Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 12)

XE-PRIME

Testat incepand cu 4 Decembrie 1968, si continuand pana pe 11 Septembrie 1969, XE-PRIME a fost ultimul model de motor testat la NERVA, reusind 24 de aprinderi. Cu o putere de 1140 MWth, presiune in camera de ardere de 3861 kPa si temperatura de 2272 K, motorul reprezenta prima instanta in care promisiunile motoarelor nucleare erau indeplinite. El era construit pe calapodul unui miez A5.

Prototipul a fost folosit pentru un program de teste care a durat un an, avand 8 obiective principale si 58 de obiective secundare. Din brevitate, nu le vom enumera pe toate, doar vom spune ca, spre deosebire de celelalte prototipuri, acesta nu era un stand de testari.

El era similar cu modelele A3, A5 si A6 anterioare, dar spre deosebire de ele, componentele erau adunate la un loc si conectate intr-o configuratie de zbor. Modelele anterioare, spre exemplu, foloseau o linie de hidrogen lichid separata, parte a facilitatilor de testare. O similaritate mult mai mare era cu EST. La fel ca si acel reactor, XE-PRIME avea un sistem de „hot bleed” (in traducere aproximativa „purjare fierbinte”) care actiona turbopompa. Masa de reactie era, evident, tot hidrogen lichid.

In arhitectura ei adanc cuplata, XE-PRIME era practic format din doua componente majore (putem spune ca era modular). Primul dintre aceste module era cel inferior, care continea vasul de presiune, miezul, duza, elementele structurale inferioare, scutul de radiatie extern, actuatoarele tamburilor si instrumentatia aferenta. Al doilea era modului superior, alcatuit din structura cu zabrele de sustinere, liniile de alimentare, valvele, ansamblul turbopompei si instrumentatia de masura. Motivul pentru aceasta arhitectura era pentru a permite reparatii rapide. Astfel, in cazul in care modulul superior suferea o defectiune majora la una dintre componentele sale, el putea fi demontat si inlocuit de la distanta.Intr-adevar, toate liniile de alimentare cu hidrogen si curent electric care treceau din modulul superior in cel inferior puteau fi actionate electronic.

Tranzitia de la motor la standul de teste se facea printr-un sistem structural special, denumit adaptorul de stand de teste (Test Stand Adaptor). La fel ca si standul de teste in sine, el fusese construit repede, din elemente nefolosite la alte teste. Acest sistem continea conectarile dezactivabile de la distanta, precum si cablurile de date si comanda care conectau motorul cu centrele de control. De asemenea, continea si valva de oprire principala si instrumentarul ei.

La cei 1140 MWth ai sai, motorul avea tractiunea de 246663 N, la temperatura de 2272 K, presiunea de 3861 kPa si cu debitul de 31,8 kg/sec prin duza, respectiv 35.8 kg/sec total. Astfel, 0.4536 kg/sec erau deviati si folosit pentru antrenarea turbopompei si racirea sistemului. Masa motorului era de 18144 kg, si intreg sistemul era lung de 6.9 m , cu un diametru de 2.59 m (incluzand duza de evacuare).

Aceasta duza era de forma convergent-divergenta, cu un unghi de convergenta de 45 de grade, divergenta de 17.5 grade, si raport de expansiune de 10:1. Ea era compusa dintr-un manunchi de tuburi de otel inoxidabil care se sprijineau de o fusta din acelasi material. Tuburile erau inserate in canale special realizate in fusta. Hidrogenul deviat de la duza interioara patrundea printr-o intrare anulara si era folosit pentru a raci un circuit separat menit a deservi piroanele ce atasau vasul de duza, continuand apoi catre turbopompa. Intrarea acestui hidrogen era printr-o valva de purjare fierbinte, la fel ca la EST, situata in sectiunea convergenta.

Sistemul de control al XE-PRIME putea folosi o serie de moduri de control automat, precum si un numar de moduri de control manual. Scopul acestor multiple moduri era de a obtine date pentru o modelare mai buna a unor eventuale motoare viitoare (un reactor spatial nu ar fi folosit atatea moduri). Tamburii reglau puterea motorului, in timp ce un sistem denumit TPCV (abreviat de la Turbine Power Control Valve, in traducere Valva de Control a Turbinei) regla fluxul de gaze catre turbopompa.Teoretic, cele doua erau independente, cu scopul de a obtine conditiile de presiune si temperatura dorite. Insa, exitau interactiuni la nivel de reactivitate si activitate neutronica ce le faceau interdependente. Modul automat regla aceste interactiuni pentru a obtine parametrii dorit. Modul manual era gandit sa obtina deviatii de la acesti parametrii pentru a studia comportamentul sistemului in diferite situatii ipotetice.

