Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 7)

KIWI B4E

Nici un rezultat in stiinta nu poate fi considerat validat daca nu poate fi reprodus. Testul B4D fusese un succes fulminant, care punea inapoi pe sine intregul program Rover. Managementul bun, supravegherea lui Anderson si Finger (care, in urma testului, si-a schimbat opinia referitor la program, desi in continuare nu l-a considerat fezabil economic) si dezvoltarile tehnice permisesera realizarea unui motor care a atins toate obiectivele operationale. Insa, trebuia sa se demonstreze ca putea fi reprodus acest succes de cate ori era necesar, iar pentru asta s-a folosit prototipul B4E.

Obiectivele erau:

• operarea in apropierea conditiilor nominale de flux, temperatura si putere
• caracterizarea efectelor pe care le avea timpul de operare asupra parametrilor de mai sus si a instalatiei de curgere
• masurarea performantei neutronice si compararea ei cu predictiile teoretice

Obiectivele secundare erau:

• inchiderea buclei de control al temperaturii prin folosirea unor termocuple legate de materiale din miez, in locul unora expuse la jetul de evacuare
• masurarea efectelor pe care le avea densitatea hidrogenului asupra reactivitatii
• investigarea posibilitatii de racire a reactorului folosind numai hidrogen
• determinarea functiei dintre presiunea de evacuare a pompei si presiunea de intrare in miez prin tehnici de corelare

Design-ul reactorului era practic identic cu cel anterior, cu urmatoarele diferente:

• reactorul folosea numai elemente de carbura incapsulate intr-un strat exterior de pyrocarbon
• sistemul de control al temperaturii a fost revizuit pentru a folosit masuratori prin termocuple (situate la planul de mijloc axial) pe post de furnizori de date de intrare
• s-a efectuat o reducere a fluxului de racire la periferia miezului pentru a reduce degradarea temperaturii de iesire provocata de eventualele scurgeri
• s-a folosit o duza de tip Rocketdyne RN-6, in locul clasicai RN-2. Aceasta avea un acoperamant exterior care prevenea patrunderea aerului lichefiat in tuburile de racire.

Miezul continea 1500 de elemente de cate 132 cm lungime, cu 19 canale, de forma hexagonala. Sectiunea canalelor era de 0.254 cm, cu suprafetele prezentand acelasi invelis de NbC, cu grosimea de 0.00508 cm. Existau 10 incarcaturi de uraniu, diferenta dintre elementele invecinate fiind de 12% pe directie axiala.

Trebuie sa facem aici o paranteza, si sa dicutam despre decizia de a folosi UC in loc de UO2. Dupa cum am mentionat, toate reactoarele precedente au folosit oxid de uraniu ca si combustibil principal. Problema majora cu oxidul era asa-numita reactie inversa („back-reaction”).

Particulele de carbura sunt extrem de reactive si au tendinta sa se transforme in oxizi in prezenta aerului, in special a aerului umed. Asadar reactii de oxidare-carburizare-oxidare avea loc in fiecare ciclu de incalzire si stocare. Includem aici operatiile de grafitizare, placarea canalelor si aprinderea reactorului. Fiecare ciclu cauza pierderea unei parti a carbonului prin aparitia dioxidului de carbon si astfel elementul era degradat.
De asemenea schimbari dimensionale au fost constatate si in elementele testate la Los Alamos. In unele cazuri, oxidarea carburii a facut ca materialul sa capate dimensiuni cu 4% la mai mari. Astfel, controlul dimensional si proiectarea structurala erau afectate.

Solutia care a fost adoptata era folosirea unor particule de UC2 cu dimensiuni considerabil mai mari, avand diametre intre 50 si 150 micrometrii, acoperite cu un strat de grafit pyrolitic gros de 25 de micrometri.

Detaliu construtiv al elementelor de combustibil care au devenit standard pentru articolele urmatoare

Prima aprindere a avut loc pe 28 August 1964. Reactorul a operat vreme de 12 minute, dintre care 8 au fost la putere maxima (937 MWth). Temperatura de evacuare s-a mentinat la valoarea de 2222 K, cu un debit de 31.8 kg/sec. Operatiunea a fost calma si lipsita de eveniment neprevazute. Diferenta fata de durata testului anterior era semnificativa. In fapt, reactorul nu a fost oprit din cauza unei probleme, ci fiindca cantitatea de hidrogen lichid era limitata.

Pentru a sublinia succesul testului, reactorul a fost repornit pe 10 Septembrie, si a operat la 882 MWth vreme de 2.5 secunde, cu acelasi debit si temperaturi ca si la aprinderea anterioara. S-a putut realiza acest experiment pentru ca toate datele au aratat ca motorul era in conditie excelenta. Intr-adevar, capacitatea de a reporni un reactor nu era prevazuta, si s-a infaptui astfel mult mai repede in decursul programului decat era anticipat initial.

In ambele instante, oprirea reactorului s-a realizat normal, fara incidente.

In analiza initiala dupa teste nu s-au descoperit dovezi ale vibratiilor intalnit la B4A. Tot atunci s-au confirmat si analizele pentru B4D.

