Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 2)

Pasarea si elefantul

In aceasta etapa, urmau a se realiza o serie de teste pentru componente structurale, asupra carora vom reveni. Din multitudinea de idei si posibile cai de inaintare, in 1955, se distilasera doua designuri posibile, care urmau sa fie analizate: KIWI (denumit dupa pasarea nezburatoare, amintind de faptul ca acest reactor nu urma sa zboare ci sa fie un articol de teste) si DUMBO.

KIWI era, in esenta, cel mai simplist dintre modelele studiate. Designul propunea un sistem foarte similar unui motor chimic, folosind o turbopompa pentru a transporta hidrogen dintr-un rezervor intr-un miez nuclear. In esenta, elementele de design de mai sus sunt cele care au fost stailite pentru KIWI, si care vor deveni valori de referinta in literatura ulterioara:

• uraniu cu un grad de imbogatire de 95 la suta (desi cifra exacta nu este cunoscuta, in mod cert era mai mare de 90)
• hidrogen ca si masa de reactie
• combustibil sub forma a unor capsule de oxid de uraniu, cu strat de pyrocarbon, incastrate intr-o matrice de grafit
• flux axial, de la un capat al reactorului la altul
• control prin intermediul unor tamburi fatetati

DUMBO, poreclit si „reactorul pierdut”, era un al doilea design de motor nuclear. In mare parte, sistemele de control erau aceleasi (tamburi), insa existau doua diferente majore fata de KIWI:

• elementele de combustibil constau tot din particule de oxid de uraniu, insa materialul in care erau incastrate era un metal, nu grafit ca la KIWI. Desi in documentele oficiale ale vremii, termenul folosit era „combustibil metalic”, termenul modern ar fi CERMET, sau compozit de ceramica si metal. Conceptul era avantgardist, dar dificil de pus in practica (lipsa grafitului facea ca proprietatile de moderare sa fie mult diminuate)
  traseul urmat de fluxul de hidrogen era diferit. Unde la reactorul KIWI hidrogenul intra in partea superioara si traversa miezul de sus in jos in linie dreapta, la DUMBO, fluxul intra de sus in zona centrala, era distribuit radial, curgea in jos, apoi se intorcea in cavitatea centrala la baza, unde era expulzat.

O diagrama a design-ului DUMBO propus in 1955 (scuzati calitatea execrabila, multe din documentele respective nu s-au pastrat bine)

In esenta,conceptul DUMBO propus in 1955 era primul design serios al unui motor nucleo-termic cu flux radial. Pe hartie, oferea o serie de avantaje in fata KIWI: traseul mai lung al hidrogenului permitea o incalzire mai graduala, permitand utilizarea unor temperaturi mai inalte si conferind motorului uniformitate termica.

De asemenea, motorul promitea sa fie mai usor pentru o putere data, iar regimul de testari mai putin migalos si scurt (pentru ca DUMBO era mai apropiat de varianta de zbor finala decat KIWI, si pentru ca elementele puteau fi testate separat).

Fluxul hidrogenului dicta o buna parte din felul in care miezul era construit: fiecare miez era compus dintr-o serie de placi si distantiere, unele cu rol structural, unele continand canale pentru hidrogen, si unele pe post de moderator. Acestea erau asezate in forma cilindrica.

Masa de reactie era introdusa prin reflectorul de beriliu, in cavitatea centrala a elementelor de combustibil, pe care apoi le traversa radial, iesind pe perimetrul cilindrului. Apoi, era directionat in jos, catre zona de colectare si evacuat.

De asemenea, datorita aranjamentului acelor placi si distantiere, un subansamblu vertical putea fi testat separat, la un nivel de putere modest de numai 1.2 kw, pentru verificarea comportamentului termic al materialului.

O diagrama simplificata ilustrand dispunerea canalelor de hidrogen si a elementelor de combustibil

O alta provocare a fost faptul ca modelarea fluxului de hidrogen s-a dovedit a fi problematica. La schimbari de directie, pot aparea zone fierbinti, de stagnare, sau zone reci. Acestea prezinta probleme din punct de vedere material (pentru ca, la temperaturi diferite, zonele pot suferi expansiune termica diferita, punand multa presiune pe componente). Mai mult, pentru ca sectiunea transversala de interactiune neutronica a hidrogenului se schimba in functie de temperatura („Doppler broadening” pt interesati), putea afecta si regimul neutronic.

