Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 4)

Seria KIWI

Prima faza a proiectului Rover s-a denumit KIWI, motoarele in sine fiind parte dintr-o serie care incepea cu numele etapei si apoi modelul exact al reactorului. Era denumit dupa pasarea nezburatoare, deoarece nu era menit a fi folosit intr-un zbor, ci de a verifica ipotezele referitoare la operatiunea unui astfel de motor, testarea materialelor, regimul de control si, in general, fezabilitatea tehnologica a construtirii unui astfel de motor. De asemenea, se spare ca va fi dobandita o experienta operationala bogata in domeniul hidrogenului lichid. Seria KIWI a constat din 8 motoare, construite si testate intr 1959 si 1964.
 

KIWI A

A fost primul motor din seria KIWI, si a fost testat pe 1 Iulie 1959. Articolul era de forma cilindrica, inalt de 132.7 cm si cu un diametru de 83.8 cm. Primii 5 ani din programul Rover au fost dedicati acestui design, pentru ca a intampinat multiple probleme majore care au necesitat reproiectari de amploare.

Cosntruit la Los alamos, era proiectat sa produca o putere termica de 100 MW (foarte modest comparativ cu design-uri ulterioare, dar necesar din motive de siguranta). Avea o cavitate interioara ce continea apa grea pentru a permite un efect de moderare (reducand cantitatea de material fisionabil necesara) si racire. Tijele de control erau situate in aceasta cavitate centrala, care era inconjurata de 960 de placute cu combustibil incarcate cu particule de oxid de uraniu cu un diametru de 4 micrometrii, aranjate in 4 straturi. Urma un strat exterior alcatuit din 240 de placi de grafit pur. Miezul era inconjurat cu un strat moderator suplimentar, constand din fibra de grafit, si tot ansamblul era incapsulat intr-o vas de aluminiu. A fost singurul motor ce a folosit elemente de combustibil sub forma de placi. Mai mult, a fost singurul test ce a folosit elemente de combustibil neprotejate impotriva efectului hidrogenului coroziv.

Duza de evacuare era de tip convergent-divergenta si era fabricata de Rocketdyne. Realizata din otel nichelat, era cu perete dublu si racita cu apa. Fluxul trebuia sa fie in regim sonic (sau transonic in terminologie moderna) in zona gatului.Masa de reactie era hidrogen gazos.

Puterea atinsa in timpul testului a fost de 70 MW, cu un debit de 3.2 kg/sec. Desi motorul a functionat vreme de 5 minute, a intampinat probleme care i-au fost fatale. Elementele de combustibil erau proiectate avand in vedere o temperatura de topire de 2683 K. In schimb, in timpul testului, au fost atinse temperaturi de 2900 K. Aceasta s-au datorat unui capac de grafit care inchidea incinta cu apa grea la un capat, menit a asigura inchidierea ermetica si a fixa pozitia fibrelor de grafit.

In timpul testului, acest capac s-a fragmentat violent, patrunzand in motor, ca mai apoi fragmentele sale sa fie expulzate cu putere prin evacuare. Odata cu ele, fibrele de grafit din jurul incintei au patruns si ele in orificiul motorului, fiind apoi la randul lor, expulzate cu violenta. Ca atare, o parte din hidrogen s-a scurs din zona de productie a puterii. In acelasi timp, temperaturile inalte, socurile si fluxul coroziv de hidrogen au afectat puternic elementele de combusitibl. Cu alte cuvinte, motorul si-a „sughitat” o parte din componente.

Diagrame ilustrand pozitionarea componentelor interioare si cursul fluxului de hidrogen prin miez (se remarca pozitia fibrelor de grafit si a capacului de retentie aventuros)

In ciuda accidentului neprevazut, experimentul a demonstrat fezabilitatea folosirii unui reactor nuclear de inalta temperatura racit cu gaze pentru propulsie nucleara. De asemenea, analiza post-mortem a oferit informatii importante referitoare la elementele de combustibil si dispunerea lor.
 