La examinarea post-mortem s-a relevat faptul ca, desi aparent in conditie excelenta, existau zone de coroziune. Doua dintre aceste zone erau suprafete situate la periferia miezului, respectiv la suprafetele externe ale elementelor adiacente celor centrale (neincarcate, si continand termocuplele).

14 elemente au fost descoperite cu coroziuni semnificative, dintre care 11 apartineau celor 16 elemente periferice (cu forma si numarul de canale diferit, pentru a obtine o suprafata externa aproximativ circulara) si inca trei apartineau unor elemente standard cu 19 canale.

Vedere in sectiune a motorului KIWI-B4E

 

Teste ulterioare

Succesul fulminant al modelelor D si E i-a luat prin surprindere pe specialistii de la Jackass Flats, in special capacitatea de a reaprinde motorul. Nu s-au culcat insa pe lauri, ci, cu velele pline, au decis sa realizeze doua experimente care erau programate mult mai tarziu in cadrul programului.

Primul era un experiment menit a testa doua motoare adiacente simultan. Scopul era de a determina daca neutronii emisi de un motor puteau influenta negativ motorul adiacent.
Acest aspect era important, pentru ca majoritatea vehiculelor orbitale folosesc motoare multiple combinata in manunchiuri. Daca NTR-urile nu puteau fi folosite decat individual, impactul asupra planificarii misiunilor era semnificativ.

Detalii asupra acestui test sunt putine. Se stie ca unul dintre cele doua motoare era un KIWI B4 (posibil unul dintre articolele precedente, dar reconditionat) iar celalalt era PARKA, reactorul de teste de la Los Alamos, care a fost adus special pentru aceasta ocazie. KIWI urma sa opereze, iar schimbarile urmau sa fie masurate cu PARKA (un dispozitiv care, prin natura sa, era intesat de instrumentatie). Distantele dintre prototipuri erau de 4.9, 2.7 si 1.8 metrii.

Rezultatele acestui test erau ca motoarele nu sufereau probleme atunci cand erau operate aproape unul de altul. Desi s-au evidentiat unele efecte, care ar fi trebuit sa fie luate in seama la proiectarea unui vehicul orbital, folosirea lor in manunchiuri era perfect fezabila.
 

KIWI TNT

Ultimul prototip al seriei KIWI s-a deosebit de celelalte nu prin constructia sa neobisnuita ci prin scopul sau. TNT era o abreviere de la Transient Nuclear Test, si era menit a investiga comportamentul motoarelor atunci cand apareau variatii mari si potential distructive de putere sau debit. Situatia folosita ca si referinta era o prabusire a reactorului in apa. Apa, fiind un moderator neutronic bun, putea sa induca reactorului o stare prompt-critica.

Un scop secundar era investigarea posibilitatii ca reactorul sa fie „dezasamblat” in spatiu dupa terminarea misiunii.

Reactoarele KIWI erau proiectate sa functioneze normal la temperaturi de peste 2473 K. In cazul unui accident, insa, valorile puteau ajunge la 4273-4723 K. Acea plaja de operare constituia o mare necunoscuta cand venea vorba de proprietatile fizice si chimice ale grafitului.

Obiectivele erau :

• masurarea numarului de evenimente de fisiune petrecute la un nivel de reactivitate cunoscut, si compararea acestor informatii cu modelele teoretice
• determinarea mecanismelor de eliberare a energiei
• caracterizarea dezintegrarii unui astfel de reactor la un astfel de varf de putere
• masurarea dispersiei radioactive in atmosfera in cazul unui astfel de accident
• masuratori de radiatie in timpul si dupa un astfel de accident
• investigarea tehnicilor ce puteau fi folosite pentru curatarea locatiei post-accident

Reactorul folosit era bazat pe B4E. Folosea combustibil pe baza de carburi, cu un cilindru reflector din grafit si capace de beriliu, incastrate intr-un vas de presiune din aluminiu.

Elementele de combustibil nu erau placat cu niobiu. Exceptia faceau unele elemente care fusesera fabricate pentru teste anterioare, dar nu trecusera verificarile de calitate (in jur de 800).

In total, miezul a folosit 12 tipuri diferite de elemente. Controlul reactivitatii se realiza folosind 12 tamburi rotativi situati in interiorul reflectorului. Nu s-a folosit masa de reactie in acest experiment.

In mod normal, tamburii de control se puteau invarti cu o viteza maxima de 45 grade/sec. Pentru ca reactorul trebuia sa simuleze instabilitati puternice, viteza a fost marita de 89 de ori, pana la 4000 grade/sec. Reactorul a fost construit sa fie, de asemenea, extrem de sensibil la variatii de neutronicitate.

Alte modificari erau:

• zona de intrare si iesire a porturilor hidraulice era cu 50% mai mare
• diametrul liniilor hidraulice era marit
• s-au folosit valve de control de 30 GPm, in locul celor obisnuite de 3.5 GPm
• presiunea hidraulica era marita de la 4826 kPa la 9308 kPa
• folosirea unor circuite de aprindere cu latenta pre-determinata, pentru a asigura activarea simultana a tututor elementelor de combustibil

Reactorul a fost distrus intentionat pe 12 Ianuarie 1965 la NRDS. Acesta reactie s-a obtinut prin fortarea motorului intr-o configuratie rapid instabila folosind tamburii de control. Acestia au fost programati sa se invarta la viteza maxima posibila.