Trebuie sa spunem si cateva cuvinte despre standul de teste. Demunit ETS-1 („Experimental Test Stand”, in traducere stand de teste experimental), el era de fapt aceeasi Maria cu alta palarie. Adica, el era un stand contruit pe locul Test Cell C, prin adaugarea unui sistem de racire de dimensiuni mari si a unei structuri de separare atmosferica. Si a insemna aproape jumatate din bugetul ramas NERVA. Standul si cladirea erau construite din aluminiu pur, care era transparent la radiatie neutronica (minimizand astfel radioactivarea). De asemenea, era prevazut un sistem de racire cu apa. Radiatia, in general, strica structuri complexe, cum ar fi aranjamentele cristaline, proteinele sau alte tipuri de materiale organice. Ca atare, orice garnitura trebuia realizata din metal (in general tot alumniu), fiindca o garnitura de cauciuc s-ar fi transformat repede intr-o masa amorfa de polimeri topiti.

De asmenea, au existat probleme la tevile de evacuare, care trebuiau sa suporte temperaturi ridicate pentru o perioada mai lunga de timp decat la un test de motor chimic. Munca de constructie a acestora a implicat 54 de tone de otel, 3.9 tone de sarma de sudura si 10.5 km de linii de sudura. In total, cele 234 de tevi trebuiau sa transport 11.000 de tone de apa de racire in timpul unui test. Lucrarile au fost realizate de catre Allegheny Technologies si Air Preheater Company. Spre deosebire de toate celelalte teste de NTR-uri, XE-PRIME era orientat in jos, ca la o lansare. Structura de separare atmosferica permitea folosirea unei presiuni scazute pentru test, din nou pentru a imita conditiile de functionare reale. Era insa, imposibila obtinerea unui vid, asadar, presiunea folosita era de 6.9 kPa, echivalentul presiunii atmosferice la altitudinea de 18288 metrii.

Am spus mai devreme ca programul de teste a insemna 24 de aprinderi. Acestea nu sunt, insa, toate testele. In fapt, s-au realizat 40 de teste in total, multe fiind fara aprindere. Dintre cele 24 de aprinderi, 15 erau porniri din niste conditii initiale pre-stabilite sau au folosit logica de control noua fata de testele anterioare. Primul test la putere maxima s-a desfasurat pe 11 Iunie 1969, si a durat 3.5 minute. Dupa fiecare test, motorul era racit fortat, insa sistemul folosea hidrogen in loc de azot (o nava spatiala nu poate cara o rezerva suplimentara de lichid doar pt racire).

Nu ne vom apleca asupra fiecarui test in parte, caci rapoartele sunt pline de detalii tehnice lungi si amanuntite. Vom mentiona numai ca testele au fost organizate in cadrul a 10 planuri de testare si vom prezenta rezultatele experimentelor:

1. motorul a fost pornit cu succes de 24 de ori, 15 din conditii initiale prestabilite sau folosind circuite logice utilizate in premiera;
2. testele de aprindere au aratat ca caracteristicile de pornire autonoma raman controlabile pe o plaja de temperaturi ale camerei de evacuare foarte mare. In 15 dintre teste, timpul de la prima mutare a TPCV pana la presiune maxima a fost de 12 secunde, +/- 1.7 . 13 dintre acestea au avut timpi de 11-12 secunde, chiar si la diferente de temperatura a camerei de 278 K intre doua teste;
3. pornirile autonome erau posibile pe o plaja de valori de la +11 la -8.5 grade de rotatie a tamburilor;
4. rezultatele testelor au aratat ca sistemul automat putea identifica cu succes unghiul de rotatie al tamburilor pentru care se atingea criticalitatea;
5. s-a reusit pornirea motorului cu o presiune de intrare de numai 159 kPa;
6. s-a descoperit ca la temperaturi mari, efectul de reflectare a beriliului era neglijabil;
7. s-au folosit 7 moduri de control automate dependente de temperatura a reactorului, camerei, presiune in camera, pozitia TCPV, nivelul de putere s.a. In fiecare dintre aceste moduri, sistemul de control era suficient de precis si puternic cat sa asigure conditiile pre-programate. In timpul planului 9, in special, s-a demonstrat ca reactorul putea repeta o serie de schimbari de parametrii pre-programata chiar si atunci cand conditiile de pornire erau mult diferite;
8. rezultatele au indicat ca putea fi definita o procedura care sa permita obtinerea unui timp de pornire constant si repetabil, prin preconditionarea motorului (mai pe romaneste, motorul era usor de aprins si cu caracteristici repetabile de pornire daca inainte de a fi aprins era tinut intr-o anumita conditie; acea conditie a fost determinata experimental si retinuta, importanta sa fiind ca necesita doar pornirea turbopompei pentru aprinderea reactorului, fara schimbarea pozitiei tamburilor);
9. unul dintre teste a intalnit o serie de varfuri de putere si tranzienti potential problematici pentru o misiune spatiala. Astfel, operativ, s-a decis ca daca un asemenea motor ar fi suferit un SCRAM pe orbita, debitul de hidrogen lichid trebuia oprit repede dupa stingere, pentru a nu permite reaprinderea din efectul de moderare. De asemenea, cand se initia aprinderea iar hidrogenul patrundea intr-un reactor rece, trebuiau urmate anumite restrictii pentru a se asigura ca motorul nu se auto-inabusea;
10. variatii in presiunea din camera de evacuare indicau ca designul controllerului de oprire nu era suficient optimizat (mai exact, TCPV-ul actiona prea rapid);
11. la testele de flux la rece, s-a dovedit ca asimetriile de presiune si temperatura erau mai mari folosind hidrogen lichid decat hidrogen gazos;
12. rezervele de masa de reactie puteau fi realimentate chiar si in timpul functionarii reactorului, cu efecte foarte mici asupra motorului;
13. aductiunea aerodinamica a standului de teste a functionat dupa previziuni, fara urme de efecte nedorite (ex: rezonante acustice), chiar si la conditii de operare nefavorabile.

Examinarile post-teste asupra elementelor de combustibil au dovedit ca performanta a fost in general buna, cu pierderi moderate de masa, densitati de microcavitati reduse, coroziune usoara, fara elemente sudate si putina fragilizare prin coroziune.

Pierderile de masa si coroziunile in zonele fierbinti au fost usor peste asteptari, cu densitatea microcavitatilor si coroziunile de canal ceva mai ridicate in elementele Y-12. Coroziunea era predominant de tip inelar, cu unele zone indicand efecte legate de testarile la putere mica si de ciclii numerosi de oprire-pornire. De asemenea, unele elemente prezentau usoare urme care indicau, in premiera, stricaciuni provate de hidroliza, datorate timpului lung de functionare. In plus, s-au observat usoare coroziuni cu tipar striat pe unele elemente periferice. Fisuri de dimensiuni reduse s-au manifestat numai pe elementele periferice, si s-a determinat ca unele dintre ele se datorau proximitatii de alte elemente, generand efecte hidrodinamice turbulente.

Camera de control NERVA, facilitatea 40 de la Jackass Flats, un buncar subteran

Diagrama schematica a XE-PRIME (cu detalii extrem de proaste)

Ansamblul duzei de evacuare a motorului XE-PRIME

XE-PRIME, orientata in jos, pe standul de teste

XE-PRIME, in E-MAD, in urma unui test

 

Sfarsitul?…

Oricum am privi lucrurile, programele NERVA si Rover au fost un succes. Nu doar ca au demonstrat fezabilitatea acestor sisteme, dar au si obtinut in final un motor perfect functional. In 1970, NASA, dupa terminarea analizei asupra XE-PRIME, l-a declarat utilizabil in misiuni (si atat dupa acest moment, cat si inainte, s-au creeat cateva arhitecturi de misiuni si vehicule care urmau sa utilizeze motorul). Pariul AEC ca vor reusi sa construiasca un motor functional din scurt a dat roade.

