Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 11)

NRX A5

NRX A5 a fost primul dintre cele doua variante care aveau sa concureze pentru onoarea de a fi selectionate ca si modelul de baza al sistemului final, denumit XE-PRIME (concurentul sau fiind NRX A6).
A5 era similar cu reactoarele precedente, avand un miez cu 1584 de elemente de combustibil placate cu NbC pe toate suprafetele externe. Spre deosebire de modelul A3, in acest caz, toate elementele fusesera supuse acestui procedeu. Altminteri, se folosisera aceleasi materii prime, tehnici de extrudare si parametrii ai procesului de invelire ca si pentru EST.
De asemenea, duza de evacuare a prototipului A5 era identica, cu un raport de expansiune de 10:1. Elementele de combustibil fusesera fabricate de catre Uzinele Astronucleare Westinghouse (Westinghouse Astronuclear Facilities – WAFF) cat si la uzina de stat Y-12. In cazul stratului de NbC, el era de 0.038 mm la Y-12 si 0.045 mm la WAFF.

Se pot enumera o serie de diferente fata de sistemele precedente:

• eliminarea tevii de aluminiu care inconjura exteriorul reflectorului intern de grafit
• tigle de pyrografit de lungime intreaga
• distantiere modificate pe blocurile de sprijin structural
• capete modificate
• tamburi de control modificati pentru a minimiza inconvoierea termica
• repozitionare a inelului de impedanta a reflectorului
• tijele de sustinere erau fabricate din Inconel 718, in loc de Inconel 750
• diferite elemente experimentale fara incarcatura de combustibil
• profile de invelire a canalelor diferite fata de precedentele
• doua elemente cu canale prezentand un strat superior de molibden

Primul test de aprindere a fost efectuat pe 8 Iunie 1966, si a constat intr-un prag putere la o temperatura a camerei de 1083 K vreme de 130 de secunde, urmata apoi de o ridicare a temperaturii la 2167 K. Odata ajuns la putere maxima, reactorul a trecut printr-o serie de oscilatii de putere, care au durat 25 de secunde.
Testul a continuat la putere maxima vreme de 15.4 minute, la o temperatura de 2056 K.

Al doilea test la putere maxima, intreprins pe 23 Iunie, a atins un nivel de putere de peste 1050 MWth, la o temperatura de peste 2222 K Timpul a fost de 14.5 minute, insa testul a fost oprit in clipa in care s-a constatat o pierdere evidenta de reactivitate.

In total, timpul acumulat la putere maxima a fost de 22.4 minute la peste 2222 K , si 30.1 minute peste 2056 K. De asemenea, s-a demonstrat capacitatea de reaprindere de la un nivel de putere foarte redus (30 kW; foarte important in cazul in care o nava spatiala sufera o oprire neplanificata).

La analiza post-test s-a descoperit si cauzele oscilatiilor care afectasera reactorul: semnalul primit de la una din sondele de temperatura devenise „zgomotos”, dand impresia unor varfuri de temperatura. Aceste oscilatii au incetat in clipa in care sistemul a respins semnalele primite de la aceasta termocupla, permitandu-i sa functioneze normal (pentru curiosi, bucla de control de care tinea acea termocupla era gandita sa detecteze daca debitul de racire era insuficient, si purta numele de „no-flux loop”). In urma testului, sistemul a fost modificat pentru a preveni astfel de evenimente.

Interesant si diferit de testele anterioare, acest motor era racit fortat, folosind un sistem de pompare cu azot lichid. Azotul era administrat intr-o serie de „pulsuri”. Se estima ca pentru racirea sistemului dupa un test erau necesare, in medie, 20 de pulsuri. Debitul de azot in timpul unui puls era de 2.3 kg/sec.

Tot la dezasamblare s-a constatat o diferenta majora intre pierderile de masa ale ansamblelor de combustibil fabricate la WAFF si Y-12. Unde la Y-12 ele erau de ordinul a 16 g/element, la WAFF erau 37 g/element. De asemenea, numai 9.7% dintre elementele Y-12 erau rupte, comparativ cu 70% din elementele WAFF. In fapt, s-a descoperit (deloc surprinzator) ca exista o corelatie intre elementele rupte si cele care suferisera cele mai proeminente pierderi de masa.
Desi performanta la captele fierbinti era superioara elementelor folosite la EST, procentul de elemente fisurate era cu 13% mai mare.

