Concomitent cu munca realizată pentru SNAP 2 Development Reactor, Forțele Aeriene ale Statelor Unite au cerut un studiu asupra unui reactor cu sistem de generare termoelectric, cu un regim de putere între 0.3 și 1kWe. Din acest studiu preliminar a rezultat programul care va duce, în final, la realizarea reactorului SNAP-10, iar din SNAP-10 va rezulta reactorul SNAP-10A, primul reactor nuclear care va ajunge pe orbită.
Prima iterație
Inițial, design-ul era similar cu cel al reactoarelor Romashka pe care le vom trece în revistă când vom vorbi despre proiectele URSS în domeniul astro-nuclear. Miezul urma să utilizeze plăci de combustibil nuclear UZrH, adică un aliaj de uraniu și hidrură de zirconiu. Acest tip de combustibil este cel mai des întâlnit în reactoarele de cercetare TRIGA, fiind faimos pentru capacitatea să excelentă de auto-reglare (practic, reactoarele TRIGA nu pot suferi accidente nucleare).
În jurul miezului ar fi fost dispuse plăci de beriliu pentru conducție termică, iar întregul ansamblu ar fi fost înconjurat de reflectoare radiale și axiale tot din beriliu. Cu răcire internă bazată doar pe conducție termică și cu răcire prin externă prin radiatoare, reactorul era practic o pilă electrică, fără fluide sau componente în mișcare.
Conectate la acest reflectoare neutronice era sistemul de conversie termoelectric, al cărei singură componentă externă vizibilă erau panourile radiative. Reactorul era de fapt, foarte similar cu un RTG modern. Diferența era că utilizarea unei surse active de putere nucleară (o reacție în lanț vs un bloc de plutoniu care se descompune) permitea obținerea unei puteri electrice mult superioare (de ordinul a 1 kW vs cele câteva zeci de wați pe care îi poate obține un RTG). Acesta era SNAP-10 și, bazându-ne pe cele spuse mai sus punem enumera caracteristicile sale:
- Miez bazat pe plăci de aliaj U-ZrH;
- Răcire și transmisie de căldura prin conducție termică, pur pasivă, fără fluide sau componente în mișcare;
- Conversie termoelectrica, cu putere de minim 300 de wați.
A doua iterație
Am menționat mai devreme că reactorul SNAP-2 era și el în dezvoltare la acel moment. Asta însemna că miezul pentru S2DR era în construcție. Luând în calcul că SNAP-2 era un design de miez relativ matur, testat și cu caracteristici și parametrii bine cunoscuți, iar NASA nu dorea, la acel moment, un reactor care să funcționeze mai mult de un an pe orbită (care ar necesita, deci, un reactor totalmente solid-state), precum și o cerere făcută în 1961 de către Departamentul Apărării pentru un reactor spațial capabil să livreze 500 wați de putere electrică, administratorii programului au decis să implementeze o serie de modificări majore seriei SNAP-10. Acest design modificat purta numele de SNAP-10A, și urma să aibă următoarele caracteristici:
- Sistemul de răcire și conducere a căldurii pe baza de conducție a fost înlocuit cu un sistem cu circuit de NaK, similar cu SNAP-2. La fel că la SNAP-2, sistemul folosea convecție forțata, și ar fi permis obținerea unei eficiente a transferului de căldura mai mare, cu dezavantajul limitării duratei de viată.
- Miezul SNAP-10A ar fi fost de fapt, același cu cel de la SNAP-2, cu tije de combustibil în loc de plăci metalice. Se păstra aliajul U-ZrH.
Miezul ar fi generat aceeași putere că la SNAP-2, adică 30 kWt, însă eficientă redusă a sistemului termoelectric (1.6%) făcea că întregul reactor să genereze doar 500 W. Această putere a fost considerată suficientă pentru misiunile de cercetare relativ modeste posibile în acel moment.