Din acest motiv, s-a luat decizia ca schimbatorul de caldura sa foloseasca un flux laminar. Cu alte cuvinte, toate moleculele de hidrogen sa se deplaseze in acelasi ritm si directie. Desi un flux laminar este mai putin eficient la transferat caldura per distanta decat un flux turbulent, faptul ca moleculele care ies prin ajutaj sunt mai bine colimate face ca impulsul sa fie transmis mai eficient.

Utilizarea unui flux laminar facea ca si calculele de dinamica fluidelor sa fie mai simple, fluxul turbulent necesitand ecuatii de teoria complexitatii, care nu existau la acel moment.

Mentinerea, insa, a acestui flux laminar, era marea provocare. Chiar si decenii mai tarziu, multi se indoiau de stabilitatea fluxului.

DUMBO urma sa foloseasca un numar mare de orificii realizate in elementele de combustibil pentru a permite o suprafata de contact (cu masa de reactie) mai mare.

Comparativ, KIWI era mai rudimentar, dar si mai putin riscant tehnic. Cele doua concepte s-au infruntat vreme de 4 ani, pana in 1959, cand programul DUMBO a fost anulat iar toate resursele au fost alocate pentru KIWI.

Motivul anularii a fost ca avantajele de greutate si marime nu se materializasera (din raport, reiese ca nevoia folosirii unui moderator exterior suplimentar anula avantajele fluxului radial). De asemenea, materialele folosite erau mult mai exotice si putin caracterizate in regim neutronic, iar precizia necesara era mult mai ridicata.

A cantarit greu in aceasta decizie si mai-sus amintitele probleme legate de fluxul laminar. In lipsa unei caracterizari precise a miscarii hidrogenului, exista posiblitatea ca motorul sa nu functioneze la parametrii doriti odata construit. Asta insemna ca el va trebui reconstruit dupa fiecare test cu modificari infime, pana se atingeau acei parametrii. O abordare similara cu instabilitatile de combustie de la motorul F-1 de pe Saturn V, doar ca acesta era INTENS radioactiv si trebuia asamblat de la distanta cu brate robotice.Mult prea riscant, costisitor si lent (dat fiind ca, intre timp, incepuse cursa spatiala, iar americanii erau in urma).

Trebuie sa mentionam ca, desi conceptul unui motor cu flux radial a fost respins, el nu a fost uitat. Dupa cum vom vedea. unele motoare au imprumutat o parte din conceptele sale, iar ideea este periodic reinviata (o data la inceputul anilor 90, si o data in prezent, prin actualul contract cu BWXT)

The winner

A se observa ca, spre deosebire de varianta finala, articolul de teste includea si tije de control pentru… eventualitati neprevazute. Zona centrala goala continea si apa grea pentru control fin de moderatie si de temperatura.
 

Schimbari politice

O data decisa arhitectura motorului, putea fi demarat programul de testari, insa trebuie sa mentionam ca din 1955, cand au inceput studiile, si pana in 1960, cand s-a pornit realizarea prototipurilor, avusesera loc niste schimbari administrative.

Dupa cum am mentionat, initial motorul trebuia sa fie ultima treapta a unei rachete balistice intercontinentale. Motivul era ca, la acel moment, era inca nesigura ideea ca un motor chimic ar fi capabil sa reuseasca livrarea unui focos nuclear la asemenea distante. Stiinta rachetelor era inca tanara,focoasele inca mari si grele, iar sistemele de livrare per ansamblu, ca si arme, nu erau inca dovedite (conta si faptul ca principalul vector nuclear la acel moment erau bombardierele, iar USAF nu-si dorea sa piarda suprematia bugetara astfel obtinuta).

Astfel, Proiectul Rover s-a aflat initial sub egida Fortelor Aeriene. Acestea, insa, nu s-au bazat doar pe tehnologia extrema a Rover, ci aveau pornita contomitent si un proiect de realizare a unei rachete balistice cu propulsie conventionala. Aceasta avea sa se concretizeze mai tarziu prin SM-65 Atlas.

