Am vorbit in articolul anterior despre reactor SNAP-2 Eexperimental (SER) si am menționat ca acesta era o dezvoltare a dispozitivului experimental creat in 1959 pentru a demonstra fezabilitatea folosirii unui reactor nuclear in spatiu. SER era gândit sa verifice geometria miezului si sistemele de control a reactivității, buclele primare de răcire si materialele utilizabile. Însă, el nu era menit sa fie o reprezentare fidela a unui sistem capabil de zbor in spațiu.
Aceasta onoare avea sa aparțină sistemului construit in etapa următoare a programului SNAP, denumit SNAP-2 Development Reactor (S2DR sau SDR). In premiera, acest reactor urma sa folosească sisteme de comanda si control menite a fi lansate in spațiu (chiar daca reactorul in sine nu urma sa fie folosit decât la sol).
S2DR incorpora multe îmbunătățiri fata de S2ER, dar astăzi multe dintre rapoartele de testare sunt ori pierdute ori contradictorii, si asta deoarece sistemul a trecut prin mai multe etape si iterații. In paralel cu programul S2DR, se desfășurau programul SNAP-10, menit a testa anumite îmbunătățiri, si programul sovietic Romashka, despre care vom vorbi intr-un articol viitor. Astfel, fiindcă SNAP-10A urma sa folosească aceeași configurație a miezului, reactorul SDR a fost simultan folosit si pentru a realiza teste pentru SNAP-10.
Miez si combustibil
Spre deosebire de SER, unde miezul era de forma hexagonala, SDR era de forma octogonala. Sistemul de tamburi de control era foarte similar, însă. De-a lungul programului de testări, elementele de combustibil au suferit câteva modificări, însă, dimensional, au rămas foarte similare. Schimbările se datorau diverselor fenomene adverse observate in timpul campaniei de testare pentru SER, cum ar fi cedarea unor suduri in urma bombardamentului neutronic intens sau a fenomenului de difuzie a hidrogenului (lucru care a necesitat folosirea unui înveliș emailat sărăcit de bor). Reactorul in forma finala a fost, de asemenea, folosit pentru SNAP-10A, dar cu alte nivele de energie si temperatura.
Combustibilul folosit era 235UZrH, similar cu cel folosit pentru SER. Gradul de îmbogățire era de 93%, iar fiecare element de combustibil era alcătuit in proporție de 10% (128 de grame) din uraniu metalic.
Porțiunea din elemente care era efectiv combustibil si-a păstrat lungimea de 10 inch (25.4 cm), însă diametrul a fost crescut pana la 3.078 cm. Reflectoarele interne si-au păstrat dimensiunea de 28.448 cm, însă compozita a fost schimbata, trecând de la Be metalic la BeO. Aliajul învelișului (‘’cladding’’ in engleza) a fost schimbat, preferând-se Hastelloy N, cu un strat emailat de sticla cu incluziuni de samariu (Sm2O3). Samariul avea rolul de otrava neutronica consumabila : samariul absoarbe neutroni foarte ușor, suferind transmutație si transformându-se in alt element, mai puțin absorbant. Astfel, la începu operării, samariul era in cantitate mare, iar mulți neutroni erau absorbiți, ducând la un nivel de reactivitate mai scăzut comparativ cu nivelul de neutroni. Pe masura ce combustibilul se consuma, reacția scădea ca si intensitate, iar mai putini neutorni erau produsi. Insa, deoarece cantatea de samariu scăzuse si ea, mai mulți neutroni scapau absorbitei si erau disponibili pentru a continua reacția. In acest fel, se dorea menținerea unui nivel constant de putere in reactor.
Structural, miezul conținea 37 de elemente de combustibil, montate pe ansambluri de testare de 3.2cm, formând un hexagon matrița triunghiulara, cu muchia de 20.32 cm si lățimea de 22.8 cm. Sistemul cuprindea si doi tamburi de control montați in poziții opuse, înglobate in doua dintre cele 4 muchii mari ale reflectorului extern. Restul periferiei miezului era înconjurat de un strat de beriliu cu grosime variabila pentru a omogeniza reactivitatea. Sistemul de SCRAM era similar cu SER, folosind căderea reflectorilor pentru a stopa reacția in situații de urgenta. Temperatura de echilibru termica era de 755 K, cu maxime de 922K.