Rezultatele obtinute au fost:

1. valori de temperatura, care au inregistrat masuratori maxime de 2167 K
2. pe o raza de 7620 m in jurul reactorului, nu a putut fi recuperat mai mult de 50% din materialul nuclear din miez. Despre restul, s-a presupus ca a fost ars in aer, transformandu-se in aerosoli, sau a fost pulverizat de explozie, devenind imposibil de reperat vizual
3. pe baza energiei exploziei, s-a estimat ca numai 5% pana la 15% din miez ar fi putut sa fie vaporizat
4. cel mai mare fragment gasit a fost o bucata din vasul de presiune, ce cantarea 67 kg, si avea o suprafata de 0.91 m patrati. A fost gasit la 229 m de reactor. Un alt fragment de 44 kg a fost recuperat de la 457-533 metri
5. numarul total de fisiuni a fost estimat ca fiind 3.1 x 10^20.

Desi aparent ridicol si periculos, KIWI-TNT a fost un experiment necesar. Tehnicile si informatiile oferite puteau fi folosite pentru planificarea aspectelor de siguranta in viitoare misiuni spatiale. Pe baza testului s-a emis raportul LA-3358-MS, intitulat „Siguranta Neutronica A Reactoarelor Rover”, care descria in detaliu aceste tehnici.

De altfel, desi nu se stia in acel moment, invatamintele trase aveau sa se dovedeasca utile atunci cand NRDS avea sa sufere al doilea accident nuclear, de aceasta data nedorit.

Explozia si ramasitele testului KIWI-TNT

 

La intretaiere de drumuri

Asadar aceast a fost sfarsitul seriei KIWI. Menit a fi un program de cercetare si dezvoltare, a arata fara dubiu ca un motor de racheta putea fi construit. Mai mult, a aratat ca, atunci cand configuratia si tehnologiile folosite erau potrivite, un astfel de motor era sigur, puternic si indeplinea posibilitatile teoretice.

Doar fiindca s-a sfarsit seria KIWI nu insemna ca s-a sfarsit programul Rover. Teoretic, obiectivele fusesera atinse, insa mai erau multe aspecte ce meritau cercetate. Motoarele erau inca relativ slabe comparativ cu performantele lor teoretice, combustibilul era inca problematic, iar plaja de solutii de design al motoarelor nucleo-termice nu era inca in intregime examinata.

In acelasi timp, insa, la NASA se desfasura o munca febrila. Programul Apollo era in plin avant, deja se pregateau de lansare variantele timpurii ale rachetei Saturn, iar la privati se construiau modulele lunare si echipamentul de intretinere a vietii.
Lumea se uita si muncea catre spatiu, iar motoarele nucleare nu puteau fi lasate in urma. Ele reprezentau viitorul post-Apollo, si trebuiau sa urmeze trendul.

Atunci s-a luat o decizie importanta: pe de o parte, Rover avea sa continue cu cercetarile sale fundamentale, urmand seria PHOEBUS. Pe de alta parte, tehnologia deja exista pentru a creea un motor de racheta functional. Asadar era necesare un program separat, al carui obiectiv final era un sistem de propulsie matur, certificat pentru a fi lansat si folosit in spatiu. Acesta era, teoretic, un demonstrator tehnologic, dar practic era menit a fi folosit pe un vehicul orbital.

Asadar, era necesar un program de dezvoltare paralel celui de cercetare. Acesta urma sa fie sub egida NASA, si s-a denumit NERVA, abreviere de la „Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications”.

Ambele programe au folosit centrul NRDS de la Jackass Flats (altminteri unic in lume in acel moment) si s-au desfasurat in paralel.

Personal, voi continua sa acopar Rover, insa NERVA trebuia sa fie si ea mentionata (deoarece, in ciuda succeselor sale, Rover nu a reusit sa certifice un motor; NERVA da), si va fi elaborata final. Randurile de mai sus sunt pentru a elucida de ce unele din reactoare au fost, din acest moment, testate in paralel.

Ambele programe si-au constituit fundamentul pe prototipurile KIWI, insa scopurile lor divergente au dus la design-uri diferite: NERVA a optat pentru motoare simple, de putere medie, care sa fie extrem de sigure si usor de controlat, Rover a creeat doua (sau chiar trei, depinzand de punctul de vedere) linii diferite de reactoare pentru a avansa tehnologia. Acestea au fost PHOEBUS si PEWEE, despre care urmeaza sa discutam.

Mai trebuie sa mentionam ca deja sufla vantul schimbarii prin Congress. Kennedy disparuse subit de pe scena politica (multumita unui lunetist), Lyndon B. Johnson, desi un manager capabil, nu era un personaj carismatic si avea dificultati in a-si asigura sprijinul politic. Ca atare, desi teoretic avea sprijinul partidului, practic trebuia sa negocieze. Apollo era prea mare si prestigios pentru public, si ca atare, nu putea fi taiat (in ciuda dorintelor anumitor curente). Insa specialistii deja incepeau sa se teama pentru epoca post-Apollo (pe buna dreptate) si pentru programele adiacente, cum erau Rover, NERVA, si bugetul NASA in general. Inertia adminsitratiei Johnson si bugetul masiv al NASA le-a permis continuarea, insa pe termen lung, lucrurile erau incerte. Chiar si asa, specialisti sperau ca daca puteau demonstra meritele tehnologiei, atunci vor avea un loc asigurat.
 