Am menționat mai sus că folosirea unei pompe pentru circuitul de NaK limita teoretic durata de viată maximă. Această limita era însă una secundară, limita principala fiind dată de folosirea tijelor de combustibil în locul plăcilor: orice combustibil nuclear produce elemente noi ca urmare a reacțiilor de fisiune atomică. În multe cazuri aceste elemente noi sunt gaze (de regulă, izotopi de gaze nobile, precum heliu, argon sau radon), ducând la apariția unor goluri în aliajele metalice/ceramice folosite. Aceste goluri adună gazele și se extind, ducând la o tendința a combustibililor nucleari de a se expandat în timp, supunând învelișurile externe la presiuni imense, producând crăpături, precum și reacții chimice nedorite cu noile elemente apărute. Acest fenomen de expansiune reprezintă principala limita la reactoarele convenționale cu apă presurizată folosite pe Pământ, și reprezenta și principala limita pentru SNAP-10A. Deși existau calcule care arătau că, teoretic, reactorul putea funcționa mai mult de un an (în orice caz, în decursul unui an, reactorul ardea mai puțin de 1% din inventarul sau de combustibil), exista posibilitatea ca tijele să cedeze. Economia de timp și bani obținuta, însă, prin utilizarea unui miez deja cercetat, dezvoltat, fabricat și testabil era însă mai importantă.
Efectele expansiunii datorate acumulării produșilor de fisiune
La fel ca și reactorul SNAP-2, SNAP-10 folosea o pompă pentru antrenarea circuitului de NaK. În mod deosebit, nu vorbim de o pompă cu pistoane sau centrifugă, ci de o pompă electromagnetică, fără componente în mișcare. Pompa era, de fapt, o lungime de țeava, înfășurata într-o serie de fire electrice, alcătuind bobine. Curentul electric trecea prin bobine, producând un câmp magnetic extern, iar apoi același curent electric era trecut între doi electrozi imersați în fluidul conductiv. În urma acțiunii curentului electric și a câmpului magnetic, fluidul resimțea o forța de mișcare și se deplasa, fără alte componente care se puteau strica sau necesita reparații.
Model experimental ilustrând principiile pompelor electromagnetice
Operațiuni
SNAP-10A nu era gândit să alimenteze facilitați cu echipaj la bord. Puterea sa era suficientă pentru un satelit modest, dar cu numai 0.5 kW, nu ar fi fost suficient un singur sistem. Din acest motiv, reactorul a fost gândit de la bun început pentru operații fără intervenție umană. Mai mult, mulțumita controlului de reactivitate intrinsec pe care îl oferă combustibilul U-ZrH, reactorul nici nu necesită sisteme active. Practic, reacția se controla singură, printr-o serie de fenomene fizice și moleculare (ridicarea temperaturii ducea la degajarea hidrogenului din aliaj; cum hidrogenul nu mai interacționa la fel de direct cu neutronii emiși de uraniu, gradul de moderare scădea, iar reacția își pierdea și ea din putere, racind reactorul și permițând hidrogenului să permeeze din nou aliajul; această tendința de autostabilizare se definește printr-un parametru denumit „coeficient de reactivitate negativ”).
La începutul zborului spațial exista o perioadă de 72 de ore în care controlul reactivității se realiza activ, cu tije și reflectoare în mișcare. Această perioada scurtă era menită să asigure aducerea reactorului în regimul său de funcționare de lungă durata fără stările temporare (așa numiții transienți) care caracterizează punerea în funcțiune a unui reactor. Odată trecute cele 72 de ore, reactorul intra în regim steady-state, iar elementele de control active se sudau în pozițiile normale. Această necesitate pentru operațiuni autonome impunea cunoștințe stringente asupra comportamentului reactorului, stabilității sale pe termen lung și oricăror alte efecte apărute în timpul misiunii sale de un an.
La sfârșitul vieții, reactorul era gândit să rămână pe orbită vreme de 5 ciclii de înjumătățire pentru a permite radioactivității să scadă până la un nivel considerat sigur. Apoi, reactorul și nava atașata ar fi reintrat în atmosferă, arzând, resturile fiind pulverizate și răspândite pe arii uriașe, reducând contaminarea până la niveluri insesizabile. Poate pare surprinzătoare o asemenea abordare, dar să nu uităm că eram în era testelor atomice de suprafața (care răspândeau sute de tone de sol iradiat). Comparativ cu un singur test atomic, lansarea până și a 100 de astfel de reactoare degaja o cantitate neglijabilă de deșeuri. Din punct de vedere medical, riscul era practic inexistent atât timp cât materialul radioactiv era bine pulberizant. Desigur, eșecul reactorului sovietic BES-5 de câțiva ani mai târziu, a arătat că o astfel de abordare poate avea reale și stringente probleme politice (inofensiv sau nu, diverse țări din lume s-ar putea să nu accepte o astfel de deorbitare în spațiul lor aerian). Despre asta vom vorbi în capitolul dedicat programului sovietic.
