Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 8)

PHOEBUS

PHOEBUS era numele dat celei de-a doua serii de reactoare din cadrul proiectului Rover. Pentru a sublinia rolul sau, trebuie sa mentionam ca Phoebus era o denumire alternativa pentru Apollo (dupa ce numele original planificat, Phoebe, a fost folosit pentru un alt program). Rolul Phoebus era, initial, de a obtine un motor care putea fi folosit pentru un vehicul orbital. Insa, din, nou, politica si managementul superior au intervenit.

Initial gandit in anii 60, motorul era rodul ideii de a folosi reactoare extrem de puternice ca si propulsie principala pentru o treapta finala al unui vehicul orbital. Oficiul pentru Propulsii Spatiale Nucleare a cerut, initial, un reactor capabil sa atinga puterea de 20,000 MWth. LASL s-a opus, insa, ideii, considerand ca, dat fiind nivelul inca rudimentar al tehnologiei, un astfel de proiect era extrem de riscant. Pur si simplu nu se stia cum ar functiona un asemenea reactor, si ce particularitati ar putea avea.

Aici trebuie sa amintim dificultatile avute cu propulsorul F-1 al Saturn: initial, programul sau de dezvoltare trebuia sa fie o simpla translatare a motoarelor deja existente la o scara mai mare. Insa, cand au fost realizate primele prototipuri, s-a descoperit problema legata de instabilitatile de combustie la motoare chimice cu camere de ardere mari. Catre inceputul anilor 60, problema asta era in curs de explorare, iar in 1963, acesta explorare deja costase zeci de prototipuri. Cercetatorii de la Los Alamos au indicat ca, daca un propulsor chimic putea suferi astfel de instabilitati cand era de scara mare, nu putea fi exclusa descoperirea unor „surprize” similare si la cele nucleare. Iar daca constructia si distrugerea a zeci de motoare chimice era posibila (extrem de scumpa, dar necesara) la cele nucleare nu se putea pune problema in felul asta.

In acelasi timp, o parte din componentele externe reactorului erau si ele problematice, cum ar fi turbopompa si duza de evacuare. Specialistii se temeau ca proiectarea si testarea lor separata va fi prea costisitoare. Ele practic urmau sa aibe acelasi regim de testari distructive, iar in cazul in care surveneau factori necunoscuti, intregul program putea fi amanat (si, dupa cum am mentionat in alte randuri, programele care functioneaza in gol sunt primele taiate, mai ales cu Apollo actionand ca si burete de fonduri).

Ca atare, LASL a argumentat pentru nevoia unui reactor intermediar ca putere intre KIWI si cel spatial. Nivelul vizat era de 5000 MWth. Cu ajutorul lui Anderson, au reusit sa primeasca aprobarea pentru acest proiect in 1963 (desi luptele politice au continuat in culise).

NOTA BENE: ei primisera aprobarea pentru un motor de de 5000 MW in aceeasi perioada in care KIWI exploda cu veselie. Asadar, proiectul beneficia de multa incredere…. dar si avea de nevoie de multa incredere.
Tot in acest timp functiona si NERVA, iar, dupa cum urmeza sa vedem, in final SNPO a realizat ca nevoie de propulsoare spatiale cu asemenea puteri masive nu exista. Odata ajuns in spatiu, nu conta puterea, ci viteza de evacuare. Dar chiar si asa, PHOEBUS a fost util pentru a raspunde la intrebarea „cat de mare si dificil poate fi un singur motor?”

De dragul brevitatii, nu ma voi apleca asupra construtiei fiecarui reactor in aceeasi masura ca la KIWI. Ele nu erau diferite, si foloseau practic aceleasi tehnici, doar o concentratie mai mare de uraniu si debite mai mari. Voi descrie, in schimb, rezultatele testelor pentru ca, cel putin in cazul primelor prototipuri ele au fost destul de spectaculoase (intr-un mod negativ).
 

PHOEBUS 1A

O continuare a seriei KIWI, reactoarele PHOEBUS erau reactoare racite cu gaz si moderate cu grafit gandite sa permita o crestere a impulsului specific si al densitatii de putere a miezului. Primul dintre ele, PHOEBUS 1A, a fost testat pe 25 Iunie 1965. Testul a constat dintr-un plafon intial de 565 MWth cu un debit de 26.8 kg/sec, mentinut 1 minut, apoi cresterea si operarea la puterea nominala de 1090 MWth, cu un debit de 31.4 kg/sec, vreme de 10.5 minute.