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 )

The post Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 7) appeared first on Romania Military.

Articol original

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 6)

Nisipuri miscatoare

Cu ultimele doua teste obtinand rezultate mult sub asteptari, presiunea a inceput sa creasca pe programul Rover. La nici o luna de la fatidicul test al KIWI B4A, presedintele Kennedy a vizitat facilitatile de la Los Alamos, urmand sa fie informat despre progresul programului Rover.

Era o premiera din multe puncte de vedere, si a ramas singura instanta in istorie cand un presedinte american vizita un laborator de teste atomice. Anturajul sau includea pe vicepresedintele Lyndon Johnson, precum si pe academicienii McGeorge Bundy, Jerome Wiesner, Harold Brown, Donald Horning, Robert Seamans,si senatorii Harold Finger, Clinton Anderson si parintele reactoarelor nucleare, Glenn T. Seaborg.

Semnele nu se aratau favorabile. Cu un an inainte, programul-sora, Pluto, menit a creea un reactor aeropurtat, fusese anulat, si se parea ca Rover era urmatorul. NASA estimase costurile de pana in acel moment ca fiind de 800 milioane de dolari, iar comisia pentru finante a Congresului argumenta ca Rover nu avea sens decat daca urmau misiuni ulterioare Apollo catre alte destinatii din sistemul solar.

Pe de alta parte, tot in acea perioada, SUA resimtea socul celei de-a treia infrangeri in cursa spatiala, cand, in 1961, Yuri Gagarin devenea primul om care zbura in spatiu. Interventiile tot mai dese in Vietnam, turarea motoarelor pentru Apollo si dezastroasa invazie din Golful Porcilor, facea ca administratia americana sa sovaie.

Trebuie sa mentionam ca multe critici au fost aduse managementului proiectului, care permisese ca programul sa se transforme intr-un loc de joaca pentru teoreticieni. Aceste acuzatii sunt numai partial adevarate: desi testele erau ciudat de neomogene, programul nu avea un tel ingineresc decat nebulosul concept „Condor”, despre care am mai amintit. Acest concept era mult prea ambitios pentru programul altminteri nou-creeat. O veste buna in acest sens a venit de la NASA, care, sub presiunile administratiei, a creeat un concept de misiune, denumit Reactor In-Flight Test, sau RIFT.

Acest concept cerea folosirea unui vehicul din familia Saturn/Nova (al carei configuratie fusese deja stabilita de Comisia Silverstein in 1959), care sa utilizeze o treapta superioara cu propulsie nucleara. Principalul aspect era impulsul specific superior, care ar fi permis folosirea unui vehicul mai mic pentru misiunile lunare. Desi, intr-un final, Nova a fost abandonata in urma deciziei de a folosi arhitectura de rendezvous pe orbita lunara, iar Saturn insusi a trecut prin multe iteratii care au lasat in urma configuratia nucleara, RIFT a permis celor de la Jackass Flats sa se concentreze pe obtinerea unui sistem cu specificatii bine conturate.

RIFT urma sa foloseasca o prima treapta de Saturn IC, o treapta intermediara umpluta cu apa (fara rol propulsiv), si o treapta superioara denumita S-N (Saturn-Nuclear). Aceasta urma sa fie construita de catre Lockheed in Sunnyvale, California, si asamblata la faciliatile NASA din Mississippi. 10 astfel de trepte urmau sa fie contruite, 6 pentru teste la sol si 4 pentru teste in aer.

Vehiculul final urma sa fie inalt de 111 metrii, iar reactorul pornit la altitudinea de 121 km deasupra Oceanului Atlantic. Motorul urma sa functioneze vreme de 1300 de secunde, pana la altitudinea de 480 km, dupa care urma sa se prabuseasca in Atlantic, la 3200 km de locul de lansare (reactorul urmand sa se scufunde, intact, in apa, unde mediul urma sa ecraneze radiatia).

RIFT avea sa fie, in final, abandonat din motive politice, financiare si tehnologice, insa telurile stabilite pentru motor ramaneau valabile. De asemenea, programul RIFT urma sa fie inlocuit de un program mai concentrat dupa finalizarea Rover, denumit NERVA. Din exterior, poate suna ciudat proiectarea unui motor pentru un vehicul si un program care nu mai exista. Savantii de la Jackass Flats au facut asta benevol dupa anularea RIFT in 1963, pentru ca era mai facil si mai usor de catalizat resurse pentru un concept concret decat pentru ceva nebulos (sau, mai rau, pentru nimic, lucru care, de obicei, semnala o inchidere iminenta). Intre timp, insa, trebuiau rezolvate problemele cu seria KIWI.

