Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 5)

KIWI B

Conceptul original care fusese obiectivul programului LASL ceruse realizarea unui motor de 10,000 MWth pentru un lansator spatial menit a plasa 11 tone de incarcatura utila pe o orbita de 480km. Acest concept, denumit Condor, a fost in final abandonat deoarece se preconizase (in mod corect) ca raportul tractiune/greutate redus al mtoarelor NTR si impulsul specific foarte bun le facea ideale pentru a fi utilizate ca si mijlocul de propulsie al unei trepte finale. Noul concept necesita un motor mult mai mic si mai compact, cu o putere de 1000 MWth, folosit pe treapta finala a unei rachete Titan I, permitand plasarea unei sarcini de 6400 kg pe o orbita de 480 km. Acest nou concept a devenit obiectivul principal al programului Rover, si a fost integrat in studii preliminare pentru versiuni viitoare ale rachetei Nova (un precursor si concurent al Saturn V).
Concret, obiectivul cerea testarea cu succes a unui motor de 1100 MWth, care sa foloseasca hidrogen lichid, cu un debit de 29,9 kg/s, si care sa fie controlat cu ajutorul unui reflector neutronic si cu o duza racita regenerativ.

KIWI B, spre deosebire de KIWI A, era menit a studia posibilitatea atingerii acestor obiective operationale. Ideal, motorul trebuia sa fie testa cu succes, apoi succedat de prototipul KIWI C. In realitate, insa, o serie de accidente problematice au necesitat realizarea mai multor variante intermediare de KIWI B.
 

KIWI B1A

KIWI B1A a fost primul reactor din aceasta noua serie, si ultimul care a folosit hidrogen gazos ca si masa de reactie. Pentru a permite atingerea unei valori de putere de 10 ori mai mare decat reactoarele precedente , au fost operare o serie de modificari majore ale design-ului:

• eliminarea cavitatii centrale cu apa grea (diametru de 45.72 cm)
• marirea numarului de elemente de combustibil si a canalelor de racire din fiecare element
• marirea densitatii fluidului de lucru prin cresterea presiunii la iesire din miez pana la valoare de 3448 kPa
• inlocuirea reflectorului de grafit cu un sistem de control exterior constand dintr-o o serie de 12 tamburi grosi de 20.3 cm, realizati din beriliu, si 12 tamburi placati cu bor. Desi beriliu era semnificativ mai scump si extrem de toxic si periculos de prelucrat, era de asemenea si foarte usor, reducand greutatea finala a reactorului cu 1100 kg.

O diferenta fata de modelul A3 a fost ca numarul de canale de racire in fiecare element de UO2 era marit la 7. La fel ca mai inainte, fiecare element de combustibil era incastrat intr-o prisma de grafit hexagonala. Rezistenta la sarcini de tractiune era asigurata de un cadru exterior de aluminiu. Fiecare element de combustibil era lung de 66 cm.

Prima tentativa de test a avut loc pe 7 Noiembrie 1961. Insa, in timpul operatiunilor de pre-testare o serie de evenimente neprevazute au avut drept rezultat o explozie de hidrogen. Aceasta explozie a produs avarii semnificative vagonului care transport reactorul, precum si asupra instrumentelor. Efectele asupra reactorului in sine, insa, erau nesemnificative, si au fost usor reparate in zilele urmatoare (reactorul, nefiind pornit, nu era radioactiv).

A doua tentativa de testare a avut loc pe 6 Decembrie. Experimentul a demarat, dar a fost intrerupt prematur chiar inainte de primul prag de 1056 K. Au fost doua motive:

• un exces neasteptat de criticalitate negativa, care a necesitat deschiderea tamburilor pana aproape de valorarea maxima. Dupa racire, tamburii au fost din nou actionati iar efectul a disparut.
• termocuplele folosite pentru diagnosticarea reactorului fusesera conectate invers (!!!). Acest aranjament ar fi dus la pierderea unei cantitati mari de date care erau necesare pentru prototipurile ulterioare. In timpul unui pre-test nocturn, termocuplele au fost rearanjate, iar testul a fost reprogramat pentru a doua zi (7 Decembrie).