Comparativ cu KIWI, principala diferenta era dimensiunea mai mare a canalelor de racire (de la 2.54 mm la 2.79 mm). In rest elementele erau identice cu B4E: lungi de 132 cm, placate pe toata lungimea, cu 19 canale de racire si folosind carbura de uraniu. In total, continea 1534 de elemente cu 27 de incarcaturi de uraniu (la o asemenea densitate de putere, o diferenta de 1% putere intre doua elemente adiacente insemna zeci de kilowati, de aici si numarul mare de incarcaturi, fiecare rand circular avand practic valoarea sa).

Testul s-a soldat cu prima problema neprevazuta: cresterea densitatii de putere a avut un efect dramatic asupra nivelului de radiatie emisa in afara motorului. Ele nu fusesera niciodata blande, dar in acest caz, nivelul era suficient de mare cat sa avarieze instrumentele ce masurau debitul de hidrogen. Ca atare, ele ofereau informatii eronate despre nivelul hidrogenului ramas in rezervoarele de teste. Din acest motiv, testul nu a fost terminat la timp, iar rezervoarele s-au golit cat timp reactorul functiona la putere maxima. Lipsa fluxului de hidrogen a facut ca motorul sa sufere un varf de temperatura care a avariat o parte din componentele interioare. Rezultatul final a fost o deflagratie care a disipat aproximativ o cincime din miez.

Pagubele provocate de temperaturile inalte s-au limitat la zona centrala a miezului, si aproape in intregime la capatul fierbinte. Acolo, componentele erau „sudate” de un amestec ce parea a fi otel topit de pe elementele structurale. Totusi, s-a constatat ca sectorul placat cu NbC era neafectat, desi fusese supus la explozie, coroziune si temperaturi mult peste limita operationala.

PHOEBUS 1A a aratat ca operatiunea unor motoare de dimensiuni mari putea avea consecinte neprevazut. Drept urmare, din acel moment, s-a pus un accent si mai mare pe realizarea unor elemente de combustibil mai performante.
Experimentul controversat a reprezentat a doua cea mai mare contaminare a locatiei dupa KIWI-TNT si a provocat o intarziere de aproape doua luni. Decontaminarea s-a facut dupa ce zona fusese lasata sa se „racoreasca” vreme de 6 saptamani pentru a scapa de emissile fragmentelor de fisiune puternice. Apoi a fost curatat cu un grader si un aspirator industrial de 150 kw.

Initial s-au folosit roboti, insa cand acestia s-au dovedit a fi prea lenti, s-a apelat la personal uman in echipamente de protectie, care lucrau in ture, colectand fragmentele in containere placate cu plumb. Ce nu putea fi colectat folosind clesti era spalat, vopsit sau spart.

Pentru a preveni problemele legate de terminarea rezervelor de hidrogen care produsesera accidentul, au fost intreprinse o serie de imbunatatiri ale caror durata a fost de aproximativ un an, dandu-le inginerilor si ragazul pentru a-si imbunatati urmatorul model. Practic, la ferma de rezervoare a fost adaugat un rezervor criogenic suplimentar de 30280 litrii, de mare presiune (5171 kPa). El era menit a fi accesat ca si rezerva de urgenta in cazul in care rezervoarele principale se goleau inante de oprirea reactorului.

Deasupra: Reactorul PHOEBUS 1A pe standul de testari. Jos: sectiune printr-un element de combustibil

 

PHOEBUS 1B

Menit a fi o alta etapa intermediara catre reactorul de 5000 MWth, PHOEBUS 1B avea ca scop testarea rezitentei la sarcini termice a elementelor de combustibil in conditii de densitate a puterii similare. Totodata avea ca si scop testarea unui nou tip de invelis de protectie complementar celui de carbura de niobiu. Acesta folosea un aliaj de molibden pentru a reduce coroziunea in zona mediana, zona care se dovedise cea mai afectata.
De asemenea, durata de ardere a motorului trebuia sa fie mai lunga dintre toate cele testate pana atunci.

La fel ca mai inainte, folosea elemente de combustibil lungi de 132 cm, hexagonale si cu latimea canalelor de 2.54 cm. In total reactorul avea 1498 de astfel de elemente si era menit a atinge puterea de 1500 MWth.

Au avut loc doua teste, pentru a cerceta si efectul asupra capacitatii de restart. Primul a fost efectuat pe 10 Februarie 1967, operand la 588 MWth vreme de 2.5 minute. Surprinzator si ingrijorator, in timpul operatiunii de oprire a reactorului, s-a produs un puseu scurt dar dramatic de putere, valorile ajungand la 3500 MWth vreme de cateva secunde. Cauzele acestui puseu nu au putut fi determinate, reactorul continuandu-si apoi procesul normal de oprire.