KIWI A’

KIWI A’ (A-Prime) a fost al doilea motor din seria KIWI A si a constat dintr-o varianta puternic modificata a prototipului anterior. Scopul propus era de a atinge pragul anterior nerealizat, de 100 MWth, o mentinere a acestuia pentru aproximativ 5 minute si o temperatura la evacuare de 2206 K, mentinuta prin ajustarea debitului prin motor. De asemenea, au fost propuse 4 obiective secundare:

• investigarea integritatii structurale a motorului in conditiile de operare normale
• masurarea efectelor de coroziune asupra elementelor de combustibil si a moderatorului
• stabilirea prin masuratori indirecte a coeficientului de temperatura a reactivitatii miezului
• investigarea efectului pe care schimbari bruste de debit si putere il pot avea asupra operarii miezului

Spre deosebire de prototipul anterior, elementele de combustibil erau invelite intr-un strat de carbura de niobiu (NbC), creeate prin depunere chimica de vapori. O alta diferenta era ca in locul unor placi, elementele erau cilindrii extrudati cu patru canale de racire. Cilindrii erau segmentati in bucati de lungime scurta. Aceste bucati erau combinate cu un strat exterior de grafit pentru a creea un ansamblu modular.6 cilindrii incapeau intr-un astfel de manunchi de grafit. Fiecare element de combustibil astfel creeat era lung de 137 cm. In interior, ansamblul alimentat era lung de 129.5 cm si cu un diametru de 1.9 cm.

In teste, prima incercare de aprindere a fost intrerupta prematur. Incidentul s-a datorat unui dezacord intre masuratorile a doua instrumente. Rezultatul a fost un SCRAM (oprire dura) automat.

Al doilea test a avut ca rezultat tot o intrerupere brusca. De data asta, sistemul de aprindere a hidrogenului evacuat, gandit sa arda hidrogenul (potential contaminat) pentru a preveni raspandirea lui pe o arie mare, nu s-a aprins datorita unei probleme la alimentarea cu metan.

Testul final a avut ca rezultat o aprindere cu succes, motorul atingand o putere de 88 MWth. Acest nivel a fost mentinut vreme de 307 secunde, cu o temperatura medie la evacuare de 2178 K. Insa, cu 36 de secunde inainte de sfarsitul testului,s-a manifestat o perturbatie puternica. La acel moment, puterea masurata a scazut la 18.4 MWth si si-a revenit in doua secunde. Perturbatia a fost cauzata de pierderea unui segment de modul de combustibil (!), impreuna cu invelisul de grafit al modulului (!!). Observatorii au observat acest fenomen sub forma unei ploi de fragmente incandescente iesite din evacuare. Catre sfarsitul testului, inca doua perturbatii de putere s-au materializat, fiecare rezultand din pierderea unui element de combustibil.

Diagrama prezentand structura interna a unui element de combustibil

Structura interna si constructia miezului reactorului

 

KIWI A3

Acesta a fost ultimul model din seria KIWI A, si a fost proiectat pentru a testa performantele (altminteri marginale) ale miezului modular al reactoarelor precedente.Obiectivul era de a opera ansamblul la o putere de 92 MWth vreme de 250 secunde, si o temperatura de 2173 K, controlata prin varierea debitului. Obiectivele secundare erau:

• analizarea integritatii structurale in conditiile de operare normale
• determinarea efectelor fluxului asupra elementelor de combustibil noi
• determinarea coeficientului reactiv de temperatura a miezului

Dupa cum am mentionat, elementele de combustibil nu mai erau placat cu depunere prin vapori, ci prin electrodepunere metalica de niobiu care era apoi carburizat chimic. Pe langa asta, elementele de combustibil erau mult mai riguros testate inainte de a fi instalate, pentru a preintampina aparitia unor incidente. Lungimea elemetelor de combustibil era de 68.58 cm, si erau monolitice (inlocuind modulele din trei amsamble mici, de 22.86 cm, folosite anterior). In felul acesta se simplifica constructia iar ansamblul promitea sa fie mai robust.