A treia incercare a fost demarat in dimineata zilei de 7 Decembrie. Planul cerea ca motorul sa fie operat vreme de 300 de secunde (limita fiind cantitatea de hidrogen disponibila), la o putere de 270 MWth. Insa, in timpul testului, s-a decis ca bucla de control a temperaturii sa fie lasata deschisa. Acest fapt, combinat cu o eroare considerabila de calibrare in sistemul neutronic liniar, a facut ca reactorul sa nu reuseasca sa atinga decat 225 MWth. Din pacate, experimentul a trebuit sa fie intrerupt la scurt timp dupa atingerea acestui platou, datorita izbucnirii unor incendii de hidrogen de dimensiuni considerabile. Durata totala a fost astfel de 36 de secunde. Pentru prima oara, s-a reusit obtinerea unei valori pentru impulsul specific, estimat la 763 secunde.

La o analiza ulterioara, s-a dovedit ca inelul de garnitura (O-Ring-ul) original nu se potrivea cu ajutajul de evacuare fabricat la Rocketdyne, si, ca atare, fusese inlocuit cu un alt inel de aluminiu moale. Desi acelasi tip de inel fusese folosit fara probleme la testele anterioare, presiunea si temperaturile considerabil mai inalte au facut ca acesta sa cedeze, compromitand caracterul ermetic al reactorului.

Pe langa incendiul principal, fusesera observate si doua incendii de dimensiuni mai mici, care nu era asociate cu scapari de hidrogen. Unul dintre acestea era rezultatul topirii unei linii electrice apartinand unui traductor, cauzata de flacarile de hidrogen. Al doilea incendiu,considerabil mai mare, izbucnise in partea inferioara a vasului de presiune. Motorul acoperea acel unghi al camarelor, ca atare, cauza incendiului nu a putut fi identificata.

Desi puterea atinsa in cadrul testului nu a fost de nivelul dorit, el a oferit o cantitate de informatii mai mare decat cele trei anterioare. Mai mult, a arata ca instrumentele de masura erau functionale: toate termocuplele au functionat optim, si astfel performanta termica a motorului a putut fi corespunzator masurata.

De asemenea, inspectia post-mortem a aratat ca numai doua dintre cele 72 de elemente de comubustibil prezentau fracturi transversale, restul prezentand urme minore sau deloc. S-a determinat ca aceste doua elemente se crapasera din cauza expunerii inegale la fluxul de hidrogen, cauzand diferente de temperatura intre diferite zone.

Diagrama in sectiune a motorului KIWI-B1A, aratand eventualele semne de distrugere Chiar daca e prima data cand vedeti o astfel de diagrama, toate motoarele din seria A fusesera similar reprezentate. Spre deosebire de ele, aici se observa pagubele relativ minor ale testului. Restul le puteti vizualiza din curiozitate pe documentul „Overview of the Rover Program”

 

KIWI B1B

A fost primul prototip gandit sa foloseasca hidrogen criogenic lichid. Obiectivele erau:

• investigarea pornirii motorului folosind hidrogen lichid
• investigarea integritatii structurale ale reactorului, in conditii de pornire rapida, folosind hidrogen lichid, si in conditiile operationale normale (temperatura 2278 K, debit de 31.8 kg/secunda; densitatea puterii era de 5 ori mai mare decat KIWI-B1A)
• studierea performantei termice a reactorului la pornirea rapida si la operarea la plafon
• verificarea modelelor analitice pentru temperatura, putere si flux la putere maxima
• testarea integritatii noului sistem ce folosea izolatie cu pyorgrafit
• investigarea stabilitatii unui reactor racit cu hidrogen lichid in perioada de racire (in care efectul de moderare al hidrogenului capata o importanta deosebita)
• testarea sistemelor de control in timpul start-up-ului criogenic, in speta masurarea efectului controlului cu bucla inchisa asupra temperaturii de evacuare

Modulele de combustibil erau identice ca si cele pentru B1A, cu grafit ranforsat folosind un grilaj de aluminiu la capatul de intrare. Elementele prezentau 7 canale de racire fiecare, cu diametre care variau intre 0.381cm si 0.427cm, in functie de pozitia in miez si de gradul de incarcare cu uraniu. Fiecare element era lung de 127 cm, si, in total, miezul avea 1147 astfel de elemente.

