Stele verzi – Finalul SNAP-2

Considerente secundare ale seriei de reactoare SNAP-2

Dacă treci în revistă materialele științifice generate de programul SNAP, intrii în ape tulburi în momentul în care încerci să observi legătura dintre SNAP-2 și seriile următoare de reactoare.

Asta deoarece SNAP-2 a fost un program de testare pentru a acumula informații, iar principalul său scop era obținerea unor ansambluri critice utile pentru experimente în cadrul unor alte programe mai ample. Ori, dacă deja ai obținut un design de miez cu performanțe satisfăcătoare (precum S2DR), de ce te-ai chinui să bugetezi construcția de la 0 a unui alt model în loc să îl adaptezi pe cel deja existent? Exact asta s-a întâmplat și cu reactorul SNAP-10A, care a refolosit miezul de la SNAP-2, și a constituit principalul punct de plecare al programului SNAP în anii următori.

Dar nu doresc să vorbesc despre SNAP-10 fără să mai menționez câteva lucruri despre SNAP-2-ul care, în călătoria noastră imaginară în timeline-ul proiectului, se apropie de finalul carierei.

 

Generarea de electricitate

SNAP-2 era o arhitectură de reactoare gândita să genereze electricitate folosind o turbină cu vapori. Dar vaporii nu erau de apă, ci de mercur.

De ce mercur ca și fluid de lucru? Pentru că mercurul e extrem de dens (de 13 ori mai dens decât apa), are capacitate calorică mare (înmagazinează multă energie termică per schimbare de temperatură) și, la presiunea standard atmosferică, se topește la -39 °C, și se evaporează la 356 °C. Adică are o plajă de temperaturi foarte bună pentru un motor termic obișnuit (fierul, spre exemplu, se evaporează la temperaturi mult prea mari pentru a permite un reactor practic). Comparativ cu apa, mercurul nu intră în fază supercritică la temperaturi dincolo de 340°C, și deci, poți să îl folosești la temperaturi mult mai înalte. Iar temperatura e direct corelată cu eficientă unui motor termic. Deci, mai multă energie din mai puțin generator. Trebuie să spunem, de asemenea, că ideea folosirii mercurului ca și fluid de lucru în spațiu nu era nouă: în era de dinaintea celulelor fotovoltaice, folosirea energiei solare în spațiu se baza pe boilere cu mercur ce foloseau oglinzi semi-sferice pentru a reflectă și concentra energie solară.

Asta nu înseamnă că mercurul e lipsit de probleme: e faimos pentru toxicitatea lui, iar dacă îl mai și evaporezi, vei fi forțat să iei măsuri destul de dure pentru a preveni contaminarea suprafețelor (dacă îl mai și faci radioactiv din motiv de activare neutronică sau contaminare din buclă de NaK, vei avea o petrecere pe cinste ? ).

Sistemul de generare avea două componente:

• boilerul, unde NaK fierbinte circulă din miez, și își transferă căldură către mercur. Era, esențialmente, o înnăditura de țevi.
• Unitatea de generare electrică. Pentru SNAP, acest ansamblu unitar se numea CRU, sau „Combined Rotating Unit”, și a fost construit în 5 modele. De baza, CRU era alcătuit din turbină, alternator și pompă de mercur. Toate erau co-montate pe un singur ax, ce se sprijinea pe rulmenți lubrifiați cu mercur (!!!). Întreagă unitate CRU era acoperită de o carcasa metalică ermetică, pentru a preveni pierderi de mercur, contaminare în caz de breșa a miezului și protecție împotriva mediului cosmic.

Vedere in sectiune a CRU

Diagramă a CRU, cu componentele majore

Caietul de sarcini cerea atingerea unei viteze de 36000 rotații per minut dar design-ul final a fost testat la 48000 RPM fără hibe. La temperaturile normale de operare, eficiența turbinei era de 57%, iar a alternatorului de 90%, ducând deci la o eficiență totală de peste 50%, cu o putere de peste 5 kW. Un alt aspect esențial era capacitatea de a fi pornite și oprite în mod repetat fără probleme.

Formă aceasta „înghesuită” a CRU se datora nevoii de a obține un sistem cât mai compact și ușor, lucru reușit cu brio. Ba, mai mult, putem observa că, fără a ține cont de siguranța la locul de muncă, inginerii au proiectat adesea sisteme un mercurul avea utilizare dublă. Spre exemplu, el era folosit doar ca fluid de lucru în primele trei modele de CRU, dar de la CRU-IV încolo, el era folosit și pentru răcirea statorului de la alternator (eliminând nevoia unui sistem separat) și, mulțumită densității sale mari, mercurul era și un ecran bun împotriva radiației, protejând bobinele alternatorului.