Sectiune transversala a miezului reactorului S2DR (Informatiile despre acesta sunt greu de gasit si verificat, asadar alte imagini nu veti gasi, din pacate)
Campania de testare
Reactorul a fost testat intr-un nou atelier la laboratorul Atomic International Santa Susana, datorita campaniei de testări mai riguroase. Primele elemente de combustibil au început sa sosească la sfârșitul lui martie 1961. Primele teste de criticalitate in condiții uscate (întâi cu 31 de elemente, apoi cu 37) s-au realizat pe parcursul lui aprilie si mai. Apoi acest elemente au fost înlocuite , iar in iunie au fost încărcate elemente proaspete, urmând umplerea buclei de răcire cu NaK si au început testele de criticalitate in regim umed, precum si teste de calibrare a coeficientului termit.
Testele din iulie includeau experimente pentru a monitoriza migrația hidrogenului, precum si, in premiera, operațiuni de producție a energiei electrice la putere scăzută (7 W), cu temperaturi cuprinse intre 588K si 745K. In final, aceste teste preliminare au culminat cu un test scurt la puterea de 140W, după care reactorul a fost oprit la începutul lui august pentru a pregăti începutul campaniei de testări in regim normal.
Aceasta campanie a început la sfârșitul lui august si a continuat pana la sfârșitul lui septembrie, când s-a realizat un experiment pentru a testa comportamentul in cazul unui eveniment tranzient cu xenon (adică un declin de reactivitate urmat de un vârf, a se vedea Cernobîl). Acest test s-a realizat la puterea termica de 1kW si 533K.
Ulterior, temperatura a fost mărita pentru a verifica din nou migrația hidrogenului, pana la mijlocul lunii noiembrie, când s-ar realizat testarea de calibrare a tamburilor si reactorul a fost din nou oprit. Au urmat alte teste termice, inclusiv primul test la temperaturi înalte de 838K pentru a testa migrația hidrogenului si pierderile de căldura. Decembrie a fost dominata de teste de migrație adiționale, la temperaturi înalte si putere redusa (280 W, 838K). Reactorul a fost oprit înainte de Crăciun, si campania a fost reluata in 1962.
Testările din ianuarie au fost la temperaturile de SNAP-2, dar puterea de SNAP-10 (30.5kW, 888K), iar reactorul a fost oprit din nou la sfârșitul lunii. In februarie, testele de temperatura înalta si putere joasa au fost reluate (300W, 822K) pentru măsurarea redistribuitei de hidrogen, iar in martie reactorul a fost din nou oprit pentru lucrări de întreținere. Au urmat mai multe teste pentru distribuția de hidrogen la accesai putere si temperatura, iar in aprilie s-au realizat teste pentru coeficientul de temperatura, întâi in condiții operaționale de SNAP-10, apoi la temperaturile si puterea mai înalta de SNAP-2 care au continuat pana in mai.
Din păcate, însă, bucla de căldura a cedat, si a fost necesara oprirea reactorului si repararea pagubelor. După aceasta testările pentru coeficientul termic au reînceput si au continuat pana la începutul lunii mai. Au urmat teste pentru coeficientul de putere si apoi teste pentru condiții oscilante precum si pentru măsurarea transferului de căldura intre elemente si răcitor. Reactorul a fost apoi oprit si sursa de pornire schimbata, după care au urmat teste de calibrare a tamburilor, pana la mijlocul lunii iunie, când bucla de transfer de căldura a cedat din nou, necesitând noi reparații.