Însă, după cum am menționat, designerii trebuiau să se asigure că tijele și alte elemente contaminate sau iradiate ardeau total, până la condiția de pulbere fină. Iar ăsta era un comportament dificil de modelat și prezis în era în care CFD-ul (dinamică fluidelor prin simulări pe super computere) nu există. Mai exact, testarea acestui aspect necesită o lansare efectivă.
Reactorul SNAP-10A, fără radiatoare. Se pot observa diversele sale componente externe
SNAP-10A in testări – Ne putem face o impresie asupra dimensiunilor sale. Conul de dedesubt este gol si e de fapt radiatorul de căldura prin care circula fluidul de răcire. Din 30 kWt produși de reactor, 0.5 se transformau in curent electric, 29.5 trebuiau radiați in spațiu, ducând la necesitatea unui radiator de dimensiuni mari
Ciclul termodinamic al reactorului SNAP-`10A, cu termocuplele aferente si reactorul in configurație completa
RFD-1
RFD-1 este o abreviere de la SNAP Reactor Flight Demonstration Number 1, și era gândita să fie misiunea de testare a comportamentului de reintrare a reactorului. Mai exact era menită a demonstra că dezasamblarea și arderea la reintrare se petreceau în maniera sperată, fără fragmente macroscopice rămase. De asemenea, era gândita să cerceteze și dacă se puteau petrece alte fenomene neanticipate în decursul reintrării. Liderul programului era Sandia National Labs.
În mod normal, un astfel de test ar fi necesitat lansarea unui reactor pe orbită. În locul combustibilului adevărat (U-235 cu ZrH) s-ar fi folosit uraniu sărăcit (U-238 cu ZrH) care nu ar fi putut întreține o reacție în lanț. Practic, un surogat al unui reactor adevărat. Deși uraniul-238 nu putea întreține o reacție nucleară, comportamentul sau la contactul cu atmosfera (din punct de vedere chimic și termodinamic) e identic.
Problema era însă costul. Cum bugetul nu era foarte mare, iar rachetele orbitale erau scumpe, echipa a realizat că lansarea pe orbită a unui reactor propriu-zis era prea costisitoare. Trebuia găsita o alternativă, iar alternativă a fost RFD-1.
În locul unei rachete capabile să ajungă pe orbită, RFD-1 ar fi folosit o rachetă de sondare. Rachetele de sondare (în engleză sounding rockets) sunt o categorie de rachete de dimensiuni mai mici (relativ; unele pot avea și 10 metri lungime) folosite pentru a transporta aparatură științifica la înălțimi și viteze mari. Ele nu sunt capabile să atingă combinația de viteză și altitudine necesară pentru a se înscrie pe orbită, dar pot urmă traiectorii suborbitale de mii de kilometrii, la viteze similare celor de reintrare. În treacăt menționam că astfel de rachete sunt folosite și în ziua de astăzi, spre exemplu pentru experimente în stratosferă.
Racheta de sondare Scout X-3
Comparativ cu un lansator orbital, o rachetă de sondare e mult mai ieftină de lansat. Însă, timpul relativ scurt de zbor a necesitat modificări ale machetei de reactor folosite, pentru a obține și transmite datele necesare. Echipa a cerut și primit de la NASA posibilitatea folosirii unei rachete Scout X-3, lansată de la perimetrul de testare Wallops Island, în largul coastei Noii Zeelande (folosit și astăzi).
Cu rachetă de testare în buzunar, echipele de inginerie s-au adunat și au început să planifice misiunea țînând cont de limitările vehiculului. Astfel:
- Pentru că racheta nu putea atinge aceleași viteze la reintrare, echipa a decis să o dirijeze înspre sol la finalul misiunii. În acest fel, se scurta durata misiunii (și deci fereastră de timp pentru a obține date) dar, în picaj, vehiculul putea atinge viteze mai apropiate de cele resimțite de un vehicul orbital.
- Scout nu putea transporta masa întreagă a reactorului (440 kg) așadar au început să taie din sistemele non-necesare. Nu a fost inclus:
- fluidul de răcire
- sistemul de conversie termoelectric
- pompa pentru NaK a fost simulată printr-o simplă cutie goală de oțel inoxidabil
- ansamblul de reflectoare din beriliu a fost înlocuit cu o machetă din aluminiu (nu doar din cauza masei cât și a toxicității; BeO nu e ceva ce vrei să-ți ajungă în plămâni)
- nu s-au folosit elemente de uraniu sărăcit în interiorul reactorului-macheta, ci doar 6 distanțiere din oțel gândite să țină pe poziție componentele interioare.