Proiectul primise 187 de milioane de dolari in 1962, iar NASA si AEC cereau inca 360 milioane pentru 1963. Kennedy, nou sosit dupa problemele acelui an din Cuba (care aproape rezultasera intr-un razboi nuclear) a atras atentia asupra presiunilor bugetare, intreband care era utlitatea sa pentru Apollo. Finger a argumentat ca putea fi privit ca fiind o polita de asigurare in cazul in care misiunea catre Luna devenea evident nefezabila pentru propulsia chimica (un aspect inca necunoscut la acel moment), si ca avea utilitate in cazul unor baze lunare sau misiuni martiene care ar fi urmat dupa Apollo. Cand Weisner, Brown si Hornig au contrat, spunand ca adminsitratia nu isi propusese un asemenea program (Apollo starnind deja nemultumiri datorita costurilor) si ca un eventual program martian nu era prevazut mai devreme de anii 80 (conform viziunii lui Von Braun). Ei argumentau ca Rover putea fi amanat pana in anii 70. Searborg, in schimb, a notat ca tehnologiile foarte avansate necesitau ani de studiu, si ca deci o oprire si o reincepere a programului nu ar fi obtinut rezultate decat catre sfarsitul anilor 80. De asemenea, a atentionat ca o asemenea atitudine laxa fusese motivul pentru care SUA pierduse startul in spatiu.

Finger a criticat problemele intalnite la KIWI, si a declarat ca nu exista o solutie rapida pentru ele. De asemenea, a cerut ca Los Alamos sa adopte o structura mai buna de management al proiectelor pentru Rover. El a cerut cu vehementa ca nici un alt test sa nu aibe loc fara o investigatie ampla asupra cauzelor vibratiilor.

In 1963, Anderson s-a intalnit cu Kennedy, cerand si primind o serie de fonduri suplimentare pentru a incerca sa descopere cauza vibratiilor distructive din motoare.

Trebuie sa mentionam ca nu era prima data cand Anderson se implica personal in rezolvarea unor probleme ale programului. In 1960, RIFT si viitorul NERVA se confruntau cu lipsa facilitatilor la Jackass Flats. Fonduri fusesera puse la dispozitie pentru constructia Celulei de Testare C, dar nu fusesera folosite (aparent, din motive de lipsa de forta de munca). In aceste conditii, Anderson a preluat comanda constructiilor, reprezentatii AEC raportandu-i lui personal. De asemenea, a intervenit in 1961, cand URSS a abandonat moratoriul asupra testelor nucleare, fortand SUA sa reinceapa si ei o serie de teste. Multi specialisti alocati programului au fost astfel detasati, provocand probleme cu ritmul de lucru.
 

Testele de vibratii

Astfel stand lucrurile, in 1963, cu binecuvantarea lui Kennedy si Anderson, Finger a descins la Jackass Flats, cu un anturaj de specialisti. Acestia erau specialisti in vibratii de la NASA si personal constructiv de la Los Alamos, Aerojet si Westinghouse. Scopul era descoperirea, caracterizarea, si prevenirea vibratiilor care distrusesera ultimele trei articole de teste. Pentru aceasta, ei au intreprins o „mini-serie” de teste la rece, urmarind felul in care se scurgeau fluidele prin canalele de evacuare. Aceasta s-au desfasurat intre 1963 si 1964, si vizau in mod special reactoarele de tip KIWI B.

Reactoarele disponibile pentru aceste teste (B4B, B4C) foloseau elemente de combustibil identice cu cele aflate sub sarcina, cu exceptia prezentei materialelor fisionabile. Ca atare, ele nu produceau putere, si, cand era necesar, erau incalzite cu elemente rezistive introduse in canale. Fluidele folosite erau azot gazos,heliu si hidrogen.

Rezultatele testelor au fost ca pagubele aduse miezului se datorau vibratiilor prin canalele de racire, provocate de flux. S-a descoperit ca o instabilitate dinamica in distantele de racordare dintre elementele de combustibil adiacente cauzau aceasta vibratie, si duceau la fracturarea elementelor. Bazandu-se pe aceste teste, o serie de modificari au fost aduse miezului. Ele au avut succes, reusind sa treaca patru testari. Aceste schimbari au fost incorporate in prototipurile ulterioare (ele fiind de fapt aceleasi reactoare, dar cu combustibili activi si schimbari structurale).
 

KIWI B4D

A fost primul reactor operational dupa seria de teste la rece, el fiind de fapt prototipul B4B refabricat, cu o incarcatura normal de material fisionabil. Scopul testului era:

• investigarea stabilitatii structurale si dinamice a designului sub conditii normale de flux si temperatura
• sa masoare, folosind instrumentatia si examinarea post-mortem, performantele de flux, temperatura si cea neutronica, pentru a le compara cu modelele experimentale
• obtinerea informatiilor referitoare la efectele pe care le are timpul de functionare asupra parametrilor sus-numiti, precum si asupra ansamblului in general (sistemul de curgere, tevile, pompele si reactorul in sine).