Am menționat mai sus că el a fost construit în 5 modele. Astfel:

• Primele trei modele de CRU (CRU-I până la CRU-III) au fost testate în procese non-radioactive pentru a valida comportamentul la temperaturi mari. Îmbunătățirile astfel obținute au fost înglobate în modelele următoare.
• CRU-IV, care a fost testat o singură dată, și s-a dovedit a avea probleme legate de menținerea mercurului folosit că și lubrifiant în parametrii normali. Problema a fost rezolvată prin reconstruirea ansamblului, cu o carcasa nouă. Acest model modificat s-a numit CRU-IV M, și a fost primul CRU care bifa toți parametrii.
• CRU-V, care a fost și cel mai amplu testat, era o dezvoltare pornind de la IV M.

Programul de dezvoltare al CRU

CRU a fost, pe de o parte, o mare reușită a programului SNAP-2, dar, în același timp, o îngreunare. Inițial, se crezuse că proiectarea unui miez va fi la fel de dificilă și va dura la fel de mult ca și cea a turbinelor. În realitate, experiența căpătata de inginerii nucleari până în acel moment s-a făcut simțită, și nu au fost necesare multe iterații pentru a obține un ansamblu critic bun. În schimb, dezvoltarea turbinei, ca orice chestie ce ține de mecanica fluidelor înainte de epoca computerelor, a durat mult. Acesta a fost și motivul pentru care reactoarele cu ciclu Rankine (adică seria SNAP-2) au fost puși în categoria „mai târziu” și s-a accelerat programul de cercetare pentru seria SNAP-10 (care folosea elemente termoionice, fără piese în mișcare, pentru a produce energie).

Folosirea elementelor termionice reducea considerabil eficiența energetică a reactorului. Astfel, generatorul termoionic d-abia putea atinge 8%, putând genera 500 W din același miez (comparativ cu 5kW). Dar, fiindcă nu foloseau piese în mișcare, erau extrem de robuste, cu o durată de viată foarte lungă (de ordinul zecilor de mii de ore, mult mai multe decât ar fi necesitat un satelit obișnuit) și nu puteau suferi degradări masive. În plus, eliminau necesitatea de a folosi un motor termic care înoată în metal lichid.

Asta nu însemna că SNAP-2 era inutil inițial. Eficiența mare îl făcea potrivit pentru o stație spațiala, unde un reactor mic putea alimenta o baza de dimensiuni măricele. Dar, odată cu dezvoltarea seriei SNAP-8, care folosea un ciclu Brayton, și deci avea avantaje similare, SNAP-2 a devenit redundant și a rămas în paginile cărților de istorie. Design-ul miezului, însă, s-a păstrat același pe tot parcursul programului astro-electric nuclear, și putem spune că SNAP-2 este bunicul tuturor seriilor următoare de reactoare.

Pentru cei care doresc să aprofundeze istoricul efortului de realizare a CRU, recomand următorul filmuleț de 10 minute:

Efortul de realizare al CRU

și materialul de la OSTI (care are o mulțime de diagrame și imagini faine), aflat aici ( https://www.osti.gov/servlets/purl/4720495 ).

Vedere schematică a sistemului de generare electrică

 

Câteva detalii în plus

SNAP-2 folosea un radiator pentru a răci mercurul. Din considerente de spațiu (radiatorul trebuie să încapă în cala rachetei lansatoare, și fiind la începutul erei spațiale, folosirea unor sisteme care să se desfacă după ce ajung pe orbită era ceva relativ nou și riscant) și greutate, radiatorul avea formă unui trunchi de con. Alegerea nu era foarte eficientă, dar temperaturile de operare relativ scăzute îl făceau perfect utilizabil.

O problema la SNAP-2 a fost și scutul anti-radiație menit să ecraneze miezul de restul navei. Acesta urma să fie făcut din hidrură de litiu, care trebuia turnată în forma finală de disc. Numai că hidrura de litiu s-a dovedit mai dificilă de folosit decât se crezuse inițial: ea trebuia turnată în matriță treptat, puțîn câte puțîn, pentru a preveni apariția crăpăturilor. Astfel de crăpături permiteau neutronilor să pătrundă și să iradieze nava spațială (ei fiind nu doar insensibili la câmpurile magnetice ale electronilor din jurul atomilor, ci și de zeci de mii de ori mai mici decât atomii, și deci, foarte alunecoși). Procesul a durat ani de zile până a fost perfecționat. Mai rău era că hidrura de litiu, chiar și turnată așa, avea tendința să se „lase” în centrul discului din pricina unui soi de vârtej ce se formă datorită solidificării în etape a materialului. Au trebuit devoltate și noi metode de turnare, iar întregul proces s-a dovedit atât de complex încât a fost creată o echipa de cercetare special pentru a-l perfecționa (numită SNAP Shield Development Unit).