In schimb, pariul ca NASA va putea face programe ambitioase in continuare nu a avut la fel de mult noroc. Dimpotriva, dupa succesul Apollo, NASA si-a vazut bugetul injumatatit in numai cativa ani. NERVA era, teoretic. sub egida comuna a AEC, dar chiar si asa, programul s-a gasit in situatia de a oferi ceva (un sistem de propulsie) pe care nu si-l dorea nimeni. In retrospectiva, pare evident ca eforturile LASL si SNPO erau sortite esecului, dar, daca citim marturiile si citatiile primite de directorii si inginerii programului, vedem ca ei nu priveau lucrurile astfel. NERVA era „motorul martian” menit sa deschida sistemul solar. Dupa Apollo, cum se putea ca NASA sa renunte la ambitii? Ei bine, asa s-a intamplat, din mai multe motive: desi publicul a adorat memoria lui Kennedy (in jurul caruia s-a creeat o intreaga mitologie) si gloria primilor pasi pe Luna, adevarul este ca oamenii au memoria scurta. Ei, deja uitand sperieturile provocate de sovietici (care, in acel moment, erau vizibil in urma, si pe punctul de a renunta), si-au pierdut repede interesul in favoarea unor subiecte mai „normale” (Vietnam, miscarea sindicalista, sumedenia de schimbari de garda aduse de alegerile congresionale din acei ani, etc). In plus, deja ajunsese la urechile publicului cum ca programul dusese la emanatii de material radioactiv (ceea ce era adevarat, dar mult mai benign si decat cel mai mic test de arma atomica). Asadar, curentul de scepticism era ridicat, mai ales ca aceasta perioada de timp nu era caracterizata de mari populizatori ai stiintei (Von Braum intrand intr-un con de umbra, iar Sagan nefiind, inca, o personalitate importanta).

Richard Nixon ajunge presedinte in 1969, dupa o lunga perioada dificila din punct de vedere politic (8 ani de pribegie in urma pierderii alegerilor din 1960 in fata defunctului Kennedy). Dupa 8 ani de control democrat, partidul republican simtea nevoia sa-si puna amprenta din nou pe politica americana. Desi multi dintre senatori si deputati nu erau neaparat impotriva tehnologiei (in fapt, Congresul acestei perioade era, in unele privinte, chiar mai prietenos decat cel precedent, speriat de costul Apollo) pur si simplu nu exista bugetul necesar pentru noi proiecte fara a renunta la cele vechi. Ca atare, Nixon a inchis definitiv linia de productie a Saturn V, facand ca misiunile bazate pe acel sistem (inclusiv cele nucleare) sa moara. In acelasi timp, a introdus un proiect pentru o nava spatiala reutilizabila cu capacitatea de a ateriza pe un aeroport ca un avion normal, si care, in timp, s-a transformat in naveta spatiala americana. Contomitent, programul NERVA a fost pus in conservare, iar Rover a primit un buget extrem de mult redus.

Chiar si asa, SNPO a dispus realizarea NF-1 folosind acel buget redus. Planul era ca elementele de combustibil sa fie cercetate si perfectionate (cum nu se reusise la timp in cadrul PEWEE si NERVA) in vederea constructiei unei trepte superioare cu propulsie nucleara care sa incapa in cala de transport a viitoarei navete. Din pacate, naveta intarzia (pentru ca, desi NASA a primit misiunea de a o realiza, nu a primit si bugetul necesar, fiind astfel fortata sa coopteze ajutorul USAF, ducand la schimbarile de design, care au transformat-o intr-un megaproiect tehnologic impresionant, dar cu utilitate scazuta), iar Nixon, spre deosebire de Kennedy si Johnson, era dispus sa asculte de organele consultative de stat care cereau anularea sa (cum ar fi Oficiul de Management al Bugetului, care nu era, in general, in favoarea explorarii spatiale).

Dupa un an de functionare minimala, Nixon a incercat (din nou) sa opreasca proiectele definitiv. A esuat multumita unui ultim efort din partea lui Clinton P. Anderson, si chiar a pierdut sprijinul congresului pentru unul dintre proiectele sale noi (avionul supersonic Boeing 2707). Insa doar a fost o amanare. Anderson era in varsta, si nu mai beneficia de acelasi sprijin politic, iar cu un public sceptic, democratii nu se mai puteau orienta catre spatiu in aceeasi masura. Ca atare, in 1972, programul Rover a fost oprit iar NERVA definantata. Specialistii au fost redistribuiti laboratoarelor, iar facilitatile abandonate.