Al doilea test a avut loc pe 23 Februarie 1967. Durata atunci a fost de 46 de minute, dintre care 30 au fost la o putere de peste 1250 MWth. Puterea maxima atinsa a fost de 1450 MWth, cu o temperatura de 2444 K.

Testul a fost un succes, iar printre descoperiri a fost ca atunci cand elementele erau placate cu un strat mai subtire de NbC, ele rezistau mai bine la fisurare (deoarece straturile mai subtiri prezentau o structura de fisuri mult mai densa, rezistand astfel mult mai bine atacului hidrogenului).

Tot atunci s-a incercat si folosirea unui numar redus de elemente protejate cu NbC pe toate suprafetele, nu numai pe canale. Scopul era sa se observe daca straturile adiacente se sudau in timpul operatiunii, lucru care nu s-a evidentiat. Dimpotriva, placarea cu NbC a redus intr-atat de mult erodarea normala a elementelor (de la 2 g la 0.7 g per element), incat s-a dorit adoptarea procedeului ca si standard pentru toate elementele din acel moment (lucru care nu a putut fi realizat, insa, din motive de costuri).

Elementele netratate se dovedisera mai problematice in schimb. 27% din ele au fost fisurate la dezasamblarea reactorului deoarece se creeasera depuneri de pyrocarbon care le-au sudat pe pozitie. De asemenea, se evidentiasera scurgeri radioactive , reprezentand aproximativ 0.5% din inventarul de produsi de fisiune generati. Inca 1% fusesera dispersati in materialul inconjurator.

Per total, insa, testul a fost un succes. Presiunea la iesire din miez fusese ridicata semnificativ fata de 1A, iar debitul de hidrogen a fost si el marit. Densitatea puterii a atins valoarea remarcabila de 1 MWth/litru !

Inainte sa continuam, insa, ar trebui sa vorbim despre coroziune. In mod special, fenomenul care poarta numele in literatura de „mid-range corrosion”, in traducere aproximativa „coroziune de nivel median”. Astfel, daca impartim lungimea unui element de combustibil in trei parti egale, acest tip de fenomen se manifesta in treimea centrala.

El de fapt este un fenomen la care proiectantii se asteptau, dar efectele sale la capate nu sunt la fel de pronuntate: la capatul de intrare in miez, temperaturile erau mai scazute, prin urmare coroziunea nu era la fel de accentuata. La capatul de evacuare, temperaturile erau mult mai ridicate, dar in general tijele de combustibil erau tratate pentru a le putea tolera in aceasta zona(a se vedea stratul de NbC). De asemenea, densitatea de putere era mai scazuta, fluxul neutronic era mai redus, si deci aparitia fisurilor era minimalizata. In general, zona fierbinte suferea pierderi de material datorita difuziei carbonului in stratul de carbid.

In zona centrala, insa, densitatea puterii era mult mai mare, iar valorile de temperatura erau apreciabile, dar mai reduse decat cele la care era procesat combustibilul. Ca atare, se manifestau fisuri datorata expansiunii termice inegale a materialelor, permitand hidrogenului fierbinte sa se infiltreze si sa erodeze materialul.

Pentru a preveni acest efect, s-a folosit un strat subtire de molibden care a fost testat in premiera pe modelul 1B.
 

PHOEBUS 2A

Desi initial se planuisera trei teste cu seria PHOEBUS 1, succesul celui de-al doilea test si potentialele probleme financiare care se aratau la orizont au convins inginerii sa grabeasca programul si sa implementeze direct seria a doua. Primul, si singurul, reactor din aceasta serie a fost PHOEBUS 2A.

De departe cel mai impresionant dintre motoarele testate in cadrul Rover, PHOEBUS 2A era culminarea seriei de reactoare de mare putere. Cu o putere nominala de 5000 MWth, el ramane, pana in ziua de astazi, cel mai puternic reactor individual fabricat vreodata. Intr-un fel, el poate fi privit ca fiind realizarea promisiunii energiei atomice: capacitatea de a obtine o putere absurda dintr-un volum foarte mic (in cazul lui 2A, inclinat pe o parte, ar fi incaput intr-un garaj).

Temperatura de evacuare era de 2528 K, cu un debit de 129.3 kg/secunda. Tractiunea era de 1112,5 kN (250,000 lbs), iar impulsul specific de 820 secunde (asadar, viteza de evacuare de 8000 m/secunda).

