Radiatie
Eixsta insa o problema, care a impactat designul RNS-ului si a modulelor sale: radiatia. Vedeti voi, dupa cum stim, un motor NERVA poate emite radiatie in patru scenarii diferite, la diferite nivele:
- motor nepornit: radiatie practic inexistenta. Uraniul e inert si se descompune natural, nefiind mai radioactiv decat in starea sa de metal greu;
- motor in timpul arderii: aici este varful radiatiei, cu un mix intens de radiatie neutronica si raze gamma;
- motor imediat dupa ardere: el nu mai produce radiatie neutronica intensa, insa razele gamma se pastreaza; in aceasta etapa, materialele radioactive cu durata de injumatatire scurta se descompun;
- motor la interval de ore/zile dupa ardere: inca emite radiatie gamma intensa, chiar daca la un nivel de sute de ori mai mic decat in timpul arderii. Produsii de fisiune care se descompun rapid dispar, insa dureaza decenii pentru cei cu viata medie sa dispara. Rata de scadere a radioactivitatii scade pe masura ce elementele active principale devin cele cu varsta medie, cum ar fi strontiu-90 sau cesiu-137. Pentru disparitia lor, se estimeaza ca timpul ar fi de 10 ori durata de injumatatire, adica cam 300 de ani. Motorul va fi radioactiv si apoi, multumita elementelor transuranice produse in timpul functionarii, dar genul lor de radiatie predominanta, adica descompunere alpha si beta, e mult mai usor de ecranat.
Un alt aspect ce trebuie reamintit din articolele precedente este faptul ca numai o parte marunta din cantitatea de material fisionabil este folosita in timpul arderii. Procentele variaza in functie de gradul de imbogatire, dar putem estima ca daca pornim cu un motor ce foloseste 90% U-235 (adica aproape de nivelul unei arme atomice) la finalul a 15 arderi, va fi folosit cam 5-10% din el.
De ce asa putin? Pentru ca multi dintre produsii de fisiune ai reactiei (asa-numita “cenusa atomica”) sunt otravuri neutronice, care inabusa reactia nucleara. Asadar, chiar daca mai o groaza de combustibil, nu il poti folosi.
Teoretic, poti lua motorul (extrem de radioactiv), sa extragi combustibilul din el si sa-l reprocesezi. Asta se intampla pe Pamant pentru reactoarele franceze, care isi trimit combustibilul folosit la Le Hague. Acolo, comubstibilul este topit si produsii de fisiune impreuna cu elementele transuranice sunt extrasi, ramanand numai uraniul nefolosit. Produsii de fisiune pot fi apoi stocati, iar elementele transuranice refolosite (multe dintre ele sunt ele insele fisionabile).
E…. un proces complicat, care necesita practic o uzina de reprocesare pe orbita. Procedeele folosite in Franta sunt de tip “apoase” (aqueous, in engleza) si sunt aceleasi folosite ca si pentru armele atomice. Dar asta e fiindca La Hague are scop dual, civil si militar. Exista procedee precum electrorafinarea si piroprocesarea care ar ieftini procesul (obtinand material mai putin pur, inadecvat armelor dar perfect utilizabil in reactoare sau motoare).
Totusi… o rafinarie in orbita nu e ceva ieftin si nu exista multe indicii ca NASA a cochetat foarte mult cu ideea. In schimb, odata ce modulele de propulsie erau imbacsite de produsi de fisiune si nu mai porneau, ele urmau sa fie puse pe orbite moarte, departe de alti sateliti, unde urmau sa… stea, la fel ca satelitii scosi din uz.
Nu stiu de voi, dar gandul ca ai avea sateliti plini de zeci de kilograme de metale radioactive nu e incantator. Desi nu e cine stie ce pericol pentru planeta, radiatia poate praji din greseala un satelit care se apropie prea mult. Spatiul e deja extrem de radioactiv, asa ca sateltii de inaltimi mari sunt deja ecranati, dar chiar si asa, ecologistii chiar si in anii 70 s-ar fi simtit… stingheri.