Exista voci care spun ca, de fapt, multi oameni importanti nu au dorit succesul programului. La urma urmei, era potential periculos sa se reaprinda imaginatia publicului, lucru oricand posibil daca NASA decidea o publice o arhitectura de misiune mai aventuroasa. De asemenea, s-a spus ca Nixon a dorit sa stearga cu buretele memoria omului care i-a provocat lunga perioada de pribegie politica (lucru de care ma indoiesc; ei erau mai prietenosi unul cu altul decat se crede). Realitatea, cred eu, este ca, pur si simplu lumea nu era pregatita. Dupa cum s-a vazut in articolele domnului Marius B. noi nu stiam nici pe departe destule despre Marte cat sa incercam o misiune. D-abia in 1978 au venit primele date concrete despre ea (si care s-au dovedit diferite de ceea ce se presupunea pana in acel moment, necesitand abandonarea multor arhitecturi precedente). Iar motoarele NERVA si PEWEE, desi superioare propulsiei chimice, erau inca neoptimizate. Cunostiintele nucleare avansasera, (si mai tarziu cu popularizarea computerelor, au explodat) dar in acel moment nu permiteau teribil de multe. In plus, construit sub imperiul necesitatii de a castiga cursa spatiala, Rover a fost marcat de o usoara tendinta de a incerca sa construiasca motoare relativ nefinisate pe banda rulanta, fapt ce le-au afectat bugetul si reputatia, oferind munitie opozantilor.

Dar acesta nu a fost sfarsitul rachetelor nucleo-termice cu miez solid. Nicidecum, dimpotriva, conceptul pare ca are tendinta sa iasa la suprafata din nou la o anumita perioada de timp, cu concepte noi dar principii similare. Rover si NERVA nu au reusit sa construiasca ceva care sa zboare, dar au reusit sa creeze si sa documenteze in detaliu un intreg domeniu, sadind semintele unor incercari viitoare de reinviere. Mentionam aici lucrarile din anii 80-90 pentru Timberwind, SNRE si MITEE, precum si lucrarile actuale legate de BWRT. De asemenea, motoarele acestea au fost concepute ca fiind parte a unor evolutii iterative, de la un miez solid la unul lichid, si, in final, unul gazos. Acestea au continuat ca si studii dupa oprirea programelor pana in anii 80-90. Nu in ultimul rand, ele au reaparut, spre surprinderea multora, in anii 80 in URSS. Aparent, sovieticii construisera pe NV, in secret, un motor NTR.

Toate acestea vor fi discutate si povestite in articole viitoare. Insa, spre deosebire de cele de pana acum, ele vor fi mult mai succinte, din simplul motiv ca majoritatea nu au fost testate. Ele erau motoare de hartie, la fel ca si conceptele de misiuni bazate pe ele. In seria urmatoare, insa, voi trece in revista cateva arhitecturi de misiune bazate pe NERVA si Rover. Ele nu vor fi foarte detaliate, planificatorii nereusind sa le descrie profund pana la finalizarea programelor. Chiar si asa, perspectivele foarte bune oferite de aceste motoare (enorm de multa putere, viata lunga, independenta de masa de reactie, robustete) au ramas tentante pana in ziua de astazi.
 

Sfârșit

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 12) appeared first on Romania Military.

Articol original

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 11)

NRX A5

NRX A5 a fost primul dintre cele doua variante care aveau sa concureze pentru onoarea de a fi selectionate ca si modelul de baza al sistemului final, denumit XE-PRIME (concurentul sau fiind NRX A6).
A5 era similar cu reactoarele precedente, avand un miez cu 1584 de elemente de combustibil placate cu NbC pe toate suprafetele externe. Spre deosebire de modelul A3, in acest caz, toate elementele fusesera supuse acestui procedeu. Altminteri, se folosisera aceleasi materii prime, tehnici de extrudare si parametrii ai procesului de invelire ca si pentru EST.
De asemenea, duza de evacuare a prototipului A5 era identica, cu un raport de expansiune de 10:1. Elementele de combustibil fusesera fabricate de catre Uzinele Astronucleare Westinghouse (Westinghouse Astronuclear Facilities – WAFF) cat si la uzina de stat Y-12. In cazul stratului de NbC, el era de 0.038 mm la Y-12 si 0.045 mm la WAFF.