Testul motorului a avut loc pe 19 Octombrie 1960, si trebuia sa atinga puterea de 50 MWth, care urma sa fie mentinuta vreme de 106 secunde. Scopul era calibrarea instrumentelor de masura si pre-testarea componentelor. Puterea urma sa fie crescuta la 92 MWth si mentinerea acestei puteri vreme de 250 secunde, cu o temperatura de evacuare de 2173 K.

In timpul testului, insa, au avut loc o serie de devieri de la plan. Cand puterea a atins 50 MWth, temperatura de evacuare era de 1611 K si in crestere, desi debitul era mentinut constant la valoarea de 2.27 kg/sec (desi analizele ulterioare au aratat ca debitul real era de 2.36 kg/sec). 30 de secunde mai tarziu, temperatura de evacuare a atins 1861 K, mult mai mare decat nivelul specificat de 1528 K.

Motivul pentru aceasta discrepanta era ca debitul REAL era cu 7.8% mai mic decat cel specificat (2.56 kg/sec). Asadar fiecare gram de combustibil era fortat sa absoarba mai multa caldura. De asemenea, puterea masurata prin indicatorul neutronic era cu 15% mai mica decat puterea reala determinata dupa test (ne reamintim ca nu doar motoarele erua experimentale, ci si instrumentele).Temperatura era asadar cu 22% mai mare. Ca atare, debitul a fost marit pana la limita maxima posibila de ajustare (10% din nivelul masurat, ceea ce insemna 2.45 kg/sec). Chiar si asa, temperatura nu a scazut, insa, semnificativ, ajungand la valoarea de 1833 K.

Dupa 159 de secunde de operare la jumatate de capacitate, puterea a fost marita la 90 MWth. Pentru a stabiliza temperatura de evacuare la valoarea de 2173 K, debitul a fost din nou marit la 3.81 kg/sec.

Pe durata operarii la acest prag de putere, reactorul a trecut printr-o serie de fluctuatii, cu o diferenta intre varfuri de 13 MWth. Desi cauza acestor oscilatii nu era aparenta, se pare ca de vina era un operator care interactiona cu o sonda de putere neutronica, ajustand pozitia tamburului de display folosind un potentiometru actionat manual.

In realitate, analizele ulterioare au aratat ca, de fapt, motorul a operat la o putere de 112.5 MWth pe parcursul celor 259 secunde. Desi puterea reactorului era, astfel, cu 22% mai mare decat trebuia, capacitatea suplimentara de racire a reusit sa compenseze surplusul.

In analiza post-mortem, s-a descoperit ca miezul suferise pagube structurale, indicand ca, in ciuda tuturor incercarilor de pana in acel moment, grafitul nu putea avea si functie structurala. Era prea fragil. Elementele de combustibil suferisera si ele fracturi, vezicare si coroziune, insa magnitudinea lor era mult inferioara celor suferite de prototipurile precedente.

La fel ca si pana atunci, fibrele de carbon aflate in miez si in dreptul reflectoarelor erau in conditie proasta, indicand ca inca erau scapari de hidrogen din canale.Cilindrul reflector a fost si el dezasamblat, si verificat pentru a vedea daca prezenta crapaturi, decolorari sau alte defecte. Acestea nu au fost descoperite, pagubele minore datorandu-se, probabil, manipularii lor in timpul dezasamblarii.

Per total, desi seria KIWI A a fost o lectie dura in proiectarea reactoarelor, multe invataminte au putut fi trase. Printre ele, era aceea ca reactorul trebuia sa contine elemente mult mai robuste decat era de asteptat, ca grafitul putea fi folosit in cantitati mult mai mici decat se considerase necesar pana atunci, si ca, per total, realizarea unor motoare nucleo-termice pentru rachete era fezabila.

Diagrama in sectiune a modelului KIWI-A3

 

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 )