Fata de B1A, erau cateva diferente:

• numarul de module la periferia miezului era marit
• elementele exteriorare erau aranjate in forma circulara
• miezul folosea elemente de lungime normala, in locul celor de jumatate de lungime utilizate pe B1A
• inelele care inconjurau reflectorul de beriliu erau modificate pentru a compensa folosirea hidrogenului lihcid
• distanta dintre reflector si placa de sprijin a miezului era critica, si avea valoare de 10 mm.
• izolatia termica intre reflector si cilindru folosea materiale mult diferite
• cilindrul reflectorului de grafit folosea si canale axiale pentru racire

Puterea nominala a reactorului era de 1100 MWth, din nou, un salt considerabil in putere.

Testul presupunea o pornire initiala de 18 secunde, urmata de o crestere graduala a puterii vreme de 54 de secunde. In timpul celor 18 secunde, sistemul de debit a resimtit oscilatii severe. Acestea au fost explicate ca fiind datorita interactiunii dintre fluxul de hidrogen lichid, viteza fluxului si tevile de transport aflate la temperatura camerei.

Testul a fost intrerupt dupa cateva secunde de operare la temperatura maxima datorita unor „scanteieri” in jetul de evacuare, indicand ca motorul pierdea bucati de combustibil. In total, 11 elemente de combustibil au fost ejectate prin duza. O cantitate mare de hidrogen a scapat datorita penetrarii portiunii divergente a duzei, cauzand un numar de orificii in tuburile de racire.

Analiza post-mortem a aratat pagube considerabile, in total 50 de module fiind afectate. Cauzele erau:

• cresterea rapida a temperaturii
• vibratii laterale
• oscilatii de flux si presiune
• scapari de hidrogen datorita etanseitatii necorespunzatoare
• folosirea hidrogenului lichid
• un fel de defect (termenul folosit era de „sickness”) al grafitului
• expansiune anormala a capsulelor de oxid de uraniu, provocand fracturi majore

Per total, motorul a fost un prototip util. O serie de probleme preconizate referitoare la transformarea hidrogenului din stare lichida in stare gazoasa nu s-au materializat. Insa, motorul nu a reusit sa-si atinga puterea nominala de 1100 MWth (analizele ulterioare au aratat ca puterea maxima atinsa a fost de 880 MWth, vreme de cateva secunde).

Incepuse deja sa se contureze urmasul programului Rover (programul NERVA) iar performantele slaba ale acestui tip de motor precum si necesitatea unor schimbari structurale costisitoare au rezultat in eliminarea sa ca si model pentru reactoare viitoare. Acest lucru nu are trebui sa ne surprinda, dat fiind ca testele partiale au aratat ca varianta alternativa (motorul KIWI B4) deja se arata ca fiind tehnic superioara.

Vedere axiala si in sectiune a motorului B1B

Sus: vedere in sectiune a unui modul de combustibil pentru motorul B1B. Jos, diagrama aratand pozitia si nivelul de pagube produse in urma testului.

 

KIWI B4A

Esecul testului cu B1B a facut ca urmatorul model sa constituie o dublare a eforturilor de a obtine parametrii operationali optimi. Astfel, obiectivele acestuia erau:

• obtinerea unei puteri de 1100 MWth, la o temperatura de evacuare de 2278 K cu un debit de 31.75 kg/sec
• evaluarea design-ului mecanic si neutroni al miezului
• studierea efectelor folosirii hidrogenului lichid pentru racire

Motorul folosea un nou tip de tija de combustibil hexagonala, cu o latime de 1.905 cm si lungime de 132 cm. Acestaa urmau sa devine standard pentru toate modelele ulterioare. Combustibilul era in continuare oxid de uraniu, iar elementele contineau 19 canale de racire cu un diametru de 0.239 cm fiecare. Ele erau dispuse intr-o forma triunghiulara, cu o distanta de 0.442 cm intre centre. S-a pastrat procedeul de placare a interiorului canalelor cu carbura de niobiu.