- Durata zborului era redusă, așadar nu trecea suficient timp pentru ca învelișul exterior al combustibilului macheta să se degradeze. Dacă nu se degrada, aliajul de uraniu din interior nu ar fi intrat în contact cu atmosfera și nu ar fi apucat să ardă. Și fiindcă asta era aspectul principal al testului, s-a adoptat un compromis: tijele de aliaj de uraniu urmau să fie amplasate la exteriorul machetei de reactor, fără înveliș de protecție, și ejectate devreme în timpul picajului. Pentru că unghiul de atac era mare și timpul redus, ele nu apucau să ardă în totalitate, însă cercetătorii de la sol puteau monitoriza momentul aprinderii și intensitatea arderii, și apoi puteau folosi respectivele date pentru a obține o modelare de laborator mult mai bună.
- Echipamentele științifice de la bord trebuiau montate în așa fel încât să nu afecteze profilul de zbor al rachetei și să permită transmisia datelor pe toată durata zborului. Asta a condus la alte câteva modificări minore.
Deși era un compromis, s-a considerat că datele astfel obținute ar fi fost suficiente pentru o lansare orbitală, diferențele dintre macheta și reactorul propriu-zis fiind relativ nesemnificative termodinamic și aerodinamic.
Profilul de misiune pentru RFD-1
Macheta de reactor cu componentele sale
Pentru a oferi sprijin testului, au fost folosite și alte câteva resurse: baza de lansare de pe Insula Wallops, precum și stația de monitorizare NASA din Bermuda. De asemenea, s-au folosit trei nave și 5 aparate de zbor staționate în zona preconizată de impact. Stațiile terestre erau cele care înregistrau datele radar și optice, pentru a verifica arderea reactorului și a elementelor de combustibil, în timp ce navele și avioanele recepționau telemetria de la instrumentarul de bord, precum și date radar suplimentare. În plus, unul dintre avioanele NASA avea la bord un spectrograf pentru a analiza lumina provenită de la dezintegrarea vehiculului de reintrare.
Lansarea a avut loc pe 22 Mai 1963 și s-a petrecut exact conform planului. Vehiculul a atins înălțimea de 150 km înainte de a plonja, eliberând elementele de combustibil la altitudinea de 115 km. Lumina acestora a devenit vizibilă la altitudinea de 60 km. Durata de zbor redusă nu a permis arderea lor în totalitate, adică exact cum era de așteptat, însă intensitatea măsurata a luminii emise a permis modelarea comportamentului și a arătat că, la o reintrare adevărata, tijele ar fi fost arse și răspândite la o altitudine suficientă pentru a asigura diluarea radioactivității.
Secvența de ardere a elementelor de combustibil. Înregistrare din timpul misiunii RFD-1
Per total, testul a fost un succes oarecum remarcabil, în opinia mea, dat fiind bugetul și posibilitățile limitate. Acum, tot ce rămânea era un zbor orbital adevărat, pentru a demonstra funcționalitatea conceptului. Această misiune a primit numele de SNAPSHOT, și o vom acoperi în articolul următor.
>Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. https://beyondnerva.com/fission-power-systems/systems-for-nuclear-auxiliary-power-snap/snap-10-10a-and-snapshot/
2. SNAP 10A reactor design summary – https://www.osti.gov/biblio/4476722
3. Annotated bibliography: SNAP 10A Program – https://www.osti.gov/biblio/4077974
4. Production Program – Operational – SNAP 10A Units – https://www.osti.gov/biblio/966278
5. Fiscal Year 1962-63 SNAP 10A Program Proposal (Revised August 15, 1961) – https://www.osti.gov/biblio/966135
6. SNAP 10A Environmental Test Status Report, February – March 1964 – https://www.osti.gov/biblio/1241353
7. A Reliability Improvement Program Planning Report for the SNAP 10A Space Nuclear Power Unit – https://www.osti.gov/biblio/966760
8. SNAP 10A SNAPSHOT program development – https://www.osti.gov/biblio/4194781
9. Long-term storage of spent nuclear fuel – https://www.nature.com/articles/nmat4226
10. Scout X-3 – http://www.astronautix.com/s/scoutx-3.html
11. https://space.skyrocket.de/doc_sdat/rfd-1.htm