 

Fin

Aici vom încheia discuția despre SNAP-2, și , de dată viitoare, vom începe de discutăm despre SNAP-10, seria care a dat singurul reactor american care a și zburat în spațiu. Până atunci, să ne auzim cu bine!

 

Până data viitoare, vă salut!
 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
Sursa principala este The U.S. Department of Energy’s Office of Scientific and Technical Information.

1. https://www.osti.gov/servlets/purl/4166808
2. ROTATIONAL SPEED CONTROL, Dauterman et al 1962 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4065680
3. CRU DESIGN AND DEVELOPMENT 1962 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4709935
4. Transient Thermal Start-up Analysis for CRU-V 1963 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4648932
5. Parasitic Radial Magnetic Forces in the CRU-V Alternator 1963 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4659314
6. SNAP MERCURY RANKINE PROGRAM SNAP 2 STRUCTURAL EVALUATION PROTOTYPE SYSTEM (PSM-2) 1964 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4683532
7. High Power CRU Scaling Analysis and Pre-Conceptual Designs 1964 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4647201
8. CRU V DESIGN AND DEVELOPMENT 1967 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4720495
9. PRELIMINARY STUDY OF THE LIQUID METAL LOOP AND TEST RIG FOR PHASE II OF THE INVESTIGATION OF LXQUIP METAL LUBRICATED BEARINGS AND ROTOR-BEARING DYNAMICS 1965 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4600110

Materials Design and Development
10. BEARING DESIGN & DEVELOPMENT, 1960 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4063342
11. TURBINE DESIGN AND TESTING 1960 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4178248
12. MERCURY MATERIALS EVALUATION AND SELECTION FY-1962 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4463091
13. MERCURY MATERIALS EVALUATION AND SELECTION FY-1963 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4457277
14. Mercury Pump Degradation, 1963 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4648930
15. CORROSION PRODUCTS IN THE SNAP 2/MRPCP CRU V TEST SYSTEM , 1967 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4506588
16. MERCURY BOILING RESEARCH 1962 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4733677
17. Spiral Boiler Evaluation, 1962 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4747775
18. BOILER CONDITIONING PHASE I RESULTS, 1966 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4523196
19. MERCURY BOILER DEVELOPMENT ON THE SNAP 2/MRPC PROGRAM Ziobro et al 1968 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4510637
20. BOMPUP – SNAP 2 Thermoelectric Boiling Mercury Pump Model, 1965 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4446506
21. MERCURY CONDENSING EXPERIMENTS 1964 https://www.osti.gov/servlets/purl/4014817

DEVELOPMENT OF LIQUID-MERCURY-LUBRICATED BEARINGS
22. VOLUME I ANALYTICAL DESIGN APPROACH AND STATUS OF BEARING SYSTEMS (WITH APPENDIXES) – https://www.osti.gov/servlets/purl/4482772
23. VOLUME II PLAIN BEARING EXPERIMENTAL RESULTS – https://www.osti.gov/servlets/purl/4475183
24. VOLUME III TILTING-PAD BEARING EXPERIMENTAL RESULTS – https://www.osti.gov/servlets/purl/4647320
25. VOLUME IV THREE-SECTOR BEARING EXPERIMENTAL RESULTS, 1966 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4583209
26. VOLUME V THREE-PAD BEARING EXPERIMENTAL RESULTS – https://www.osti.gov/servlets/purl/4626154
27. VOLUME VI SPIRAL-GROOVE THRUST BEARING EXPERIMENTAL RESULTS – https://www.osti.gov/servlets/purl/4649046
28. SNAP-2, FY 1963, CRU-IVM TEST HISTORY, 1963 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4626083
29. SNAP SYSTEMS IMPROVEMENT PROGRAM MERCURY RANKINE PROGRAM APRIL – JUNE 1964 – https://www.osti.gov/servlets/purl/4471035
30. FINAL SUMMARY REPORT – SNAP 2/MERCURY RANKINE PROGRAM REVIEW VOLUME 1 Wallerstedt et al 1967 SNAP 2 MERCURY RANKINE PROGRAM REVIEW. VOLUME I. Final Summary Report. (Technical Report) | OSTI.GOV
31. SNAP 2 MERCURY RANKINE PROGRAM REVIEW. VOLUME I. Final Summary Report.