Pentru a omogeniza distributia de putere, concentratia de capsule cu uraniu varia intre elemente in functie de pozitia lor, existand 5 „grade” de incarcare. In total, miezul continea 256 de ansamble, cu 1644 de elemente de combustibil. Fiecare ansamblu era format din 6 elemente de combustie in jurul unei tije inerte (cu rol structural). Ele erau sprijinite si ranforsate cu o tija de otel inoxidabil care actiona ca si transmitator de sarcini intre bloc si placa de sprijin.

Sectiune si diagrama a reactorului KIWI-B4A si a unui element de combustibil

Testul a avut loc pe 30 Noiembrie 1962, si a fost lovit de dificultati inca de la inceput: in timpul pornirii, cand puterea reactorului ajunsese la 120 MWth, au inceput sa se manifeste strafulgerari de culoare oranj in jetul de evacuare. 21 de secunde mai tarziu, reactorul a ajuns la primul prag de putere intermediar (250 MWth), care a fost mentinut vreme de 37 de secunde. Un al doilea prag a fost apoi initiat (210 MWth) si mentinut vreme de 32 de secunde. In urma acestuia, puterea a inceput sa fie ridicata, pentru atingerea celui de-al treilea prag intermediar la 450 MWth. Insa, strafulgerarile au devenit atat de frecvente incat testul a trebuit sa fie abandonat la 13 secunde dupa cresterea puterii. Dupa ce puterea fusese redusa la 7.5 MWth, cu un debit de 5.9 kg/sec, s-a produs o explozie in incinta de izolare a vagonului, smulgand usile incintei.

Testul B4A a fost, din toate punctele de vedere, cel mai dramatic si distructiv de pana in acel moment. Analiza post-mortem a aratat ca 97% din elementele de combustibil fusesera afectate. 91% din elementele de sprijin centrale ale amsamblelor de combustibil erau rupte, 80 la suta din acestea fiind „rase” (erodate in directie axiala).

Dintre cele 36 de slat-uri de izolare, 31 au fost fracturate. 20 % dintre elementele de combustibil au avut canalele de racire obturate cu partial sau total cu adezivul (glyptal) desprins si aproape toate termocuplele au fost avariate (unele fragmente dintre acestea avariind, la randul lor, matricile de grafit).

Un aspect interesant al reactorului, insa, a fost efectul acestor cedari in serie. Desi elementele de combustibil au fost ori ejectate, ori fisurate, pierderea moderatorului din grafit fusese compensata de o crestere a moderatiei totale datorata patrunderii hidrogenului lichid in spatiile vacante (hidrogenul lichid fiind un moderator mult superior grafitului). In felul asta, neutronii aveau un spectru de viteza mult redus, ceea ce le-a permis sa fisioneze mai multi atomi de uraniu, contrabalansnd pierderea unor elemente de combustibil. Aceasta interactiune complexa a fost lucrul care a permis motorului sa continue sa opereze si sa fie controlabil chiar si dupa compromiterea sa interna.

Un alt aspect care a fost studiat mai intens au fost efectele asupra duzei. Astfel, s-au evidentiat doua tipuri de pagube:
o serie de deformatii termo-mecanice in portiunea convergenta a duzei; acest tip de problema era relativ des intalnita in acel moment, fiind o constanta in toate componentele Rocketdyne (atat nucleare cat si chimice).
urme de impact, zgarieturi si penetrari in portiunea gatului si divergenta a duzei, provocate de materialele expulzate din miez. Comparativ cu testele anterioare, chiar si cele care suferisera incidente similare, efectele erau mult mai semnificative in acest caz.

KIWI B4A adus la standul de testari pe vagonul sau

 

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 )