Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 6)

Nisipuri miscatoare

Cu ultimele doua teste obtinand rezultate mult sub asteptari, presiunea a inceput sa creasca pe programul Rover. La nici o luna de la fatidicul test al KIWI B4A, presedintele Kennedy a vizitat facilitatile de la Los Alamos, urmand sa fie informat despre progresul programului Rover.

Era o premiera din multe puncte de vedere, si a ramas singura instanta in istorie cand un presedinte american vizita un laborator de teste atomice. Anturajul sau includea pe vicepresedintele Lyndon Johnson, precum si pe academicienii McGeorge Bundy, Jerome Wiesner, Harold Brown, Donald Horning, Robert Seamans,si senatorii Harold Finger, Clinton Anderson si parintele reactoarelor nucleare, Glenn T. Seaborg.

Semnele nu se aratau favorabile. Cu un an inainte, programul-sora, Pluto, menit a creea un reactor aeropurtat, fusese anulat, si se parea ca Rover era urmatorul. NASA estimase costurile de pana in acel moment ca fiind de 800 milioane de dolari, iar comisia pentru finante a Congresului argumenta ca Rover nu avea sens decat daca urmau misiuni ulterioare Apollo catre alte destinatii din sistemul solar.

Pe de alta parte, tot in acea perioada, SUA resimtea socul celei de-a treia infrangeri in cursa spatiala, cand, in 1961, Yuri Gagarin devenea primul om care zbura in spatiu. Interventiile tot mai dese in Vietnam, turarea motoarelor pentru Apollo si dezastroasa invazie din Golful Porcilor, facea ca administratia americana sa sovaie.

Trebuie sa mentionam ca multe critici au fost aduse managementului proiectului, care permisese ca programul sa se transforme intr-un loc de joaca pentru teoreticieni. Aceste acuzatii sunt numai partial adevarate: desi testele erau ciudat de neomogene, programul nu avea un tel ingineresc decat nebulosul concept „Condor”, despre care am mai amintit. Acest concept era mult prea ambitios pentru programul altminteri nou-creeat. O veste buna in acest sens a venit de la NASA, care, sub presiunile administratiei, a creeat un concept de misiune, denumit Reactor In-Flight Test, sau RIFT.

Acest concept cerea folosirea unui vehicul din familia Saturn/Nova (al carei configuratie fusese deja stabilita de Comisia Silverstein in 1959), care sa utilizeze o treapta superioara cu propulsie nucleara. Principalul aspect era impulsul specific superior, care ar fi permis folosirea unui vehicul mai mic pentru misiunile lunare. Desi, intr-un final, Nova a fost abandonata in urma deciziei de a folosi arhitectura de rendezvous pe orbita lunara, iar Saturn insusi a trecut prin multe iteratii care au lasat in urma configuratia nucleara, RIFT a permis celor de la Jackass Flats sa se concentreze pe obtinerea unui sistem cu specificatii bine conturate.

RIFT urma sa foloseasca o prima treapta de Saturn IC, o treapta intermediara umpluta cu apa (fara rol propulsiv), si o treapta superioara denumita S-N (Saturn-Nuclear). Aceasta urma sa fie construita de catre Lockheed in Sunnyvale, California, si asamblata la faciliatile NASA din Mississippi. 10 astfel de trepte urmau sa fie contruite, 6 pentru teste la sol si 4 pentru teste in aer.

Vehiculul final urma sa fie inalt de 111 metrii, iar reactorul pornit la altitudinea de 121 km deasupra Oceanului Atlantic. Motorul urma sa functioneze vreme de 1300 de secunde, pana la altitudinea de 480 km, dupa care urma sa se prabuseasca in Atlantic, la 3200 km de locul de lansare (reactorul urmand sa se scufunde, intact, in apa, unde mediul urma sa ecraneze radiatia).

RIFT avea sa fie, in final, abandonat din motive politice, financiare si tehnologice, insa telurile stabilite pentru motor ramaneau valabile. De asemenea, programul RIFT urma sa fie inlocuit de un program mai concentrat dupa finalizarea Rover, denumit NERVA. Din exterior, poate suna ciudat proiectarea unui motor pentru un vehicul si un program care nu mai exista. Savantii de la Jackass Flats au facut asta benevol dupa anularea RIFT in 1963, pentru ca era mai facil si mai usor de catalizat resurse pentru un concept concret decat pentru ceva nebulos (sau, mai rau, pentru nimic, lucru care, de obicei, semnala o inchidere iminenta). Intre timp, insa, trebuiau rezolvate problemele cu seria KIWI.