In august, au urmat experimente de variație a puterii prin inserție rapida de tije, apoi fluidul de răcire NaK a fost drenat si testele in condiții uscate reluate pana la începutul lui Septembrie, când NaK a fost din nou adăugat, iar tamburii recalibrați. Testele in condiții SNAP-2 au continuat pana când o scurgere suspectata de NaK a cauzat din nou o oprire. Scurgerea nu a putut fi, însă detectata, așadar reactorul a fost repornit la putere si temperatura redusa pentru recalibrare pana la mijlocul lui octombrie, când testele la condiții SNAP-2 au fost reluate. Ele au ținut pana in noiembrie, când au fost din nou simulate condițiile de SNAP-10 la temperaturi înalte. Reactorul a operat in aceste condiții pana la mijlocul lui decembrie, când a fost oprit pentru ultima data. Un număr de experimente fără putere critica au fost apoi efectuate după oprire, iar reactorul s-a încheiat cariera la sfârșitul lunii. Reactorul a fost apoi dezasamblat, iar elementele examinate post-iradiere.
In decembrie 1962, când s-a finalizat campania, reactorul operase vreme de 11290 de ore, cu o producție totala de 272900 kWh. Dintre acestea, 2060 de ore au fost la condiții de SNAP-2 (55 kW, 922K), 1544 au fost la 30.5 kW si temperatura de 866K, si 1150 de ore au fost la condiții de SNAP-10 (30.5 kW, 727K).
Rezultatele campaniei
Deoarece fizica reactorului fusese deja bine caracterizata in timpul SER, mare parte din testarea pentru S2DR s-a axat pe comportamentul elementelor de combustibil. Din acest motiv, examinarea post-iradiere a tijelor au constituit un punct important al campaniei.
Arderea procentuala a uraniului a fost estimata la 0.027% pe parcursul întregii operări, iar datele operaționale au fost folosite ca intrări într-o serie de programe computerizate pentru a rafina predicțiile comportamentale.
Daca este sa vorbim de elementele in sine, comportamentul lor a fost relativ in parametrii preconizați, atât din punct de vedere al densității radiale a puterii reactorului cat si din punct de vedere al densității de energie in interiorul elementelor. Aparenta vizuala a elementelor a fost raportata ca fiind neschimbata, cu excepția a doua dintre ele, unde s-au raportat reacții chimice intre capetele de beriliu si învelișul de Hastelloy cauzate de o cedare a stratului de crom a aliajului Hastelloy datorate unor urme de prelucrare mecanica. Nu s-a constatat umflarea combustibilului, nici radial nici in lungime, însă arderea uraniului a determinat o variație ușoara a densității totale, de la 6.033 g/cm^3 la 6.030 (+/- 0.005) g/cm^3.
Una dintre marile probleme care a afectat programul SNAP a fost migrația hidrogenului din elementele de UZrH. Acest combustibil este, de fapt, foarte special, fiind ceea ce se si folosește in reactoarele de cercetare TRIGA (probabil cel mai sigur tip de reactor inventat vreodată). Hidrogenul inclus in elemente face ca acest tip de combustibil sa fie automoderant, si permite un flux de neutroni foarte omogen si ușor de simulat. Problema, însă, este ca e foarte sensibil la variații de temperatura, hidrogenul fiind, prin natura sa (după cum menționat si la NERVA) extrem de volatil si cu tendința de a se dizolva, practic, printre atomii mari ai metalelor înconjurătoare. Cu cat temperatura e mai ridicata, cu atât aceasta migrație e mai accentuata. Acesta a si fost motivul pentru care învelișul sticlos emailat a fost aplicat pe ele, iar comportamentul acestor învelișuri la ciclii de încălzire/răcire si iradiere erau unul dintre punctele focale ale programului. Un alt aspect studiat a fost faptul ca migrația hidrogenului in interiorul combustibilului in sine poate duce la zone in care reacția este mai puternica sau mai slaba, așa numitele hotspots sau coldspots. Acest fapt avea potențialul de a afecta distribuția de temperatura, cauzând probleme de natura chimica sau expansiune termica (după cum s-a si întâmplat). Mai mult aceste probleme aveau tendința de a se acutiza in timp, pe parcursul operării. Mai îngrijorător, aceste reacții chimice sau schimbări de geometrie puteau afecta învelișul rigid de email, cauzând pierderi de hidrogen, care avea potențialul de se dizolva in lichidul de răcire cu NaK, cauzând si mai mari schimbări de reactivitate.