Motorul avea o serie de caracteristici distincte comparativ cu modelele anterioare:in primul rand diametrul canalelor de racire a fost din nou marit la 0.279 cm, pentru a limita caderea de presiune si astfel, caderea de temperatura.

Mult mai semnificativ, insa, era aranjamentul de racire.Unde motoarele anterioare foloseau racire cu o singura trecere pentru a ocroti structura de sustinere metalica, 2A foloseau racire regenerativa cu doua treceri, divagand aproximativ 10% din fluxul de hidrogen. Acesta racea structura, si era apoi reintrodus in fluxul de evacuare.

Scopul acestui sistem era eliminarea unui fenomen care pana atunci afectase impulsul specific: combinarea hidrogenului mai rece din sistemul de racire cu o singura trecere cu cel fierbinte. Aceasta mixiune se producea in zona de expansiune, si se datora ineficientei vechiului sistem de a extrage caldura din motor. Pe romaneste, cu doar o singura trecere, hidrogenul era inca relativ rece, iar contactul cu cel cald scadea temperatura de evacuare, de care depinde impulsul specific.

Miezul avea un diametru de 139.7 cm (comparativ cu PHOEBUS 1B, al carui diametru era de 88.9 cm). Calculele aratau astfel ca puterea era marita de 3.3 ori cu pretul unui volum de 2.7 ori mai mare.

Se utilizau 4789 de elemente de comubstibil, din UC2 (carbura de uraniu). Canalele foloseau acelasi invelis de NbC, insa de aceasta data, invelisul era asimetric pe lungime, fiind mai gros la capate. De asemenea, se folosea in continuare un strat de molibden pe zona centrala. Reactorul includea si o serie de elemente experimentale, care foloseau materiale similare, dar cu metode de depunere diferite.

Reactorul a trecut prin patru teste:

• Primul a avut loc pe 8 Iunie 1968, la un nivel de putere intermediar de 2000 MWth (suficient, insa, cat sa zdrobeasca recordul anterior). Scopul era de calibrare a instrumentelor si evaluarea operarii reactorului si a sistemelor din instalatia experimentala. Temperaturile, in mod surprinzator, s-au dovedit a fi mult sub cele prezise experimental, 828 K in locul a 1667 K, chiar daca debitul de 87.1 kg/secunda erau cu numai 1.36 kg/sec mai mici decat cele prevazute. In ciuda incercarilor operatorilor, temperaturile nu au putut fi marite, intr-un final luandu-se decizia de a opri testul si a analiza rezultatele.
• Al doilea test a avut loc pe 26 Iunie 1968. Motorul a operat vreme de 32 de minute, dintre care 12.5 au fost la un nivel de putere de peste 4000 MWth, cu maximul calculat la 4082. Din nou, la inceputul testului, s-a evidentiat o temperatura mai mica decat se prevazuse. De asemenea, s-au manifestat o serie de oscilatii de putere (400-900 Mw), reactorul ramanand, insa, perfect controlabil.
• Al treilea test s-a desfasurat pe 18 Iulie 1968, la puterea de 1280 MWth, si, in final, al patrulea test a fost efectuat in aceeasi zi, la o putere de 3500 MWth. Ambele s-au desfasura normal, dar cu aceleasi discrepante ca si anterior.

Per total, reactorul a functionat excelent, desi nu a reusit sa-si atinga pragul de putere prevazut. Datele experimentale au aratat ca existau discrepante majore intre modelele neutronice teoretice si cele experimentale. Practic, exista un parametru sau detaliu in constructia reactorului care ii limita puterea, insa, din pacate, acesta nu a putut fi identificat.

Pe langa asta, elementele de combustibil suferisera pierderi de masa de ordinul a 10-13 g/element. Cele experimentale, insa, suferisera mult mai putin, de ordinul a 6-10 g/element, unele mai putin de 4. Dintre acestea, cele mai performante fusesera cele fabricate de catre Union Carbide Corporation, Plant 12 (elemente cu numele codificat Y-12; uzian era, in fapt, una dintre principalele centre de productie a armelor atomice americane) si placate folosind un proces cu bromura de niobiu. Ele si procedurile lor de fabricatie au devenit standard din acel moment. De asemenea, s-a dovedit ca molibdenul imbunatatea performanta chiar si a celor mai bune invelisuri.

Comparatie de marime la scara intre modelele KIWI si PHOEBUS

Sus: PHOEBUS 2A in constructie la Los Alamos. Jos: Acelasi motor in drum spre standul de teste

 

Sfarsitul Belle Epoque

Dupa finalizarea seriei PHOEBUS, putem afirma ca s-a sfarsit era eroica a programului Rover. Reactoarele PHOEBUS fusesera gandite ca si modele experimentale, dar la finalul programului, nivelul tehnologiei ajunsese suficient de ridicat cat sa poata fi considerate demonstratoare de tehnologie.