Obiectivele secundare erau:

• cercetarea racirii cu hidrogen lichid
• masurarea raportului dintre presiunea de evacuare a pompei si cea de intrare in reactor
• intreprinderea unei porniri automate folosind o sursa adiacenta

Sistemul era similar cu cel folosit pe B4A, cu patru diferente majore:

• un sigiliu la capatul fierbinte
• arcuri pentru sprijin lateral al articolului
• canale de racire in elementele periferice de umplutura
• un invelis flexibil in jurul miezului pentru a preveni scurgeri intre miez si orificiul de expansiune din afara miezului

Miezul continea 1542 de elemente de combustibil de doua tipuri. Majoritatea era incarcat cu elemente folosind oxid de uraniu, dar 212 dintre ele foloseau capsule de carbura de uraniu, cu un invelis de pyrocarbon. 108 dintre acestea erau dispuse in jurul amsamblului central, si 104 la periferie.

Elementele de combustibil erau lungi de 131.78 cm si erau de sectiune hexagonala, cu lungimea de 1.9 cm. Fiecare prezenta 19 canale de racire.

In termeni de procentaj de combustibil, erau 12 nivele diferite de incarcare cu oxizi, si 6 de incarcare cu carburi. Ele erau dispuse in asa fel incat sa uniformizeze distributia radiala de energie si sa elimine varfuri de temperatura. Pentru o iradiere neutronica similara, capsulele de carbura aveau un procent de incarcare usor mai mare decat cele de oxizi, pentru a compensa canalele de racire mai mari si invelisul pe toata lungimea de niobium.

Era prima data cand se reusea o pornire complet automata. Astfel, reactorul era adus de la o conditie sub-critica / oprita pana la un nivel pre-selectat intr-o maniera rapida si sigura. Se realiza folosind un sistem de control in bucla deschisa pentru a deplasa tijele de control, urmata apoi de folosirea unui sistem de control in bucla inchisa pentru a mentine puterea la acest nivel. Sistemul folosea o singura gama de instrumentatie, cu o camera ionizanta cu pozitie fixa.

Dupa ce a operat la putere maxima (990 MWth) vreme de 64 de secunde, testul a fost oprit datorita ruperii unor furtunuri de hidrogen, provocand o scurgere si un incendiu. Aceasta ruptura a fost cauzata de aer lichefiat care a patruns in tuburile de racire ale duzei de evacuare, formand ozon. Ozonul a fost cel care a produs „micro-detonatii” si fisuri locale in aceste tuburi. Usoara flambare a duzei a fost si ea observata, precum in testele anterioare.

Racirea si oprirea reactorului a fost realizata folosind atat hidrogen cat si azot. Initial, se folosea hidrogen gazos, apoi, dupa doua minute, a fost inlocuit cu azot gazos, al carui debit era redus in trepte de-a lungul a 606 secunde (in total, 3266 kg). Dupa acest interval, se folosea azot in pulsuri, in total fiind folosite 15 pulsuri de durate diferite (60-140 secunde).

Inspectia post-mortem a evidentia ca motorul nu a suferit avarii semnificative. Nu s-au gasit elemente de combustibil fisurate, si nu s-au descoperit avarii mecanice pe nici un element al meizului.

S-a evidentiat un grad inalt de coroziune (adanc, in unele cazuri, de 0.5-0.625 mm) la elementele periferice, insa celelate au fost descrise ca parand „nefolosite”. Numai trei anomalii au fost gasite: un element cu oxizi prezenta o gaura, doua elemente adiacente prezentau aparente depuneri pe invelisul interior si unul prezenta crapaturi care radiau circular de la capatul fierbinte.

Vedere in sectiune a motorului KIWI B4D

 

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 )

The post Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 6) appeared first on Romania Military.

Articol original

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 4)

Seria KIWI

Prima faza a proiectului Rover s-a denumit KIWI, motoarele in sine fiind parte dintr-o serie care incepea cu numele etapei si apoi modelul exact al reactorului. Era denumit dupa pasarea nezburatoare, deoarece nu era menit a fi folosit intr-un zbor, ci de a verifica ipotezele referitoare la operatiunea unui astfel de motor, testarea materialelor, regimul de control si, in general, fezabilitatea tehnologica a construtirii unui astfel de motor. De asemenea, se spare ca va fi dobandita o experienta operationala bogata in domeniul hidrogenului lichid. Seria KIWI a constat din 8 motoare, construite si testate intr 1959 si 1964.
 

KIWI A

A fost primul motor din seria KIWI, si a fost testat pe 1 Iulie 1959. Articolul era de forma cilindrica, inalt de 132.7 cm si cu un diametru de 83.8 cm. Primii 5 ani din programul Rover au fost dedicati acestui design, pentru ca a intampinat multiple probleme majore care au necesitat reproiectari de amploare.

Cosntruit la Los alamos, era proiectat sa produca o putere termica de 100 MW (foarte modest comparativ cu design-uri ulterioare, dar necesar din motive de siguranta). Avea o cavitate interioara ce continea apa grea pentru a permite un efect de moderare (reducand cantitatea de material fisionabil necesara) si racire. Tijele de control erau situate in aceasta cavitate centrala, care era inconjurata de 960 de placute cu combustibil incarcate cu particule de oxid de uraniu cu un diametru de 4 micrometrii, aranjate in 4 straturi. Urma un strat exterior alcatuit din 240 de placi de grafit pur. Miezul era inconjurat cu un strat moderator suplimentar, constand din fibra de grafit, si tot ansamblul era incapsulat intr-o vas de aluminiu. A fost singurul motor ce a folosit elemente de combustibil sub forma de placi. Mai mult, a fost singurul test ce a folosit elemente de combustibil neprotejate impotriva efectului hidrogenului coroziv.

