Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 10)

NERVA – Implinirea promisiunii

Programul NERVA a fost aprobat in urma succesului obtinut cu testele KIWI. In paralel cu cercetarile fundamentale ale Rover, NERVA era menit a demonstra capabilitatile unui motor construit cu tehnologia anului 1964. Ca atare, desi au fost unele modificari, NERVA nu a beneficiat de unele tehnologii si proceduri de fabricatie care au fost dezvoltate pentru PHOEBUS si PEWEE. In esenta, programul cerea modificarea unui KIWI B4E pentru a-l face cat se poate de zburabil.

Seria NERVA nu erau motoare pe care s-au realizat experimente de combustibil, scopul era procedural. Tot ce reprezenta un nou traseu tehnologic trebuia sa treaca intai prin laboratoarele LASL si Rover inainte de a ajunge pe NERVA, asta explicand si de ce unele schimbari benefice descrise mai sus nu au fost incorporate.

In nomenclatura documentelor, pot fi definite doua „serii” aproximative de motoare, corespunzand celor doua perioade de activitate in care poate fi impartit programul. Prima era seria NRX, a doua seria XE.

NRX A2

Seria NRX-A a fost conceput ca o serie de reactoare cu design evolutiv, evolutia fiind dictata de rezultatele analitice, testele componentelor si rezultatele testarilor ansamblurilor integrate. Intentia era de a fi un program de dezvoltare si teste cu scopul de a adaptat si califica conceptul KIWI B4 pentru a fi folosit in cadrul programului spatial. Reactorul avea 1626 de elemente de combustibil si, spre, deosebire de prototipurile de pana atunci, el a fost construit si testat de catre Westinghouse.

Articolul a fost testat pe 26 Septembrie 1964, cu puterea situata intre pragul median si pragul maxim (1096 MWth), vreme de 6 minute (cu portiunea de putere maxima durand 40 de secunde). Astfel, nivelurile la care a fost testat erau de 51%, 84% si 93-98% din putere. S-a constatat ca debitul era usor mai mare decat cel prevazut atunci se opera la putere maxima, in speta datorita efectelor de compresibilitate si a preciziei discutabile a debit-metrelor. De asemenea, la inceputul testului, in preajma pragului de 51%, s-au observat o serie de mici incendii. Ele au avut o durata scurta si erau concentrate in zona mediana a motorului. Durata testului tinea de cantitatea de hidrogen disponibila pentru a actiona turbopompe. Impulsul specific ideal fost calculat ca fiind de 811 secunde (adica 7.95 km/sec viteza de evacuare). Puterea atinsa in timpul testului a fost ceva mai mare decat era prevazuta, insa per total, reactorul s-a comportat exact cum se asteptasera operatorii.

Reactorul a fost apoi repornit pe 15 Octombrie pentru a investiga marjele de control la putere reduse, debit redus si diferite conditii de densitate la intrare a hidrogenului. Practic, scopul era de a mapa caracteristicile de control. Testul a durat 20 de minute, cu intervalul de putere intre 21-53 MWth, si cu debitul intre 2.27 si 5.9 kg/secunda. Nu s-au constatat instabilitati de curgere atunci cand conditiile la intrare se apropiau de cele ale hidrogenului lichid.

Inspectiile post-mortem au arata ca se prezentau semne incipiente de coroziune pe elementele de combustibil. Desi nu fusese o problema in cazul de fata, ele trebuia investigate, pentru ca exista potentialul sa afecteze sistemul la durate de ardere mai lungi. Nu s-au descoperit rupturi care sa poata fi atribuite testului, majoritatea provenind de la procesul de dezasamblare. Singurele elemente afectate mai grav erau cele folosite pentru instrumentatie pe coloana centrala a motorului, ele fiind nealimentate cu uraniu. Dar nici in acest caz, nu s-a putut dovedi provenienta pagubelor minore.