In 1957, deja devenise evident ca Atlas isi putea atinge parametrii operationali fara a fi nevoita sa utilizeze un miez nuclear. Asta, pentru conducerea militara proiectului, insemna ca Rover isi pierdea validitatea ca si sistem militar. Iar un proiect de cercetare fara un scop este, in cele mai multe cazuri, rapid abandonat.

Motivul pentru care abandonul a fost amanat pana atunci de mai multe ori a tinut de sprijinul de care savantii proiectului se bucurau din partea Agentiei pentru Energie Atomica a SUA. Mentionam aici rolul Senatorului de New Mexico, Clinton. Anderson, un apropiat al lui Ulam, Bradbury, si von Neumann, care ocupa un rol in AEC (Agentia de Energie Atomica) si prin a carui influenta s-a asigurat o continuare a finantarii.

In treacat, trebuie sa mai spunem ca desi scopurile militare ale propulsiei cu rachete in general erau sub scrutinul autoritatilor, calatoriile spatiale cu echipaj uman nu erau deloc privite ca fiind prioritare. Faimosul Werner von Braum fusese nevoit sa incerce sa popularizeze viziunea sa catre poporul american, cu ajutorul lui Walt Disney, tocmai pentru ca fondurile care ii fusesera puse la dispozitie amenintau sa dispara odata cu operationalizarea Atlas. La urma urmei, specialistii americani erau aproape de a invata cum sa realizeze ICBM-uri singuri, iar deplasarea oamenilor erau un considerent secundar.

Unul dintre punctele cheie ale proiectului a fost propunerea pe 2 octombrie 1957 de taiere a bugetului proiectului. Nu a apucat sa existe o dezbatere serioasa asupra propunerii, fiindca, trei zile mai tarziu, URSS a lansat Sputnik-1.

A spune ca administratia americana era socata era putin spus. Subestimand vreme de ani de zile capacitatea industriala si de centralizare a resurselor Uniunii Sovietice, s-au pomenit in inferioritate tehnologica. Aparent, rusii nu erau doar secretosi, ci ascundeau multe surprize neplacute. Se dadea astfel startul Cursei Spatiale, iar propulsia astronucleara urma sa joace un rol important.

Desi propunerea initiala a senatorului Anderson era de a pune programele de propulsie nucleara sub egida AEC, presedintele Eisenhower a decis creearea unei noi agentii de stat, al carei singur scop era explorarea spatiala. Aceasta noua agentie s-a denumit NASA, si era o organizatie civila sub condnucerea administrativa a lui Hugh Dryden, directorul fostei agentii NACA, nou-inglobata in NASA.

Cercetarile au fost astfel restructurate si sarcinile reimpartite intre diviziile celor doua laboratoare. Livermore a primit proiectul de cercetare a propulsiei atmosferice nucleare (in esenta, un motor ce folosea aer supraincalzit similar unui motor cu reactie aviatic), proiect denumit oficial Proiectul Pluto. Acest proiect urma sa ramana sub egida USAF.

In schimb proiectul pentru propulsia spatiala nucleo-termica a revenit echipei de la Los Alamos, sub directoratul Lt. Col. Harold R. Schmidt. Acesta primi denumirea de Proiectul Rover, si urma sa fie o colaborare intre NASA si AEC. Predarea oficiala a proiectului s-a facut pe 20 August 1958, dupa o intalnire a Secretarului Apararii Donald A. Quarles cu T. Keith Glennan si Hugh Dryden. Trebuie spus ca, in acel moment, USAF se bucura ca scapa de un proiect care ar fi trebuit bugetat in continuare (multumita sprijinului primit de la AEC) fara a avea un scop militar bine stabilit. Proiectul Pluto nu a avut acelasi noroc.

In fine, inainte de a continua, daca doriti sa va ilustrez cat de important devenise brusc acest program, va amintesc de discursul lui Kennedy in fata camerelor reunite ale Congresului in 1961:
 

First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the moon and returning him safely to the Earth.

[…]

Secondly, an additional 23 million dollars, together with 7 million dollars already available, will accelerate development of the Rover nuclear rocket. This gives promise of some day providing a means for even more exciting and ambitious exploration of space, perhaps beyond the moon, perhaps to the very end of the solar system itself.

 

(in spate, probabil, baietii de la Los Alamos lasau microfonul sa cada….)
 

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 )