Se pot enumera o serie de diferente fata de sistemele precedente:

• eliminarea tevii de aluminiu care inconjura exteriorul reflectorului intern de grafit
• tigle de pyrografit de lungime intreaga
• distantiere modificate pe blocurile de sprijin structural
• capete modificate
• tamburi de control modificati pentru a minimiza inconvoierea termica
• repozitionare a inelului de impedanta a reflectorului
• tijele de sustinere erau fabricate din Inconel 718, in loc de Inconel 750
• diferite elemente experimentale fara incarcatura de combustibil
• profile de invelire a canalelor diferite fata de precedentele
• doua elemente cu canale prezentand un strat superior de molibden

Primul test de aprindere a fost efectuat pe 8 Iunie 1966, si a constat intr-un prag putere la o temperatura a camerei de 1083 K vreme de 130 de secunde, urmata apoi de o ridicare a temperaturii la 2167 K. Odata ajuns la putere maxima, reactorul a trecut printr-o serie de oscilatii de putere, care au durat 25 de secunde.
Testul a continuat la putere maxima vreme de 15.4 minute, la o temperatura de 2056 K.

Al doilea test la putere maxima, intreprins pe 23 Iunie, a atins un nivel de putere de peste 1050 MWth, la o temperatura de peste 2222 K Timpul a fost de 14.5 minute, insa testul a fost oprit in clipa in care s-a constatat o pierdere evidenta de reactivitate.

In total, timpul acumulat la putere maxima a fost de 22.4 minute la peste 2222 K , si 30.1 minute peste 2056 K. De asemenea, s-a demonstrat capacitatea de reaprindere de la un nivel de putere foarte redus (30 kW; foarte important in cazul in care o nava spatiala sufera o oprire neplanificata).

La analiza post-test s-a descoperit si cauzele oscilatiilor care afectasera reactorul: semnalul primit de la una din sondele de temperatura devenise „zgomotos”, dand impresia unor varfuri de temperatura. Aceste oscilatii au incetat in clipa in care sistemul a respins semnalele primite de la aceasta termocupla, permitandu-i sa functioneze normal (pentru curiosi, bucla de control de care tinea acea termocupla era gandita sa detecteze daca debitul de racire era insuficient, si purta numele de „no-flux loop”). In urma testului, sistemul a fost modificat pentru a preveni astfel de evenimente.

Interesant si diferit de testele anterioare, acest motor era racit fortat, folosind un sistem de pompare cu azot lichid. Azotul era administrat intr-o serie de „pulsuri”. Se estima ca pentru racirea sistemului dupa un test erau necesare, in medie, 20 de pulsuri. Debitul de azot in timpul unui puls era de 2.3 kg/sec.

Tot la dezasamblare s-a constatat o diferenta majora intre pierderile de masa ale ansamblelor de combustibil fabricate la WAFF si Y-12. Unde la Y-12 ele erau de ordinul a 16 g/element, la WAFF erau 37 g/element. De asemenea, numai 9.7% dintre elementele Y-12 erau rupte, comparativ cu 70% din elementele WAFF. In fapt, s-a descoperit (deloc surprinzator) ca exista o corelatie intre elementele rupte si cele care suferisera cele mai proeminente pierderi de masa.
Desi performanta la captele fierbinti era superioara elementelor folosite la EST, procentul de elemente fisurate era cu 13% mai mare.

De asemenea, cele doua elemente placate cu molibden au suferit stricaciuni in timpul dezasamblarii. Insa,dupa investigatii, s-a dovedit ca ele suferisera pierderi de masa mult reduse. Mai mult, o comparatie intre elemente taiate axial din aceeasi regiune a miezului a aratat ca molibdenul ajutase la eliminarea coroziunii de zona mediana (lucru care avea sa fie confirmat mai tarziu la testele PEWEE).
 