Pagubele legate de coroziune au fost si ele minore, si erau concentrate catre capatul fierbinte, la periferia miezului. De vina au fost scapari de hidrogen prin tiglele pirolitice, care, la temperaturi si presiuni elevate, au generat un model distinct de striatii pe zona plata a prismelor hexagonale. In putinele zone care erau protejate cu NbC, nu s-a descoperit acest tipar. Ca atare, s-a decis ca, in continuare, toate elementele de combustibil care urmau sa fie utilizate pe NRX A3 sa fie acoperite la capatul fierbinte cu NbC. Aditional, orificiile aveau sa fie modificate sau crescute ca numar pentru a asigura racirea eficienta a combustibilului la periferie.

Per total, NRX A2 a fost un succes, confirmand previziunile initiale si permitand programului sa avanseze in creearea unor sisteme mai avansate. Testele care urmau aveau cerinte mult mai stringente in privinta andurantei si a varfurilor transiente.

Diagrama sectionata a motorului NRX A2

 

NRX A3

Al doilea reactor din seria NRX, el era practic identic cu primul, cu exceptia unor mici modificari aduse asupra elementelor de combustibil. Intentia era de a verifica capacitatea de repornire a motorului dupa mai multi ciclii de functionare la putere maxima. Reactorul avea 1626 de elemente de combustibil, si avea forma unui cilindru lung de 132 cm cu o raza de 44 cm, ingloband aproximativ 172 de kg de uraniu imbogatit. Imprejurul suprafetei cilindrice era o teava de grafit cu pereti grosi de 5.3 cm. Urma apoi un reflector de beriliu gros de 11.7 cm, continand 12 tamburi de control cu diametrul de 10.4 cm, cu suprafetele invelite intr-un strat de aliaj de bor si aluminiu, cu rol de otrava neutronica.

La primul test, efectuat pe 25 Aprlie 1965, motorul si-a atins puterea normala de 1093 MWth, pe care a mentinut-o vreme de 3.5 minute. Instrumentele indicau, insa, ca debitul de hidrogen care patrundea in reactor era peste limitele normale, ca atare a fost ordonata oprirea sa. Din pacate, una dintre lniile de racire s-a infundat. Puterea a crescut la 1165 MWth pana cand linia s-a deblocat singura, iar reactorul s-a oprit fara hibe. Excursia neasteptata e provat ingrijorari legate de structura tijelor care legau manunchiurile de combustibil. Senzorii aratau ca temperaturile resimtite de acestea au fost 1095 K (testele de mai tarziu aratand valori tinzand mai degraba catre 1370 K, cu straturile de protectie atingand 1556K), in conditiile in care intervalul lor normal de temperatura era intre 473-667 K. Cauza incidentului a fost identificata ca fiind o conexiune electrica slabita in circuitul de control al turatiei turbinei.

O analiza atenta a motorului nu a putut descoperi semne de stricaciuni, ca atare s-a luat decizia de a continua campania de teste, iar al doilea test a avut loc pe 20 Mai. In cadrul acestuia, reactorul a operat vreme de 16 minute, dintre care 13.1 au fost la puterea de 1072 MWth. Din nou, limita de timp tinea de cantitatea de hidrogen disponibila (testul fiind facut inainte de modificarile aduse post-PHOEBUS). Impulsul specific calculat a fost de 803 secunde, iar tractiunea de 237630 N.

Reactorul a fost pornit si o a treia oara, pentru maparea functiilor de putere si pentru teste de control. O trasatura semnficativa a acestor teste a fost adoptarea unei pozitii fixe a tamburilor, si realizarea controlului de putere doar din debitul de combustibil. Rezultatele obtinute corespundeau excelent cu predictiile teoretice. Astfel, s-a demonstrat fara dubiu ca reactorul era inerent stabil chiar si numai pe controlul cu flux de hidrogen lichid. Odata ce dispozitivul era la putere scazuta, puterea putea fi ajustata pana la temperatura de evacuare dorita prin cresterea sau scaderea vitezei turbopompei, tamburii fiind folositi numai pentru ajustari fine.

Examinarile post-dezasamblare au aratat ca motorul nu suferise stricaciuni ca urmare a efectelor transiente din primul test, si ca repornirile nu au pus sub semnul intrebarii integritatea sau siguranta reactorului.

NRX A3 a fost, de asemenea, si primul reactor ce a utilizat elemente invelite extern la periferia miezului. Acestea au demonstrat performante superioare celor folosite la A2, aratand, din nou, impactul pe care il avea folosirea carburii de niobiu in aceasta zona.