De asemenea, cele doua elemente placate cu molibden au suferit stricaciuni in timpul dezasamblarii. Insa,dupa investigatii, s-a dovedit ca ele suferisera pierderi de masa mult reduse. Mai mult, o comparatie intre elemente taiate axial din aceeasi regiune a miezului a aratat ca molibdenul ajutase la eliminarea coroziunii de zona mediana (lucru care avea sa fie confirmat mai tarziu la testele PEWEE).
 

NRX A6

Reactorul NRX A6 a fost al doilea concurent in mini-cursa pentru finalizarea modelului XE-PRIME. El avea aceeasi configuratie generala ca si seria A2 – A5, adica un miez din grafit, cu reflectoare de beriliu si vas de presiune din aluminiu.
Principalele diferente ale reactorului fata de seriile anterioare erau:

• eliminarea reflectorului intern de grafit
• modificari in sistemele de sprijin structural din periferia miezului si zona laterala
• schimbarea punctului de sprijin (in esenta, spre deosebire de modelele anterioare, acesta „statea” pe capatul care continea duza de evacuare)

La randul lor, acest diferente proveneau din cele doua cerinte pe care modelul trebuia sa le indeplineasca:

• sa aibe o structura de baza care sa fie scalabila la scara mare (adica aplicabila pentru un model mai mare)
• sistemele de sustinere a periferiei si sustinere laterala sa ajute la reducerea coroziunii miezului

Miezul A6 era alcatuita dintr-o serie de manunchiuri de combustibil, fiecare alcatuit la randul sau din sase elemente de combustibil si un element central nealimentat. Manunchiul era sprijinit axial de un sistem cu tije structurale atasate placii de suport, tija aferenta fiecarui manunchi trecand prin zona centrala.

Alte deosebiri fata de A5 erau:

• diferente de incarcare cu combustibil
• invelisuri diferite
• mici diferente in maniera de procesare a materialelor prime

Miezul prevedea 14 zone de incarcare, ceea ce necesita 11 niveluri diferite de incarcare. Acestea variau intre 132.4 g/element si 23.9 g/element. Numarul mai mare de zone de incarcare era gandit sa reduca diferentele de putere intre diferite zone ale nucleului, reducand astfel si diferentele de presiune si prevenind aparitia micro-cavitatilor.

De asemenea, grosimea stratului de NbC a fost redusa pentru a-i imbunatati aderenta si distributia de fisuri, si toate elementele aveau un strat de molibden pentru reducerea coroziunii de zona mediana. Elementele beneficiau de tolerante mai stricte (de rigiditate, dimensionale, etc) pentru a le uniformiza.

Motorul a fost testat de doua ori, prima ocazie fiind pe 7 Decembrie 1966. Arderea a fost initiata autonom. Dupa 75 de secunde de operare, insa, sistemele automate au initiat oprirea de urgenta. S-a determinat ca oprirea fusese cauzata de o defectiune electrica, o serie de varfuri de sarcina dand sistemului impresia ca tamburii nu sunt orientati corespunzator. Ca atare, la testele viitoare, s-a decis instalarea unui filtru electronic pe senzorul respectiv. Valoarea debitului atinsa in timpul testului a fost de 18.1 kg/sec.

Testul la putere maxima a fost initiat pe 15 Decembrie 1967. Pragul de putere maxima a fost mentinut vreme de 60 de minute, la o temperatura de peste 2278 K, si o putere de 1125 MW (de fapt 1130 MW energie termica si 1250 MW energie neutronica), cu o presiune de 4089 kPa. Temperatura camerei de evacuare a atins 2300 K iar debitul a fost de 32.7 kg/sec. In timpul testului, temperatura in camera de evacuare era mai redusa decat se preconizase initial, dar chiar si asa semnalul de la senzori era utilizabil pentru sistemul de control automat. S-a speculat ca diferenta putea proveni din aparitia unor zone de curgere turbulenta in apropierea senzorilor.