Analizând aceasta problema, s-a constatat ca pierderile de hidrogen au fost mai mari decât era preconizat la început. Astfel, procentul de masa s-a schimbat, trecând de la 1.83% la valori cuprinse intre 1.81% si 1.7% post-iradiere. Acest procent, deși mai mare decât cel dorit, a fost, totuși considerat acceptabil, mai ales dat fiind condițiile de operare neprevăzute din cadrul regimului SNAP-10. Unele schimbări au fost totuși surprinzătoare, cum ar fi faptul ca hidrogenul avea tendința de migra de la elementele centrale către cele periferice. Totuși, s-a considerat ca elementele nu au fost compromise operațional.
Menționasem mai sus incluziunile de samariu menite a asigura un regim de reactivitate uniform. Aceste incluziuni au fost si ele un obiect de studiu, pentru ca la acea vreme, nu existau programe de modelare care sa permită obținerea unui prognostic concludent referitor la efectele lor. Va puteți imagina ca rata de transmutație a samariului, regimul de duritate a neutronilor (care afectează secțiunea transversala de absorbție) si interacțiunile chimice cu restul învelișului trebuiau sa fie extrem de bine reglate, altfel te puteai trezi ca reactorul nu produce suficienta putere la începutul, sau prea multa la final. Aceasta linie de cercetare a fost de fapt continuata de la experimentele anterioare (snap critical assembly 1, care a fost primul, snap critical assembly 2 si 3, care au fost SER si SDR, si va continua si pentru snapt critical assembly 4; acestea erau nomenclaturile laboratoarelor, nu programului). In unele cazuri, s-au găsit mici zgârieturi pe acest strat exterior, însă per total, s-a considerat ca el a fost eficient, iar design-ul sau a devenit o referința pentru alte modele de reactoare bazate pe hidruri metalice mult după ce programul a devenit istorie.
O alta îngrijorare este legata de schimbări metalografice in structura combustibilului. Uraniul, la fel ca alte metale, când se răcește, se organizează in grăunți prismatici, cu muchii ascuțite. Forma si dimensiunile lor pot fi controlate când se toarnă metalul, însă pe parcursul operării, datorita temperaturii si migrației browniene, forma si dimensiunile lor se pot schimba, ducând la forme prismatice diferite. Pentru ca neutronii circula prin coliziuni elastice, noile unghiuri de suprafața din grăunți pot duce la situații când aceștia sunt selectiv reflectați in anumite zone, generând hotspoturi si consum neomogen de combustibil, conductivitate termica variabila, fragilizare datorata dislocării atomice sub impactul neutronilor, si alte efecte nedorite. Mai multe, aceste defecte se pot amplifica in timp, daca defectele acționează ca si nuclee de creștere pentru alte structuri cristaline nedorite. Acest fenomen a fost remarcat la capetele tijelor de combustibil, dar, per total, s-a decis ca ele se prezentau in condiție buna.
Concluzie
Rezultatele bune din cadrul etapei SDR erau promițătoare pentru design-urile SNAP-2 si SNAP-10. In urma finalizării etapei, s-a decis începerea reactorului flight-ready SNAP-10A. Acest folosea un sistem termo-electric diferit de turbina Rankine a SNAP-2, si vom discuta despre el data viitoare, când vom povesti despre programul de îmbunătățire a SNAP-2 si SNAP-10, care a reprezentat ultimul capitol al acestei familii de reactoare.
Până data viitoare, vă salut!
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. SNAP 2 DEVELOPMENTAL REACTOR MOCKUP NO. 1 FINAL REPORT, Maki 1968 : https://www.osti.gov/biblio/4516729
2. THE FINAL REPORT ON THE SNAP 2 EXPERIMENTAL REACTOR (SER) OPERATION AND TEST PROGRAM 1962 : https://www.osti.gov/servlets/purl/4591868
3. EVALUATION OF FUEL ELEMENTS FROM SNAP 2 DEVELOPMENT REACTOR CORE 1965: https://www.osti.gov/servlets/purl/4471462
4. https://beyondnerva.com/fission-power-systems/systems-for-nuclear-auxiliary-power-snap/snap-2/snap-2-development-reactor-s2dr/