Proiectul primise 187 de milioane de dolari in 1962, iar NASA si AEC cereau inca 360 milioane pentru 1963. Kennedy, nou sosit dupa problemele acelui an din Cuba (care aproape rezultasera intr-un razboi nuclear) a atras atentia asupra presiunilor bugetare, intreband care era utlitatea sa pentru Apollo. Finger a argumentat ca putea fi privit ca fiind o polita de asigurare in cazul in care misiunea catre Luna devenea evident nefezabila pentru propulsia chimica (un aspect inca necunoscut la acel moment), si ca avea utilitate in cazul unor baze lunare sau misiuni martiene care ar fi urmat dupa Apollo. Cand Weisner, Brown si Hornig au contrat, spunand ca adminsitratia nu isi propusese un asemenea program (Apollo starnind deja nemultumiri datorita costurilor) si ca un eventual program martian nu era prevazut mai devreme de anii 80 (conform viziunii lui Von Braun). Ei argumentau ca Rover putea fi amanat pana in anii 70. Searborg, in schimb, a notat ca tehnologiile foarte avansate necesitau ani de studiu, si ca deci o oprire si o reincepere a programului nu ar fi obtinut rezultate decat catre sfarsitul anilor 80. De asemenea, a atentionat ca o asemenea atitudine laxa fusese motivul pentru care SUA pierduse startul in spatiu.

Finger a criticat problemele intalnite la KIWI, si a declarat ca nu exista o solutie rapida pentru ele. De asemenea, a cerut ca Los Alamos sa adopte o structura mai buna de management al proiectelor pentru Rover. El a cerut cu vehementa ca nici un alt test sa nu aibe loc fara o investigatie ampla asupra cauzelor vibratiilor.

In 1963, Anderson s-a intalnit cu Kennedy, cerand si primind o serie de fonduri suplimentare pentru a incerca sa descopere cauza vibratiilor distructive din motoare.

Trebuie sa mentionam ca nu era prima data cand Anderson se implica personal in rezolvarea unor probleme ale programului. In 1960, RIFT si viitorul NERVA se confruntau cu lipsa facilitatilor la Jackass Flats. Fonduri fusesera puse la dispozitie pentru constructia Celulei de Testare C, dar nu fusesera folosite (aparent, din motive de lipsa de forta de munca). In aceste conditii, Anderson a preluat comanda constructiilor, reprezentatii AEC raportandu-i lui personal. De asemenea, a intervenit in 1961, cand URSS a abandonat moratoriul asupra testelor nucleare, fortand SUA sa reinceapa si ei o serie de teste. Multi specialisti alocati programului au fost astfel detasati, provocand probleme cu ritmul de lucru.
 

Testele de vibratii

Astfel stand lucrurile, in 1963, cu binecuvantarea lui Kennedy si Anderson, Finger a descins la Jackass Flats, cu un anturaj de specialisti. Acestia erau specialisti in vibratii de la NASA si personal constructiv de la Los Alamos, Aerojet si Westinghouse. Scopul era descoperirea, caracterizarea, si prevenirea vibratiilor care distrusesera ultimele trei articole de teste. Pentru aceasta, ei au intreprins o „mini-serie” de teste la rece, urmarind felul in care se scurgeau fluidele prin canalele de evacuare. Aceasta s-au desfasurat intre 1963 si 1964, si vizau in mod special reactoarele de tip KIWI B.

Reactoarele disponibile pentru aceste teste (B4B, B4C) foloseau elemente de combustibil identice cu cele aflate sub sarcina, cu exceptia prezentei materialelor fisionabile. Ca atare, ele nu produceau putere, si, cand era necesar, erau incalzite cu elemente rezistive introduse in canale. Fluidele folosite erau azot gazos,heliu si hidrogen.

Rezultatele testelor au fost ca pagubele aduse miezului se datorau vibratiilor prin canalele de racire, provocate de flux. S-a descoperit ca o instabilitate dinamica in distantele de racordare dintre elementele de combustibil adiacente cauzau aceasta vibratie, si duceau la fracturarea elementelor. Bazandu-se pe aceste teste, o serie de modificari au fost aduse miezului. Ele au avut succes, reusind sa treaca patru testari. Aceste schimbari au fost incorporate in prototipurile ulterioare (ele fiind de fapt aceleasi reactoare, dar cu combustibili activi si schimbari structurale).
 