La oprire s-a folosit din nou racirea cu pulsuri de azot lichid. Nu s-au intampinat probleme sau tranzienti, iar racirea a durat 75.3 ore. S-a mai intreprins un test de scara mica de criticalitate pe 19 Decembrie, azotul lichid fiind folosit pentru a aduce materialul reflectorului si a intrarii in miez la temperatura camerei (pentru curiosi, reactorul nu a fost „aprins”, doar adus dintr-o stare de inghet prin control fin al puterii; in spatiu, temperaturile in lipsa Soarelui sunt de ordinul a 5-10K, si era important sa se vada daca un motor supraracit putea fi adus in stare de pornire dupa ce functionase indelung anterior).

Examinarea post-test a aratat ca durata de functionare mare isi lasase amprenta. Elementele prezentau fisuri axiale severe atat pe suprafetele interne cat si pe cele externe. Mai mult, aceste fisuri se evidentiasera si pe ansamblul de reflectoare cu beriliu. Fisurile se datorau, se pare, unui varf de 200 K care se manifestase la sfarsitul testului. Mai exact, reactorul A6 era primul care utiliza trei inele de beriliu stivuite pentru a forma un reflector monolitic. Prin constrast, modelel anterioare folosisera un sistem cu doua reflectoare, unul fiind un inel de grafit si unul exterior din beriliu cu 12 segmente. Cu doua minute inainte de finalizarea testului, sarcinile termice au depasit capacitatea de rezistenta a reflectorului de beriliu, cauzand aparitia fisurilor. La ele contribuisera si bombardamentul neutronic sever, care a limitat rezistenta materialului (asa numitul „neutron embrittlement”). Era un aspect usor ingrijorator, dat fiind ca A6 era primul reactorul care suferise stricaciuni ale reflectorului (cu exceptia A1, care fusese un test la rece). Totusi, reflectorul a fost adecvat pentru testul intreprins si nu s-au evidentiat dovezi ca fisurile au limitat performanta reactorului.

In privinta elementelor de combustibil, s-au costatat ca unele erau sudate, si prezentau coroziuni de suprafata usoare, densitati de microcavitati reduse, pierderi de masa pe zona mediana reduse si pierderi de masa la capetele fierbinti ceva mai ridicate decat A5. Astfel pierderile totale erau de ordinul a 13.1 g/element (vs 27.0 g/element la A5) , cele mediene de 2.3 g/element (vs 25.8 g/element la A5) iar cele la capetele fierbinti de 10.9 g/element (vs 8.5 g/element la A5).

A6 continea si cateva elemente experimentale care contineau aditivi in matrice, precum si diverse tipuri de invelisuri pe canale. In termeni de microcavitati, coroziuni superficiale si integritate generala, performanta acestor elemente era similara altora din reactor. In concluzie, timpul total de functionare a fost de 62 de minute incontinuu la o temperatura de peste 2278 K. Astfel, recordul precedent a fost dublat, iar rata de coroziune a fost redusa cu aproximativa 75-80% fata de EST si NRX A5. S-a considerat ca performantele imbunatatite s-au datorat tehnologiilor de placare imbunatatite, controlului dimensional mult mai bun, unei atentii sporite acordate fenomenului de expansiune termica si a unei distributii de putere si de presiune interstitiala mai buna. Practic, testul si-a bifat toate obiectivele.

Vedere decupata a reactorului NRX A6

 

Cantecul de lebada

Si astfel am ajuns in anul de gratie 1968. PHOEBUS isi termina testele, demonstrand noi posibilitati si probleme, iar NERVA imbina vechile concepte intr-un concept functional. In lume, rusii bifau esec dupa esec al rachetei N-1, iar americanii aveau drumul catre Luna deschis (Apollo 8 inconjurand Luna in 1968).

Insa, lucrurile nu erau chiar rozalii pentru echipele de la NRDS. Din contra. In momentul in care NERVA isi testa prototipul EST, planurile NASA prevedeau o vizita pe planeta rosie in 1978, o baza lunara in 1981, si numeroase sonde de mari dimensiuni expediate catre Jupiter si Saturn. Apropo de Saturn, racheta cu acelasi nume isi intra in drepturi, expediind primele incarcaturi semnificative catre Luna. Linia de productie lucra la ritm maxim, lar versiunile viitoare urmau sa foloseasca motoare nucleare pentru treapta finala. De fapt, motoarele nucleare aveau numeroase potentiale utilizari in planurile NASA. Insa… planurile NASA trebuiau bugetate, iar razboiul din Vietnam acapara aproape la fel de multa atentie din partea publicului ca si Apollo. Si inca si mai multa din partea Congresului. Specialistii in zboruri spatiale sperau ca planurile post-Apollo aveau sa fie cel putin la fel de ambitioase.