Putem specula ca agentia ar fi folosit bazele lunare si orbitale pentru a cosntrui, la un moment dat o uzina mica de reprocesare, daca nu din alt motiv, macar fiindca ar fi insemnat ca puteau folosi uraniul deja lansat, fara a fi nevoita sa importa cantitati mari de pe Pamant din nou. O idee care sprijina principiile modulare si de infrastructura orbitala a IPP. Dar asta ar fi fost intr-un viitor relativ indepartat, dupa multe cercetari.
Dincolo de dificultatile tehnice pentru sfarsitul vietii acestor module era faptul ca erau terbil de radioactive in timpul functionarii si imediat dupa. In spatiu nu ai atmosfera asadar radiatia nu e diminuata decat de distanta. Motorul NERVA prevedea un scut anti-radiatie care sa umbreasca partea frontala a navei, unde urmau sa stea astronautii.
Problema e ca a te apropia de RNS din laterala devine o propunere extrem de riscanta. Practic, fara atmosfera, zona de excluziune e de ordinul kilometrilor, in functie de puterea motorului. Asta e problematic daca doresti sa andochezi la o statie spatiala, alt vehicul sau pur si simplu sa transferi incarcatura cargo.
Cele doua mari nume in domeniu sunt Holmes F. Crouch, care a scris lucrarea “Nuclear Space Propulsion” in 1965, in care a calculat fluxul de radiatie pentru un motor NERVA obisnuit.
Diagramele de radiatie un jurul unui motor NERVA. Multumim domnului Crouch si site-ului Atomic Rockets
Problema radiatiilor nu era simplu de rezolvat, daca tinem cont ca, fiind vehicule orbitale, ele trebuies sa fie cat mai usoare. Asadar, sa inglobezi motorul in plumb nu era o idee castigatoare. Chiar si scutul-umbrela, cu arcul sau redus, era greu de 1.5 tone.
Inginerii de casa ai firmelor au adoptat solutii interesente pentu a incerca sa contracareze efectele motorului. Astfel se explica de ce vehiculele tind sa fie lunguiete si sa puna rezervorul intre sarcina utila si motor. Masa de reactie putea, astfel, sa joace rol de masa de ecranare.
Problema era ca masa de reactie se termina pe parcursul arderii, iar la final ramane foarte putina in rezervor. Asta explica si de ce partea anterioara a conceptelor au forma interioara de tip trunchi de con. Mai mult, unele design-uri aveau rezervoare secundare inauntru, pentru a se asigura ca va fi o masa de combustibil intre sarcina si motor pana in ultimele secunde ale arderii. Uneori vorbim de rezervoare in forma de coloana, alteori in forma de butoiase secundare interne.
Design pentru RNS Clasa 1, cu coloana centrala (denumita standdpipe) Ea era ultima parte din rezervor care se golea minimizand dozajul primit de echipaj.
Chiar si asa, RNS a fost aspru crtiticata pentru nivelul de radiatie pe care-l primeau echipajele. Intr-un raport al NASA contractat companiei Bellcomm, D. J. Osias a criticat complicatiile provocate de radiatia nucleara a motorului, spunand ca analizele erau bazate pe scenarii optimiste de functionare.
Osias a calculat, folosind graficele lui Crouch, ca doza maxima de radiatie pe care ar trebui sa o primeasca un astronaut s-ar situa intre 0.1 si 0.25 de Sievert per an. In schimba, astronautii ar primi 0.1 Sievert de fiecare data cand RNS ar realiza o ardere. Dansul a recomandat ca un alt vehicul sa nu se apropie la mai mult de 100 de mile (!!!) lateral de o nava in functiune atata timp cat motorul era in functiune. La o distanta de 16 km, un astronaut ar resimti 0.25 – 0.3 Sievert per ora de la un motor in functiune.
Mai rau e ca RNS-ul orbita Luna la o inatime de 100 de km, ceea ce ar fi insemna ca astronautii trebuiau sa se adposteasca cand trecea pe deasupra.
Astazi, limita anuala pentru astronauti este de 3 Sievert, cu o limita de cariera de 4 Sievert. Ceea ce inseamna ca dupa 10 arderi complete, astronautul nu ar mai avea voie sa zboare (coincidenta face ca motorul NERVA sa fie inabusit tot dupa 10 arderi complete).