Duza de evacuare era de tip convergent-divergenta si era fabricata de Rocketdyne. Realizata din otel nichelat, era cu perete dublu si racita cu apa. Fluxul trebuia sa fie in regim sonic (sau transonic in terminologie moderna) in zona gatului.Masa de reactie era hidrogen gazos.

Puterea atinsa in timpul testului a fost de 70 MW, cu un debit de 3.2 kg/sec. Desi motorul a functionat vreme de 5 minute, a intampinat probleme care i-au fost fatale. Elementele de combustibil erau proiectate avand in vedere o temperatura de topire de 2683 K. In schimb, in timpul testului, au fost atinse temperaturi de 2900 K. Aceasta s-au datorat unui capac de grafit care inchidea incinta cu apa grea la un capat, menit a asigura inchidierea ermetica si a fixa pozitia fibrelor de grafit.

In timpul testului, acest capac s-a fragmentat violent, patrunzand in motor, ca mai apoi fragmentele sale sa fie expulzate cu putere prin evacuare. Odata cu ele, fibrele de grafit din jurul incintei au patruns si ele in orificiul motorului, fiind apoi la randul lor, expulzate cu violenta. Ca atare, o parte din hidrogen s-a scurs din zona de productie a puterii. In acelasi timp, temperaturile inalte, socurile si fluxul coroziv de hidrogen au afectat puternic elementele de combusitibl. Cu alte cuvinte, motorul si-a „sughitat” o parte din componente.

Diagrame ilustrand pozitionarea componentelor interioare si cursul fluxului de hidrogen prin miez (se remarca pozitia fibrelor de grafit si a capacului de retentie aventuros)

In ciuda accidentului neprevazut, experimentul a demonstrat fezabilitatea folosirii unui reactor nuclear de inalta temperatura racit cu gaze pentru propulsie nucleara. De asemenea, analiza post-mortem a oferit informatii importante referitoare la elementele de combustibil si dispunerea lor.
 

KIWI A’

KIWI A’ (A-Prime) a fost al doilea motor din seria KIWI A si a constat dintr-o varianta puternic modificata a prototipului anterior. Scopul propus era de a atinge pragul anterior nerealizat, de 100 MWth, o mentinere a acestuia pentru aproximativ 5 minute si o temperatura la evacuare de 2206 K, mentinuta prin ajustarea debitului prin motor. De asemenea, au fost propuse 4 obiective secundare:

• investigarea integritatii structurale a motorului in conditiile de operare normale
• masurarea efectelor de coroziune asupra elementelor de combustibil si a moderatorului
• stabilirea prin masuratori indirecte a coeficientului de temperatura a reactivitatii miezului
• investigarea efectului pe care schimbari bruste de debit si putere il pot avea asupra operarii miezului

Spre deosebire de prototipul anterior, elementele de combustibil erau invelite intr-un strat de carbura de niobiu (NbC), creeate prin depunere chimica de vapori. O alta diferenta era ca in locul unor placi, elementele erau cilindrii extrudati cu patru canale de racire. Cilindrii erau segmentati in bucati de lungime scurta. Aceste bucati erau combinate cu un strat exterior de grafit pentru a creea un ansamblu modular.6 cilindrii incapeau intr-un astfel de manunchi de grafit. Fiecare element de combustibil astfel creeat era lung de 137 cm. In interior, ansamblul alimentat era lung de 129.5 cm si cu un diametru de 1.9 cm.

In teste, prima incercare de aprindere a fost intrerupta prematur. Incidentul s-a datorat unui dezacord intre masuratorile a doua instrumente. Rezultatul a fost un SCRAM (oprire dura) automat.

Al doilea test a avut ca rezultat tot o intrerupere brusca. De data asta, sistemul de aprindere a hidrogenului evacuat, gandit sa arda hidrogenul (potential contaminat) pentru a preveni raspandirea lui pe o arie mare, nu s-a aprins datorita unei probleme la alimentarea cu metan.

Testul final a avut ca rezultat o aprindere cu succes, motorul atingand o putere de 88 MWth. Acest nivel a fost mentinut vreme de 307 secunde, cu o temperatura medie la evacuare de 2178 K. Insa, cu 36 de secunde inainte de sfarsitul testului,s-a manifestat o perturbatie puternica. La acel moment, puterea masurata a scazut la 18.4 MWth si si-a revenit in doua secunde. Perturbatia a fost cauzata de pierderea unui segment de modul de combustibil (!), impreuna cu invelisul de grafit al modulului (!!). Observatorii au observat acest fenomen sub forma unei ploi de fragmente incandescente iesite din evacuare. Catre sfarsitul testului, inca doua perturbatii de putere s-au materializat, fiecare rezultand din pierderea unui element de combustibil.

