Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 1)

Lumea in acel moment

Anul este 1955. Traim in zorii erei tehnologice care avea sa nasca cursa spatiala, programul Apollo, racheta Saturn V si Skylab. Este o era a competitiei intre superputeri: pe de o parte avem SUA, liderul lumii vestice, care multumita bugetelor sale mari si a fortei de munca intens motivate, bifa realizare tehnica dupa realizare tehnica. Pe de o parte, aceste succese erau umbrite de catre frica fata de URSS, privita ca fiind un colos ostil si secretos, capabil sa infiltreze orice institutie si sa fure orice secret (dupa cum de altfel si reusisera, detonand prima arma nucleara in 1949, folosind tehnologii furate din laboratoarele americane).O hoarda ideologica semi-imposibil de stavilit.

Tot acum este si inceputul erei atomice, in care puterea colosala a atomului se spera ca va oferi energie „prea ieftina pentru a fi contorizata”, dupa ce, deja, permisese explorarea maritima cum nu se mai realizase in istorie (constructia USS Nautilus, lansat la apa in 1958). Simultan, oferea in premiera omenirii capacitatea de simti frica permanenta a razboiului rece. Orice oras putea fi topit in foc nculear, iar sfarsitul lumii devenea un concept tangibil.

Este evident ca in acest climat de mari realizari tehnice, paranoia militara si testosteron politic, bugetele disponibile institutelor de cercetare si agentiilor aeronautice erau mai mari ca niciodata. Pentru prima oara in istorie, tehnologia era pe agenda politicului de peste tot in lume, si cine detinea avantajul tehnic urma sa aibe si avantajul geopolitic. Ca atare, experimentele erau de scara mare, prototipurile se construiau in ritm rapid (o strategie ce avea sa fie codificata decenii mai tarziu de catre industriasii din Silicon Valley, sub numele de „rapid prototyping” si „fast iteration”), iar nevoia de avans iute punea pe locul doi consideratii morale sau de siguranta.

In domeniul nuclear era o era a „oamenilor de otel si reactoarelor de lemn”. Fermi-1 producea in premiera energie nucleara, reactoarele omogene cu solutie de aqua-uranita produceau primii izotopi folositi contra cancerului si pentru sterilizarea mancarii, iar oamenii incepeau sa viseze la spatiul cosmic (nu imtamplator primul film SF modern, „Planeta Interzisa”, a fost lansat in 1956).

Intalnirea dintre programul spatial si cel nuclear nu a fost nici ea intamplatoare. In anii 50, inainte de infiintarea NASA, ambele tineau de domeniul militar, si multi dintre specialistii in domeniul (adesea legati de contracte de confidentialitate dure) au fost fascinati de potentialul pentru explorare cosmica. Iar pentru asta, au tras sforile politicienilor si generalilor, promitandu-le mari avantaje tehnologice.

Din punctul de vedere al multor specialisti nucleari, insa, programul spatial oferea o forma de „mantuire” pentru munca lor de creare a armelor atomice. Pe ideea ca „am distrus, dar vom si oferi”. Iar Rover urma sa fie acest prim efort, impulsionat de enormele energii organizationale puse la dispozitia sa.

Inainte de toate, trebuia stabilita forma pe care viitorul mijloc de propulsie avea sa-l aibe. Daca pentru Orion (studiu de cercetare care se desfasura contomitent) forma era esentialmente de neschimbat in variantele sale, rachetele nucleo-termice puteau avea multe configuratii. Multe idei au fost incercate si in final respinse, aprobate sau, dupa cum vom vedea, tragic neterminate.
 

Design preliminar

In primul rand, trebuia stabilita ce substanta urma sa fie folosita pe post de masa de reactie. Majoritatea rachetelor chimice in acel moment foloseau motoare cu RP-1 si LOX. Produsul arderii lor era o serie de carburi cu masa moleculara mare, si impuls specific de ordinul a 250 sec.