Va urma.
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns4.php#id–Reusable_Nuclear_Shuttle_Class_1
2. https://www.wired.com/2012/09/nuclear-flight-system-definition-studies-1971/
3. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacetug.php#spacetug
4. Pre-Phase A Study for Analysis of a nuclear space tug vol 4 : https://ntrs.nasa.gov/citations/19710011980
5. Pre-Phase A Study for Analysis of a nuclear space tug vol 5 : https://ntrs.nasa.gov/citations/19710011981
6. https://theconquestofspace.com/?p=361
7. https://web.archive.org/web/20120505171808/http://www.energyfromthorium.com/NuclearShipPropulsion.html
Oribile greseli de scriere am. Oare, in graba mea, oi fi trimis versiunea necorectata?….
Necorectata versiune trimis-ai .
De corectat articolul un admin poate .
Que la fuerza te acompañe .
„Procedeele folosite in Franta sunt de tip “apoase” (aqueous, in engleza)”
Cred ca s-ar putea sa fie cea se numeste in romana lesiere; pleaca de la englezul leaching…
E clasic acum in preparari de minereuri, concentrari, etc: Tot felul de dizolvari selective, cu reactivi adecvati.
Se extrage si uraniu la modul asta: solutii injectate printr-un front de foraje intr-o masa miniera si colectate in alt front de foraje……
Barbarism minier: pregnat solutions 🙂
Francii stiu ca foloseau PUREX, dar mai nou incearca sa foloseasca si piroprocesare (care e mai ieftin). Mai ales acum ca nu le mai trebuie plutoniu pt bombe, pot sa decupleze partea civila de cea militara:
https://en.wikipedia.org/wiki/PUREX
https://en.wikipedia.org/wiki/Pyroprocessing
Recunosc ca chimia ma bate.
Complexa foarte propulsia nucleara…
Multam de efort, foarte placut sa citesti astfel de articole.
Apreciez!
Interesant dar acum văzând câte probleme exista de ce nu se axează pe motoare care nu degaja radiație și care sa aibe suficienta putere și un consum foarte redus de combustibil
Pai cam tot ce e nuclear (fisiune, dar si fuziune, oho….) degaja radiatie.
Daca te referi la motoare ionice, ele necesita o sursa de energie electrica (o sursa considerabila daca vrei sa le folosesti serios).
La ce tipuri de propulsie te gandesti?
Cu dilitiu…Enterprise sau mai nou Discovery…pe spori.?
Ionice alimentat de reactoare de Fuziune ceva de genu
Mai nou, defapt de ceva ani ma tot gandesc, la un reactor pe laseri si microunde ceva gen o sfera cu laseri si generator microunde care bat in centru, unde se afla o sfera dintrun material care reactioneaza la laser si degaja caldura care sa fie cedata in apa sa zicem si de acolo procesul clasic de boiler turbina si sfera sa fie presurizata
O naveta nucleara cu fisiune nu se va face niciodata,exact din motivele aratate.Daca va fi nucleara,va fi sigur cu fuziune,fiind preferata reactia deuteriu si 3-heliu.Este cel mai simplu de initiat,produce cea mai mare cantitate de energie si nu creeaza nici un flux periculos de neutroni ca produs secundar.
Deuteriul se gaseste din belsug,fiind un izotop greu H,care se produce aleatoriu,5.000 kg H contin 1 kg deuteriu.Iar Luna este o sursa bogata de 3-heliu.Acest izotop se gaseste in vantul solar,care a injectat cantitati mari in solul lunar.Cand va fi nevoie de 3-heliu Luna o sa devina brusc Arabia Saudita a sist. solar.
E ceva de perspectiva cand o sa avem tehnologia.
Personal nu cred ca va deveni rentabila explorarea spatiului fara nave de fuziune.Racheta de fuziune genereaza o viteza de evacuare de pana la 37.000 km/sec,iar produsele fuziunii dintre 3-heliu si deuteriu sant atomii de 4-heliu si protonii.Ambele tipuri de particole sant incarcate electric,iar reactia de fuziune are loc in interiorul unui camp magnetic.Acceleratia este produsa prin expulzarea acestor ioni suparaincalziti printr-un ajutaj de racheta magnetic.Racheta de fuziune cu o treapta ar trece bine de 30.000 km/sec.