Diagrama in sectiune a motorului NRX A3

 

NRX/EST

NRX/EST (‘Engine System Test‘ – Test al sistemelor de motor) a fost primul reactor NERVA de tip „breadboard” (placa de teste); cu alte cuvinte, era primul in care componentele majore ale motorului erau conectate dupa functionalitatea lor in zbor, si nu cu scop experimental. Motorul folosea miezul NRX A4 (care fusese sistat si redenumit datorita succesului A3, lucru care se mai petrecuse si pentru alte serii) conectat la turbopompa si celelalte elemente ale unui sistem de motor complet. Sistemul motorului era alcatuit dintr-un ansamblu de baza NRX A, un sistem de alimentare cu masa de reactie si o duza cu flux fierbinte (purjare), toate instalate pe un vagon de tip NRC-A. Acest vagon includea si tevile pentru sistemele auxiliare, precum racirea normala si de urgenta, sisteme de diagnosticare, intrumentatie si liniile si valvele necesare pentru ventilarea si epurarea sistemului. De asemenea, erau incluse si doua scuturi de radiatie, unul superior si unul inferior.

Toate componentele principale erau alea care s-ar fi regasit pe un motor zburabil. De asemenea, era primul motor care utiliza o pornire de tip „bootstrap”, adica fara aport de energie externa ci doar din propriile resurse. Acest tip de pornire a fost demonstrat cu 10 ocazii diferite pe parcursul programului de teste NRX/EST.

Reactorul cuprindea 1584 de elemente de combustibil, si avea forma unui cilindru lung de 132 cm, cu o raza de 45 cm si ingloband 176 kg de uraniu imbogatit. Elementele de combustibil fusesera imbunatatire cu straturi protectoare la capatele fierbinti. Vasul de presiune era lung de 203.2 cm, cu un diametru de 127 cm, si o inchidere eliptica de 2:1. In esenta era identic cu cel de pe A3, cu doua exceptii:

• cilindrul era inchis cu un alt fel de sistem;
• porturile de diluare si racire de urgenta aveau o alta configuratie.

Duza fusese proiectata si fabricata de Aerojet, si era tubulara de tip U, cu un raport de expansiune de 10:1. Din nou, cu exceptia adaugarii unui port si a unui nou tip de valva pentru sistemul de racire, ea era identica cu cea utilizata de A3. 13 canale de racire erau intrerupte de noul port, ele avand capacitatea de racire reduse cu 10%. Acest fapt a fost folosit pentru stabilirea regimului de teste. Noul port era folosit pentru extractia de gaze fierbinti, care apoi energizau turbopompa.

NRX/EST a fost pornit pentru prima oara pe 3 Februarie 1966, si a continuat sa fie testat pana pe 5 Martie. A operat in timpul a 5 zile diferite (totalizand 11 porniri si opriri, inclusiv trei intreruperi), acumuland un interval total de functionare de 1 ora si 56 de minute, dintre care 29 de minute erau la nivele de putere peste 1000 MWth, si 30.3 la temperaturi in camera de evacuare de peste 2056 K.

Pe 3 Februarie au fost efectuate trei teste la praguri de putere intermediare, demonstrand pornirea autonoma. Temperatura in camera a fost de 1389 K, cu o presiune de 1723 kPa. Trei teste aditionale au fost efectuare pe 11 Februarie, dintre care doua au fost un succes, si unul intrerupt.Testele au avut rolul de a caracteriza functia de temperatura in camera de evacuare.

Pe 3 Martie s-a efectura un test la putere maxima, tot cu pornire autonoma, obtinand o temperatura de 2272 K . A operat la punctul nominal vreme de 75 de secunde, dar instrumentele au indicat deplasament excesiv la turbopompa, iar temperatura a fost redusa pana la 1889 K. Cand indicatia a continuat, temperatura a fost redusa in continuare pana la 1167 K, dupa care s-a initiat o oprire. S-a dovedit ulterior ca motivul semnalului de alerta a fost un senzor eronat. Deplasamentul nu fusese excesiv, ca atare reactorul a putut fi pornit din nou, pentru a intreprinde operatiuni de mapare la temperaturi inalte. Cea mai indelungata functionare a fost vreme de 285 secunde la o temperatura de 1889 K.