Intre timp, NERVA, programul/sora, bifa succes dupa succes in cursa sa pentru a obtine un motor certificat (desi NERVA, teoretic, avea doar scopul de a obtine un demonstrator tehnologic).

Daca vi-i se pare ca aceste programe se chinuiau sa obtina mai mult decat ceea ce se propusese initial, ei bine, exista un motiv: supravietuirea. Ele incercau sa dovedeasca ca tehnologia avea merit, si deci, ca existau motive sa fie finantati in continuare.

PHOEBUS demonstrase ca, desi un motor de marime mare era posibil, existau potentiale piedici. La fel ca in majoritatea domeniilor ingineresti, orice sistem realizat la scara mare putea sa infrunte fenomene care nu erau anticipabile (intrebati producatorii de elici navale). Asadar, ceea ce se cerea initial, un reactor de 10,000 MWth, era prea ambitios. In acelasi timp, insasi nevoia initiala se dovedise a fi nefondata: pur si simplu nu exista o misiune spatiala care sa necesite asemenea putere. Toate arhitecturile care erau promitatoare in acel moment puteau fi realizate folosind design-uri multa mai mici si simple ( la urma urmei, motoarele nu puteau fi aprinse la sol din motive de tractiune mica, greutate mare si posibile scurgeri de radiatie; iar odata ajunse in spatiu, tractiunea mica nu mai conta in imponderabilitate).

Problema era ca… nu mai vorbeau cu aceeasi oameni. In 1968-69, se pregatea o schimbare de adminstratie, iar nou-venitii erau semnificativ mai dificil de convins. Chiar daca programul Apollo era pe cale sa puna primul om pe Luna, el era manat de sprijinul enorm al publicului si memoria unui presedinte asasinat. Discutia deja se mutase pe alte axe. Razboiul din Vietnam tocmai intrase in faza acuta, iar in SUA existau miscari de strada impotriva problemelor vremii (armata obligatorie, miscarea hippie, segregarea rasiala, etc). Toate acestea erau in atentia politicienilor intr-o masura mult mai mare decat explorarea spatiala.

In acelasi timp, dupa repetate esecuri ale rachetei N-1 (si moartea lui Serghei Korolev, desi majoritatea nu-l cunosteau si nu-i realizau importanta), rusii pareau timorati. Politica lui Hrusciov de ascensiune tehnologica fusese inlocuita de doctrina Brejnev, care cerea suprematie prin mijloace mai clasice. Pericolul erei Gagarin era o memorie.

In aceste conditii, SNPO a trebuit sa ia o decizie: reducerea fondurilor pentru Rover pentru a sprijini finalizarea NERVA. Rover nu avea sa moara (inca) dar cercetarile fundamentale care constituiau obiectivul sau erau, din acest moment, mult mai reduse ca si anvergura.

In acelasi timp, Rover trebuia sa asigure un grad de utilitate pentru NERVA, si, din acest moment, cele doua programe au fost legate. Rover avea un buget redus, dar suficient pentru a imbunatati performantele motoarelor NERVA, iar NERVA urma sa fie capul de afis al programului astro-nuclear.

Pentru asta, specialistii au creeat doua serii de reactoare: PEWEE si NF („Nuclear Furnace”, in traducere „furnalul nuclear”). Ele nu erau menite sa zboare, si erau comparabil mult reduse ca putere si marime fata de KIWI, PHOEBUS si NRX-ul NERVA. Scopul lor era ajutarea in stabilirea unor proceduri de operare si cercetari asupra elementelor de combustibil, aspectul care, pe parcursul intregului program, se dovedise cel mai problematic.
In acelasi timp, cele doua tipuri de reactoare erau mult mai simple si modulare: in loc sa fie construite personalizat, testate, demontate si analizate, ele erau vase de presiune cu componente externe fixe si cu elemente interioare mutabile. Practic, in loc sa inlocuiesti reactorul dupa fiecare test, inlocuiai elementele miezului.

In ciuda obiectivelor modeste, performantele reactoarelor au fost remarcabile, reusind sa surclaseze chiar si modelele anterioare. In fapt, modelul PEWEE a devenit un design de referinta intr-o masura mult mai mare decat design-urile mai putin rafinate ale NERVA, fapt ironic daca ne gandim la relatia care exista intre ele la acel moment.
 

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 )