Chiar si la numai 1.000 km/sec ajungi pe Marte intr-o zi,iar pana la Pluto mai putin de o saptamana.
Povestea suna frumos,vom vedea daca prindem si noi ceva din astea ..
Uleu, am de demontat aici….
1) „sigur cu fuziune,fiind preferata reactia deuteriu si 3-heliu”
Momentan nu e nimic preferat, pt ca, momentan, nu putem obtine fuziune stabila cu aport de energie favorabil.
2) „Este cel mai simplu de initiat”
Nup, aceea ar fi fuziunea D-T (deuteriu-tritiu) care are parametrul Lawson 1. D-He are parametrul 16.
3) „nu creeaza nici un flux periculos de neutroni ca produs secundar.”
D-He nu creeaza, neutroni, dar, fiindca deuteriul fuzioneaza cu sine la temperaturi si presiuni similare, apar reactii D-D parazite. Si ele produc neutroni din belsug, cu energia medie de 14 MeV (prin comparatie, cei mai vioi neutroni produsi prin fisiune sunt de ordinul a 1 MeV). In medie, cam 5% din energia produsa prin fuziune D-He vine din reactii D-D parazite.
4) „Deuteriul se gaseste din belsug”
Corect, desi nu e simplu de separat. Apa grea nu e scumpa degeaba.
„Luna este o sursa bogata de 3-heliu”
Poftim? Ai idee ce concentratie are He-3 in regolitul lunar? Undeva intre 1.4 si 15 ppb. Adica, daca minezi un milion de tone de regolit (si vb aici numai de primii 10-15 cm din suprafata lunara, ca particulele de heliu-3 nu penetreaza adanc) ai sa obtii undeva intre 1.4 si 15 kg de heliu-3. Pai… sa ma scuzi, da-i mai abundent uraniul in apa oceanelor (3.3 ppb) decat heliul in regolitul Lunii. Si nu trebuie sa merg pe Luna sa-l obtin. Dar oricum, respectivul uraniu e f ieftin, nu trebuie sa te chinui sa-l extragi din apa marii cand ai imense bazine cu cenusa de termocentrala, care au concentratie similara cu zacamintele slabe, si care sunt intr-o forma deja pulverizata.
Si mai e ceva: ce stii de tritiu?
5) „E ceva de perspectiva cand o sa avem tehnologia.”
NTR-urile mele (si celelalte sist pe care le voi prezenta) puteau fi facute acum 50 de ani.
6) „Chiar si la numai 1.000 km/sec ajungi pe Marte intr-o zi”
Desigur ca, la asemenea viteze de evacuare (37.000 km/sec) esti teribil de limitat dpdv al tractiunii. Fiindca tractiunea depinde de masa pe care o arunci in spate. Iar puterea motorului se obtine inmultind viteza de evacuare cu debitul de masa de reactie.
Ca sa-ti faci o idee, am facut un calcul scurt: daca debitul tau e 1 kg/sec (putin pt o racheta) iar viteza ta de evacuare e 37.000 km/sec, puterea motorului tau va fi de 684.5 Gigawati. La o asemenea putere, chiar daca motorul pierde numai 0.1% din putere ca si caldura reziduala, tot e suficient cat sa-ti vaporizeze nava 🙂 .
Deci da, am avea motoare cu viteza de evacuare bolnava, dar cu tractiune mica. Ar dura cateva zile sa ajunga pe Marte cu viteza de 1000 km/sec, si cateva luni sa ajunga la acea viteza 🙂 .
There’s no free lunch in space.
Am spus Gigawati. Corect era Terrawati.
„nu cred ca va deveni rentabila explorarea spatiului fara nave de fuziune”.
Rentabilitatea este un raport intre beneficii si cheltuieli in acceptiune larga. Cred ca te-ai gandit si ai expus prezumtive beneficii, dar fara a te referi la cheltuieli/consum de resurse. Intelegerea ar fi ca are avantaje clare, dar asta nu o face mai rentabila.