In schimb, la motoarele nucleo-termice, principalul candidat de la bun inceput era hidrogenul lichid. Acesta, gratie masei moleculare reduse, promitea impulsuri specifice si viteze de evacuare mult mai ridicate decat un motor conventional (2500 m/sec vs 9000 m/sec). Designurile propuneau un sistem foarte similar unui motor chimic, folosind o turbopompa pentru a transporta hidrogen dintr-un rezervor intr-un miez nuclear. Acolo, el se va incalzi subit (de la lichid la peste 2000 grade Celsius, viteza de evacuare depinzand de temperatura fluidului evacuat), marindu-si volumul. Acest gaz in expansiune violenta era apoi evacuat printr-un ajutaj standard de racheta.

Suna bine, in practica s-a dovedit a fi ceva mai dificil. In primul rand trebuia stabilita o modalitate de a controla reactia nucleara. Apoi, acel hidrogen trebuia sa fie stocat, iar singura metoda pentru asta era de a-l lichefia la o temperatura de -253 grade Celsius. Astazi nu pare atat de dificil (desi, daca intrebi specialistii, vei constata ca nu e deloc o procedura de rutina), se face tot timpul pentru rachetele spatiale moderne, insa, in acei ani timpurii, astfel de temperaturi si materialele necesare pentru ele erau inca o necunoscuta.

Din acest motiv, desi hidrogenul oferea cele mai ridicate performante, echipa de cercetare de la Los Alamos a luat in considerare si alte substante, precum metan si amoniac. Insa metanul s-a dovedit a fi problematic pentru ca la temperaturile la care opera motorul, molecula de CH4 se disocia spontan. Asta lasa reziduuri de carbon pe instalatia de tevi care traversa motorul, infundandu-le si, mai rau, marind cantitatea de material radioactiv care era deversat prin ajutaj (carbonul suferea activare neutronica, transformandu-se el insusi in izotopi radioactivi dupa cum am mentionat in articole anterioare). De asemenea, carbonul depus impiedica contactul direct intre fluxul de metan si interiorul fierbinte al miezului, miscorand considerabil caldura absorbita de catre masa de reactie. Aceste depuneri de carbon (radioactiv) de pe peretii tevilor miezului (EXTREM de radioactiv si el) erau de asemenea extrem de greu de indepartat.

Amoniacul era mult mai ieftin si usor de obtinut, insa masa sa moleculara mare reducea considerabil viteza de evacuare, iar la temperaturile operationale s-a dovedit a fi chiar mai coroziv si decat hidrogenul. In plus, era o potenta otrava neutronica, dezechilibrand dramatic functionarea reactorului.

Ca atare, dupa o serie de experimente de iradiere la scara mica, hidrogenul a fost masa de reactie castigatoare, si o serie de instalatii de productie au fost construite la fata locului pe poligonul de testare de la Jackass Flats unde aveau sa se desfasoare testele.

Combustibilul optim trebuia si el determinat. Materialele fisionabile luate in calcul au fost Pu-239, U-235 si U-233.

Plutoniul a fost repede eliminat fiindca aliajele metalice si compusii pe care le alcatuia nu erau stabile la temperaturile de operare necesare.

U-233 a fost un candidat foarte serios, in schimb. Era mai usor, avea o probabilitate de fisiune mai ridicata si producea mai multi neutroni per fisiune (facand reactia mai usor de initiat). Insa, productia sa era total artificiala, el neexistand in natura. Pentru a-l produce, se bombardeaza thorium-232 cu radiatie neutronica. Thoriul absoarbe neutronul, se transforma in Th-233, care avand o durata de injumatatire de 22 minute, se transforma rapid in protactiniu-233. Protactiniul-233 la randul sau are o durata de injumtatire de 27 de zile, si devine U-233.

Acest lung lant de descompunere necesita practic iradierea thoriului in facilitati specializate (similare cu cele folosite pentru productia de plutoniu utilizat in arme atomice), urmata de izolarea sa. Ca atare, desi avea mari avantaje odata obtinut, era extrem de scump, necesitand investitii masive in infrastructura nucleara.