Diagrama prezentand structura interna a unui element de combustibil

Structura interna si constructia miezului reactorului

 

KIWI A3

Acesta a fost ultimul model din seria KIWI A, si a fost proiectat pentru a testa performantele (altminteri marginale) ale miezului modular al reactoarelor precedente.Obiectivul era de a opera ansamblul la o putere de 92 MWth vreme de 250 secunde, si o temperatura de 2173 K, controlata prin varierea debitului. Obiectivele secundare erau:

• analizarea integritatii structurale in conditiile de operare normale
• determinarea efectelor fluxului asupra elementelor de combustibil noi
• determinarea coeficientului reactiv de temperatura a miezului

Dupa cum am mentionat, elementele de combustibil nu mai erau placat cu depunere prin vapori, ci prin electrodepunere metalica de niobiu care era apoi carburizat chimic. Pe langa asta, elementele de combustibil erau mult mai riguros testate inainte de a fi instalate, pentru a preintampina aparitia unor incidente. Lungimea elemetelor de combustibil era de 68.58 cm, si erau monolitice (inlocuind modulele din trei amsamble mici, de 22.86 cm, folosite anterior). In felul acesta se simplifica constructia iar ansamblul promitea sa fie mai robust.

Testul motorului a avut loc pe 19 Octombrie 1960, si trebuia sa atinga puterea de 50 MWth, care urma sa fie mentinuta vreme de 106 secunde. Scopul era calibrarea instrumentelor de masura si pre-testarea componentelor. Puterea urma sa fie crescuta la 92 MWth si mentinerea acestei puteri vreme de 250 secunde, cu o temperatura de evacuare de 2173 K.

In timpul testului, insa, au avut loc o serie de devieri de la plan. Cand puterea a atins 50 MWth, temperatura de evacuare era de 1611 K si in crestere, desi debitul era mentinut constant la valoarea de 2.27 kg/sec (desi analizele ulterioare au aratat ca debitul real era de 2.36 kg/sec). 30 de secunde mai tarziu, temperatura de evacuare a atins 1861 K, mult mai mare decat nivelul specificat de 1528 K.

Motivul pentru aceasta discrepanta era ca debitul REAL era cu 7.8% mai mic decat cel specificat (2.56 kg/sec). Asadar fiecare gram de combustibil era fortat sa absoarba mai multa caldura. De asemenea, puterea masurata prin indicatorul neutronic era cu 15% mai mica decat puterea reala determinata dupa test (ne reamintim ca nu doar motoarele erua experimentale, ci si instrumentele).Temperatura era asadar cu 22% mai mare. Ca atare, debitul a fost marit pana la limita maxima posibila de ajustare (10% din nivelul masurat, ceea ce insemna 2.45 kg/sec). Chiar si asa, temperatura nu a scazut, insa, semnificativ, ajungand la valoarea de 1833 K.

Dupa 159 de secunde de operare la jumatate de capacitate, puterea a fost marita la 90 MWth. Pentru a stabiliza temperatura de evacuare la valoarea de 2173 K, debitul a fost din nou marit la 3.81 kg/sec.

Pe durata operarii la acest prag de putere, reactorul a trecut printr-o serie de fluctuatii, cu o diferenta intre varfuri de 13 MWth. Desi cauza acestor oscilatii nu era aparenta, se pare ca de vina era un operator care interactiona cu o sonda de putere neutronica, ajustand pozitia tamburului de display folosind un potentiometru actionat manual.

In realitate, analizele ulterioare au aratat ca, de fapt, motorul a operat la o putere de 112.5 MWth pe parcursul celor 259 secunde. Desi puterea reactorului era, astfel, cu 22% mai mare decat trebuia, capacitatea suplimentara de racire a reusit sa compenseze surplusul.

In analiza post-mortem, s-a descoperit ca miezul suferise pagube structurale, indicand ca, in ciuda tuturor incercarilor de pana in acel moment, grafitul nu putea avea si functie structurala. Era prea fragil. Elementele de combustibil suferisera si ele fracturi, vezicare si coroziune, insa magnitudinea lor era mult inferioara celor suferite de prototipurile precedente.

La fel ca si pana atunci, fibrele de carbon aflate in miez si in dreptul reflectoarelor erau in conditie proasta, indicand ca inca erau scapari de hidrogen din canale.Cilindrul reflector a fost si el dezasamblat, si verificat pentru a vedea daca prezenta crapaturi, decolorari sau alte defecte. Acestea nu au fost descoperite, pagubele minore datorandu-se, probabil, manipularii lor in timpul dezasamblarii.

Per total, desi seria KIWI A a fost o lectie dura in proiectarea reactoarelor, multe invataminte au putut fi trase. Printre ele, era aceea ca reactorul trebuia sa contine elemente mult mai robuste decat era de asteptat, ca grafitul putea fi folosit in cantitati mult mai mici decat se considerase necesar pana atunci, si ca, per total, realizarea unor motoare nucleo-termice pentru rachete era fezabila.

Diagrama in sectiune a modelului KIWI-A3

 

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 )

The post Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 4) appeared first on Romania Military.

Articol original