In acest moment toate calculele si mai ales absolut toate planurile care tin de rentabilitate merg pe propulsie chimica. Toate companiile care au planuri iau in calcul doar propulsia chimica datorita rentabilitatii mult mai bune. Iar diferenta este de asteptat sa creasca tot in defavoarea celei nucleare daca productia de oxidant si propelant in situ va deveni viabila.
Propulsia nucleara intra in joc doar atunci cand nu se ia in calcul deloc rentabilitatea, si avantajele sau caracteristicile unice justifica costul, platit fara exceptie in afara oricarei baze comerciale (asadar apanajul agentiilor guvernamentale – proiecte scumpe, rare sau chiar unice, doar atunci cand nu cerintele proiectelor fac sa nu mai conteze costul). Si atunci vorbim despre proiecte unice, fara scalare sau dezvoltare ulterioara prevazuta deja in stadiul de proiect, asadar fara a fi un „inceput” de altceva, in afara continuarilor oportunistice.
Cel putin asa stau lucrurile acum. Ramane sa vedem cum vor evolua.
Citind aceste articole, mă trezesc aruncat în copilăria mea, undeva la țară.. Descoperisem biblioteca comunală, la Căminul cultural, și devoram cărțile de popularizare a științei. Printre ele, „Spre Lună”, „Spre Marte” etc toate scrise în zorii erei spațiale. Poate naive uneori, dar ce impuls dădeau imaginației…Rachete cu propulsie clasică sau nucleară, baze lunare , colonii marțiene. Iar azi, citesc articolul de mai sus și retrăiesc acele timpuri. Mulțumesc autorului!
Autorul multumeste pentru atentie! 🙂
Marian, vad ca ai ceva din anduranta motoarelor despre care scrii si asta e o veste buna pentru RM.
Pentru corpurile apropiate de Pamant energia nucleara nu este indispensabila, sau nici macar avantajoasa, existand alternative mai bune, dar cand ne vom departa, atat de |Terra cat mai ales de Soare, va intra din nou in carti. Nu doar pentru transport (pe modelul Voyager) cat mai ales pentru grupuri energetice la sol, unde anduranta reactoarelor poate fi o caracteristica de baza. Cine stie, poate ca daca Starship va avea succces, capacitatea mare de transport va incuraja apelarea la reactoare pentru Luna sau Marte – un mariaj interesant daca se doreste productia de combustibil si oxidant la fata locului.
Dinamica actuala a explorarii spatiale datoreaza mult implicarii mediului privat. Nu stiu daca orientarea catre LEU/HALEU ar putea ajuta la cooptarea privatilor. Sincer cred ca mai degraba nu, si tine mai mult de neproliferare. Nu ma refer doar la implicarea in dezvoltare sau productie, cat mai ales la cea de capital. In partea asta sunt pesimist, si nu intrevad nimic la orizont. Iar asta va fi o piedica uriasa (probabil principala) care va face (sau deja face) domeniul sa fie unul stagnant. Asa ca va continua sa avem acest domeniu la capitolul „altele”. Acum sunt (din cate stiu eu) 3 proiecte private de dezvoltare finantate de NASA cu vreo 5kk$/an fiecare, si inca pe atat de la DARPA pentru Draco. Daca mai stii de altele, as fi curios sa aflu.
Mulțumim @Checkmate!
Interesul arătat chiar din comentarii arată calitatea articolelor…
E ok Checkmate,aici tu esti profesionistul.
Noi doar ne dam cu parerea de pe margine..
Scuze pentru limbajul usor manios de mai sus.
Ideea e ca mineritul de He pe Luna nu e un motiv foarte bun sa mergi acolo. Ai mult mai multe alte resurse (Luna e practic un loc ideal pt a face o cariera si santiere; ba chiar minele sunt deja excavate) interesante.
Cert este ca in acest moment nu avem tehnologia si nici nu ne-o putem imagina, necesara pentru zborul in spatiu pe distante mari (in interiorul Sistemului Solar). Pt ca daca luam in calcul un zbor de multe luni pana la Marte sau 1-2 ani dincolo de Marte deja discutam despre tehnologii neviabile pentru confortul nostru.
Concluzie, mai e mult până departe în călătorii spre Marte ♂