De asemenea, reactii nucleare parazite duceau la contaminarea sa cu U-232, al carui lant de descompunere continea Tl-206, unul dintre cei mai potenti emitatori gamma cunoscuti. Inevitabil, orice mostra de U-233 era contaminata de U-232, care, in timp, pe masura ce se descompunea de-a lungul lantului, emitea radiatii gamma extrem de energice, care faceau imposibila folosirea manusilor blindate si a compartimentelor transparente. Practic motorul ar fi trebuit asamblat de la distanta, folosind brate mecanice. Tehnologic era prea dificil. Ca atare, intr-un final, s-a luat decizia sa se foloseasca U-235.

Acest uraniu era de inalta imbogatire, cu un procent de 95 la suta U-235. Era practic material de bomba atomica, similar cu reactoarele navale. Acest lucru permitea rachetei sa functioneze timp indelungat pana cand reactia nucleara era inabusita de otravurile neutronice care se acumulau in miez. Dar imbogatirea prezenta probleme politice si era foarte costisitoare. Chiar si asa, materialul era bine caracterizat (multumita cercetarilor navale) si riscurile de dezvoltare erau reduse.

Acum trebuia stabilit materialul structural principal al motorului. Alegerea era intre grafit si metale. Dintre metale, tungstenul era principalul, multumita proprietatilor sale termorezistente excelente. Era insa dificil de fabricat, scump si actiona precum o otrava neutronica, absorbind neutroni. Din acesta cauza, s-a dorit folosirea unui anumit izotop de tungsten, W-184, care nu absoarbe neutroni. Intr-un final, insa, dat fiind ca era un simplu prototip, s-a decis folosirea grafitului, care rezista mai bine la temperaturi inalte, era bine caracterizat neutronic, si era mai ieftin de procurat.

Controlul reactiei se realiza prin doua mecanisme, unul pasiv si unul activ.

Cel activ folosea o serie de tamburi dispusi circular in jurul miezului atomic. Acestia erau acoperiti cu un strat de grafit sau beriliu (moderator, care mareste energia emisa de reactor) pe o parte, si bor (otrava neutronica, ce inabusa reactia) pe cealalta parte. Acesti tamburi prezentau o problema, fiindca dilatarea termica putea afecta mecanismul de rotire, si acesta era unul dintre aspectele care urmau a fi studiate.

Structura si dispunerea manunchiurilor de combustibil nuclear, exemplificate in reactorul KIWI

Acest sistem era deci substantial diferit de cel folosit pentru reactoare nucleare conventionale (care foloseau insertia si extractia de tije).

In practica, pentru ca hidrogenul (adica masa de reactie) avea el insusi efect de moderator, puterea putea fi controlata din fluxul de combustibil. Mai mult hidrogen insemna moderare marita, prin urmare mai multa energie emisa, si deci tractiune marita. Asadar, motorul avea o tendinta puternica de autoechilibrare in fata cerintelor de tractiune necesare. Acesta aspect a fost relevat in timpul testelor care au urmat in anii 60, si a facut ca proiectarea motorului sa fie mult usurata. Cu alte cuvinte, dependenta de tamburii care se puteau defecta de la temperatura, presiune si vibratii era mult redus. Acesta constituiau mecanismul pasiv de control.

Combustibilul era sub forma unei matrici de grafit care incorpora capsule de carbura de uraniu sau, pentru anumite designuri timpurii, oxid de uraniu. Respectivele capsule aveau un invelis protector de carbon pirolitic cristalin (asa numitul pyrocarbon).

Ansamblul de combustibil era aranjat in tipare hexagonale dupa cum urmeaza:

Dispunere combustibil

In final, in anul 1955, s-a stabilit ca motorul sa aiba o putere de 1500 MWt in designul de referinta, care a fost apoi revizuita catre 2700 MWt, urmand a fi folosit ca treapta finala in designul unei rachete intercontinentale balistice.
 

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 )