Pe 16 Martie s-a intreprins primul test de anduranta. Scopul era operarea sistemului la putere maxima pentru o durata mai lunga de timp (15 minute). Testul a fost intrerupt cand reactorul a devenit supercritic, provocand o crestere brusca de putere, presiunea atingand (345 kPa). A doua incercare a avut succes, si s-au efectuat teste la o sumedenie de praguri de putere, inainte de atingerea valorilor maxime. Durata totala a fost de 15 minute la temperaturi de peste 2056 K.

Testul final a avut loc pe 25 Martie 1966, cu obiectivul de a opera la o temperatura a camerei de peste 2056 K pentru 13.5 minute. Acest test a avut si el succes, si a operat vreme de 13.7 minute. Temperatura atinsa a variat intre 2222 si 2306 K vreme de 820 secunde.

Pe parcursul testului s-au observat doua tipuri de oscilatii de curgere. Unul a avut loc la presiuni intermediare in timpul aprinderii si opririi. Al doilea tip a fost observat imediat ce valva de descarcare a fost deschisa pentru a initia curgerea hidrogenului in reactor. Nici una dintre aceste variatii nu a provocat dificultati operationale.

Evaluarea elementelor dezasamblate a indicat ca ele suferisera stricaciuni substantiale in zona periferica si in zona centrala. Cele din zona mediana a reactorului au rezistat similar celor de pe A3. Se evidentiau doua mari forme de pagube:

• coroziuni la capatul de iesire atribuite unei subdimensionari usoare a elementelor;
• coroziuni in zona mediana a elementelor pe canalele de racire.

De asemenea, un numar de 528 de elemente erau rupte, dintre care 387 prezentau rupturi multiple. Examinarile au aratat ca o cauza majora a acestor brese era formarea unor aglomerari de cavitati „in varf de ac” (similare celor de pe elici navale). Acest fenomen fusese evaluat anterior pe prototipul A3, cand s-a relevat ca depunerile de NbC nu inhibau aparitia acestora. Datorita densitatii lor, aceste microcavitati favorizau formarea unor orificii de coroziune de dimensiuni mari prin efecte hidrodinamice.

In ciuda acestor dificultati, reactorul functionase in conditii preconizate, si a fost o piatra de hotar in cadrul proiectului. Se dovedise abilitarea de pornire autonoma, se dovedise capacitatea de control pe o intreaga plaja de conditii de functionare, moduri de control si parametrii operativi (temperatura, presiune, debit, etc) si, nu in ultimul rand, se dovedise anduranta motorului (majoritatea motoarelor chimice nu pot functiona ore in sir) si capacitatea de reaprindere.

Pe vremea cand se efectua testul NRX/EST, PHOEBUS era in faza terminala, iar motoarele din clasa NERVA erau proiectate pentru misiuni lunare care ar fi urmat programului Apollo, precum si pentru trimiterea sondelor inspre destinatii mai indepartate petrucm Mercur, Jupiter, Saturn, s.a. Despre cea mai cunoscuta misiune de acest fel, Boeing IMS, vom discuta in articole viitoare. De asemenea, la acel moment, se credea ca o varianta viitoare a rachetei Saturn V va folosi o treapta finala cu propulsie nucleare in intervalul de timp 1977-1978, si ca se vor efectua misiuni de explorare cu echipaj uman pe Marte in 1981-1982. Din pacate, dupa cum vom vedea, vremurile schimbatoare au conspirat impotriva acestor planuri.

In final il vom cita pe Harold b, Finger, managerul general al Space Nuclear Propulsion Office (SNPO), care, citat in fata comisiei de finante a Congresului in 1966, a declarat despre NRX/EST:

It looked great. It was the last major milestone in demonstrating the feasibility of nuclear engines, […] We could have an operational model ready by the 1970s, but this will depend on when the US wants to take on missions more ambitious than Apollo.

Diagrama schematica a reactorului NRX/EST pe vagonul sau de testare

Nota autorului: speranta moare ultima….
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 )