KIWI B4D

A fost primul reactor operational dupa seria de teste la rece, el fiind de fapt prototipul B4B refabricat, cu o incarcatura normal de material fisionabil. Scopul testului era:

• investigarea stabilitatii structurale si dinamice a designului sub conditii normale de flux si temperatura
• sa masoare, folosind instrumentatia si examinarea post-mortem, performantele de flux, temperatura si cea neutronica, pentru a le compara cu modelele experimentale
• obtinerea informatiilor referitoare la efectele pe care le are timpul de functionare asupra parametrilor sus-numiti, precum si asupra ansamblului in general (sistemul de curgere, tevile, pompele si reactorul in sine).

Obiectivele secundare erau:

• cercetarea racirii cu hidrogen lichid
• masurarea raportului dintre presiunea de evacuare a pompei si cea de intrare in reactor
• intreprinderea unei porniri automate folosind o sursa adiacenta

Sistemul era similar cu cel folosit pe B4A, cu patru diferente majore:

• un sigiliu la capatul fierbinte
• arcuri pentru sprijin lateral al articolului
• canale de racire in elementele periferice de umplutura
• un invelis flexibil in jurul miezului pentru a preveni scurgeri intre miez si orificiul de expansiune din afara miezului

Miezul continea 1542 de elemente de combustibil de doua tipuri. Majoritatea era incarcat cu elemente folosind oxid de uraniu, dar 212 dintre ele foloseau capsule de carbura de uraniu, cu un invelis de pyrocarbon. 108 dintre acestea erau dispuse in jurul amsamblului central, si 104 la periferie.

Elementele de combustibil erau lungi de 131.78 cm si erau de sectiune hexagonala, cu lungimea de 1.9 cm. Fiecare prezenta 19 canale de racire.

In termeni de procentaj de combustibil, erau 12 nivele diferite de incarcare cu oxizi, si 6 de incarcare cu carburi. Ele erau dispuse in asa fel incat sa uniformizeze distributia radiala de energie si sa elimine varfuri de temperatura. Pentru o iradiere neutronica similara, capsulele de carbura aveau un procent de incarcare usor mai mare decat cele de oxizi, pentru a compensa canalele de racire mai mari si invelisul pe toata lungimea de niobium.

Era prima data cand se reusea o pornire complet automata. Astfel, reactorul era adus de la o conditie sub-critica / oprita pana la un nivel pre-selectat intr-o maniera rapida si sigura. Se realiza folosind un sistem de control in bucla deschisa pentru a deplasa tijele de control, urmata apoi de folosirea unui sistem de control in bucla inchisa pentru a mentine puterea la acest nivel. Sistemul folosea o singura gama de instrumentatie, cu o camera ionizanta cu pozitie fixa.

Dupa ce a operat la putere maxima (990 MWth) vreme de 64 de secunde, testul a fost oprit datorita ruperii unor furtunuri de hidrogen, provocand o scurgere si un incendiu. Aceasta ruptura a fost cauzata de aer lichefiat care a patruns in tuburile de racire ale duzei de evacuare, formand ozon. Ozonul a fost cel care a produs „micro-detonatii” si fisuri locale in aceste tuburi. Usoara flambare a duzei a fost si ea observata, precum in testele anterioare.

Racirea si oprirea reactorului a fost realizata folosind atat hidrogen cat si azot. Initial, se folosea hidrogen gazos, apoi, dupa doua minute, a fost inlocuit cu azot gazos, al carui debit era redus in trepte de-a lungul a 606 secunde (in total, 3266 kg). Dupa acest interval, se folosea azot in pulsuri, in total fiind folosite 15 pulsuri de durate diferite (60-140 secunde).

Inspectia post-mortem a evidentia ca motorul nu a suferit avarii semnificative. Nu s-au gasit elemente de combustibil fisurate, si nu s-au descoperit avarii mecanice pe nici un element al meizului.

S-a evidentiat un grad inalt de coroziune (adanc, in unele cazuri, de 0.5-0.625 mm) la elementele periferice, insa celelate au fost descrise ca parand „nefolosite”. Numai trei anomalii au fost gasite: un element cu oxizi prezenta o gaura, doua elemente adiacente prezentau aparente depuneri pe invelisul interior si unul prezenta crapaturi care radiau circular de la capatul fierbinte.

Vedere in sectiune a motorului KIWI B4D

 

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 )