Nu au fost. Cumva era de asteptat. Administratia se schimbase, nou-venitii voiau sa isi puna amprenta. Nu mai era epoca de aur a americanismului, ci se trecea in epoca „groovy” a miscarilor anti-razboi si anti-guvern. Pana si Apollo, astazi mult laudat, era vehement contestat la acea vreme.

In aceste conditii, pare aproape hilar ca inginerii si savantii isi inchipuiau ca vor reusi sa vanda conceptul zborului spatial nuclear unui public atat de sceptic si unor decidenti atat de ostili. Insa, ca orice buni ingineri, era treaba lor sa incerce pana in panzele albe.

Initial, motoarele NERVA trebuiau sa fie parte a unui program extins. Cele prezentate mai sus erau desemnate ca fiind NERVA I. Acestea urmau sa fie surclasate de catre cele de tip NERVA II.
Aceasta a doua generatie de reactoare cu combustibili mai avansati, de dimensiuni mai mari, erau cele care trebuiau sa fie viitorul. NERVA I, la urma urmei, nu erau decat versiuni avansate si optimizate de KIWI. NERVA II urma sa incorporeze si avansurile PEWEE. Insa, pe la jumatatea testelor cu NRX, inginerii au inceput sa simta presiunile decidentilor, si, in acelasi timp, sa observe ca, de fapt, performantele reactoarelor mai putin avansate erau totusi satisfacatoare. Acesta a fost, de fapt scopul nespus al testului EST (altminteri relativ neplanificat): sa isi confirme suspiciunile ca majoritatea acestor misiuni viitoare erau perfect realizabile cu NERVA I.

Cumva, asta a parut o binecuvantare. Specialistii, chiar si cu bugetele tot mai reduse, puteau sa isi indeplineasca obiectivele si inca mult inante de termenul preconizat. Comparativ cu majoritatea programelor de cheltuieli guvernamentale tehnologice (inclusiv unele moderne…) NERVA era on buget si ahead of schedule. Conditiile de continuare certe ale programului tineau de doua aspecte:
ca NASA avea sa-si continue programul ambitios de explorare
ca NERVA (si programul ciuntit Rover, devenit un program de testare, cu surle si trambite, a combustibililor) putea sa se lege de acele intiative NASA

Ei nu aveau de unde sa stie ca NASA urma sa fie zdrobita bugetar incepand cu 1970. Era o amenintare indirecta asupra carora nu avea control.

In schimb, in 1967, se incercase in Congres anularea finantarii. O serie de batalii politice scurte si violente purtate prin saloanele Washingtonului le-au permis functionarea in regim de turatie reduse. Insa, acum exista pericolul ca, chiar daca NASA isi va continua programul spatial, ei nu vor putea face parte din acesta. Nu avea fondurile necesare pentru a construit reactoare pe banda rulanta cum facusera pana atunci. Asadar o decizie trebuia luata.

Si ea a fost luata: isi vor folosi ultimele fonduri pentru a modifica standurile de teste de la Jackass Flats pentru a simula, pe cat posibil, conditiile de functionare spatiala. In esenta, ei aveau sa incerce sa imite facilitatile NASA de testare a motoarelor.

In acelasi timp, cu fondurile mult reduse dar inarmati cu datele experimentale ale multelor teste realizate pana in acel moment, ei aveau sa construiasca un motor care sa se apropie pe cat posibil de o varianta zburabila. Daca motorul avea sa se dovedeasca chiar zburabil (asa cum s-a intamplat, el primid certificare de la NASA) cu atat mai bine. Ideea era de a demonstra CEVA.

Anticipand o situatie dificila, specialistii au renuntat la continuarea campaniei NRX A (care, intial, ar fi trebuit sa prevada si un reactor A7, A8, etc; in schimb, testele acestora din urma s-au realizat pe A5 si A6). Data fiind ca NERVA II nu mai era nici ea necesara, nu era o problema.

O problema, in schimb, erau ca nu-si permiteau sa construiasca un alt reactor. Asadar, au refolosit elemente de la un prototip identic cu NRX A5, si le-au imbunatatit unde au putut.
Asa a rezultat singurul exemplar al celei de-a doua serii NERVA, denumit XE-PRIME.
 

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 )