxilica termo-fixata; particulele de combustibil s-au schimbat si ele, de la oxid de uraniu fara incapsulare, la carbura de uraniu incapsulata in zircon).

Celulele de testare cu hidrogen fierbinte, asa-numitul furnal nuclear

imagine schematica continand toate cele trei instalatii importante (Fagurele, Zepo-A, furnalul electric gazodinamic)

Desi descrierea lor in acest articol pare superflua, importanta pe care aceste instalatii (si reactorul Plum Brooke, operat de NASA) au jucat-o in succesul tehnologic al proiectului Rover nu poate fi
subestimata.

Spre exemplu, cand se contruia motorul KIWI-B4, modele experimentale initiale (atat pe „Fagure” cat si, mai riguros, pe Zepo-A) aratau o reactivitate buna si o capacitate de control acceptabila. Insa, in timp ce echipa de la Los Alamos asambla reactorul, s-a descoperit ca exista un exces de reactivitate, facand asamblarea imposibila (sau fatala si potential extrem de distructiva).

Ca atare, s-au folosit elemente inerte si otravuri neutronice pentru a contracara efectul de reactivitate excesiva. Testari mai stringente au arata ca particulele de carbura de uraniu suspendate in matricea de grafit sufereau hidroliza. Compusii chimici astfel formati mareau efectul de moderare si cresteau reactivitatea miezului.

Ca atare, mai tarziu s-a decis folosirea unor particule mai mari de UC2, incapsulate individual, pentru a contracara hidroliza.

Asadar aceste instalatii asigurau siguranta testelor de la Nevada si furnizau date importante pentru munca de design de la Westinghouse si munca de productie de la Oak Ridge National Lab.

Etapele de proiectare ale unui motor nuclear

 

Provocari

Am descris cele de mai sus pentru a ilustra un singur lucru: programul era mult mai serios decat nota de subsol care ii este acordata astazi. Resurse enorme au fost investite in el, si era privit cu maxima seriozitate ca fiind calea catre viitor. Iar aceste resurse erau necesare, pentru ca tehnologiile folosite reprezentau varful sangerand al tehnologiei de la acea vreme.

Provocarile pe care echipa din Nevada le-a intampinat depaseau cadrul unor simple teste de sisteme nucleare. Hidrogenul este un material notoriu de dificil de folosit datorita dimensiunilor sale moleculare extrem de reduse. Are tendinta sa se infiltreze in porii structurilor metalice, necesita valve realizate cu tolerante foarte reduse, si cand este expus atmosferei, prezinta un pericol de explozie major. Colac peste pupaza, acesteau erau vremurile timpurii ale experimentelor cu H2. Chiar si in ziua de astazi, folosirea hidrogenului lichid nu e o procedura de rutina. O exemplificare a acestui fapt este lansarea unei rachete Delta-IV, care pare ca sufera o deflagratie pe rampa, datorita scurgerilor de hidrogen din valve, cordoane de sudura si garnituri, precum si din peretii rezervoarelor – auto-incendierea rachetei e procedura standard de operare!

In anii 50 si 60, aceste probleme erau inca in curs de cercetare. Mentionam aici statia de cercetare de la Plum Brook, care avea rolul de a explora tehnici de manipulare a substantei. Echipament criogenic, metode de densificare, transport, testari fizice pentru senzori, etc; vasta majoritate a procedurilor moderne pentru folosirea LH2 vin de la dansii. Si succesul lor era crucial pentru Rover, caci, dupa cum am mai mentionat, hidrogenul este cea mai usoara molecula cunoscuta, si ca atare, este necesara pentru obtinerea vitezelor de evacuare mari.

Reactoarele de la KIWI-A pana la KIWI-B1A foloseau hidrogen in forma comprimata gazoasa, tocmai fiindca echipamentul planificat a fi utilizat suferise intarzieri (probleme de constructie, de sudura, la valve, incendii, etc). Aceste probleme s-au manifestat si la Jackass Flats, cauzand unele dintre incidentele mai spectaculoase ale programului. Incendiile erau o problema comuna, ba chiar un accident in timpul instalarii unei conducte de combustibil a cauzat pagube majore unuia dintre vagoanele-platforma (dar minimal reactorului, care era extrem de solid construit), instrumentatiei si adapostului. Acelasi test a mai suferit doua incendii similare de scara mai mica, care au costat programul o luna de intarziere.

Desi masa de reactie era sursa multor probleme, altele erau rezultatul faptului ca aceste motoare foloseau tehnologii nucleare ce depaseau cu mult limitele tehnologiei la acel moment. A afirma ca ele foloseau metode de constructie noi e foarte putin spus. Compusi care reprezentasera doar posibilitati teoretice cu cativa ani (in unele cazuri, cateva luni!) inainte erau folosite. Si nu pentru orice, ci pentru a construi reactoare inovative, care operau la temperaturi foarte mari, prezentau fenomene chimice si neutronice practic necunoscute… si care pe deasupra, erau si motoare de racheta!

Aliaje noi, forme noi de grafit, metode experimentale pentru incapsulare menite a preveni atacul hidrogenului… Toate erau teoretizate, apoi repede fabricate, apoi modificate din mers. Si repede, caci totul era o competitie. In multe cazuri (mai ales incapsularea combustibilului) aceste cercetari continua la un nivel redus si in ziua de azi, dar cu aportul tehnologiilor de micro-imagistica si a unei jumatati de secol de avansuri in tehnologia materialelor si metode numerice. Acestea sunt, efectiv, la ani lumina de ce aveau la dispozitie inginerii si cercetatorii la acel moment.
Principiile hidrodinamice nu erau deplin intelese, tipologia vibratiilor si incarcarilor mecanice nu puteau fi prezise, si interactiunile chimice la asemenea temperaturi prezentau alte necunoscute.

Asadar, acestea constituiau majoritatea problemelor intalnite la Jackass Flats.

Ca sa exemplificam, una dintre probleme intalnite preponderent in testele initiale a fost despicarea elementelor de combustibil pe axa scurta. Fluxul de hidrogen era astfel perturbat, matricea de grafit era expusa si atacata vorace de acesta. Ea se dizolva, expunand combustibil intact, dar si produsi de fisiune, care erau preluati de gazele de mare viteza. De obicei, aceste particule erau evacuate prin ajutaj, dar in cazul uraniului, s-a dovedit ca avea o tendinta de a colecta in partile cele mai fierbinti ale reactorului. In alte cazuri, bucati mari de elemente de fisiune erau ejectate, imprastiind in aer combustibil partial reactat – de obicei, sub forma de aerosoli. Astazi, asta ar fi total inacceptabil, dar asta era era testelor atomice supraterane (care, de altfel, nu se desfasurau departe).

Rand pe rand, aceste provocari au fost adresate pe parcursul programului. Unele in maniera deplina, altele cu nota de subsol sau satisfacator. Ele erau mai prevalente la inceputul programului, si, mai tarziu, au fost citate in decizia Congresului de a opri finantarea programului (desi, trebuie sa spunem, ca, in lipsa unei misiuni martiene, dupa finalizarea Apollo, sistemele nu mai erau privite ca fiind necesare). Aceste teste erau TIMPURII, folosind materiale care nu reprezentasera altceva decat un concept in imaginatia unui inginer cu numai cativa ani inainte. Si daca Luna parea extrem de dificila, Marte era de 200 de ori mai indepartata.

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 )