NRX A6

Reactorul NRX A6 a fost al doilea concurent in mini-cursa pentru finalizarea modelului XE-PRIME. El avea aceeasi configuratie generala ca si seria A2 – A5, adica un miez din grafit, cu reflectoare de beriliu si vas de presiune din aluminiu.
Principalele diferente ale reactorului fata de seriile anterioare erau:

• eliminarea reflectorului intern de grafit
• modificari in sistemele de sprijin structural din periferia miezului si zona laterala
• schimbarea punctului de sprijin (in esenta, spre deosebire de modelele anterioare, acesta „statea” pe capatul care continea duza de evacuare)

La randul lor, acest diferente proveneau din cele doua cerinte pe care modelul trebuia sa le indeplineasca:

• sa aibe o structura de baza care sa fie scalabila la scara mare (adica aplicabila pentru un model mai mare)
• sistemele de sustinere a periferiei si sustinere laterala sa ajute la reducerea coroziunii miezului

Miezul A6 era alcatuita dintr-o serie de manunchiuri de combustibil, fiecare alcatuit la randul sau din sase elemente de combustibil si un element central nealimentat. Manunchiul era sprijinit axial de un sistem cu tije structurale atasate placii de suport, tija aferenta fiecarui manunchi trecand prin zona centrala.

Alte deosebiri fata de A5 erau:

• diferente de incarcare cu combustibil
• invelisuri diferite
• mici diferente in maniera de procesare a materialelor prime

Miezul prevedea 14 zone de incarcare, ceea ce necesita 11 niveluri diferite de incarcare. Acestea variau intre 132.4 g/element si 23.9 g/element. Numarul mai mare de zone de incarcare era gandit sa reduca diferentele de putere intre diferite zone ale nucleului, reducand astfel si diferentele de presiune si prevenind aparitia micro-cavitatilor.

De asemenea, grosimea stratului de NbC a fost redusa pentru a-i imbunatati aderenta si distributia de fisuri, si toate elementele aveau un strat de molibden pentru reducerea coroziunii de zona mediana. Elementele beneficiau de tolerante mai stricte (de rigiditate, dimensionale, etc) pentru a le uniformiza.

Motorul a fost testat de doua ori, prima ocazie fiind pe 7 Decembrie 1966. Arderea a fost initiata autonom. Dupa 75 de secunde de operare, insa, sistemele automate au initiat oprirea de urgenta. S-a determinat ca oprirea fusese cauzata de o defectiune electrica, o serie de varfuri de sarcina dand sistemului impresia ca tamburii nu sunt orientati corespunzator. Ca atare, la testele viitoare, s-a decis instalarea unui filtru electronic pe senzorul respectiv. Valoarea debitului atinsa in timpul testului a fost de 18.1 kg/sec.

Testul la putere maxima a fost initiat pe 15 Decembrie 1967. Pragul de putere maxima a fost mentinut vreme de 60 de minute, la o temperatura de peste 2278 K, si o putere de 1125 MW (de fapt 1130 MW energie termica si 1250 MW energie neutronica), cu o presiune de 4089 kPa. Temperatura camerei de evacuare a atins 2300 K iar debitul a fost de 32.7 kg/sec. In timpul testului, temperatura in camera de evacuare era mai redusa decat se preconizase initial, dar chiar si asa semnalul de la senzori era utilizabil pentru sistemul de control automat. S-a speculat ca diferenta putea proveni din aparitia unor zone de curgere turbulenta in apropierea senzorilor.

La oprire s-a folosit din nou racirea cu pulsuri de azot lichid. Nu s-au intampinat probleme sau tranzienti, iar racirea a durat 75.3 ore. S-a mai intreprins un test de scara mica de criticalitate pe 19 Decembrie, azotul lichid fiind folosit pentru a aduce materialul reflectorului si a intrarii in miez la temperatura camerei (pentru curiosi, reactorul nu a fost „aprins”, doar adus dintr-o stare de inghet prin control fin al puterii; in spatiu, temperaturile in lipsa Soarelui sunt de ordinul a 5-10K, si era important sa se vada daca un motor supraracit putea fi adus in stare de pornire dupa ce functionase indelung anterior).

Examinarea post-test a aratat ca durata de functionare mare isi lasase amprenta. Elementele prezentau fisuri axiale severe atat pe suprafetele interne cat si pe cele externe. Mai mult, aceste fisuri se evidentiasera si pe ansamblul de reflectoare cu beriliu. Fisurile se datorau, se pare, unui varf de 200 K care se manifestase la sfarsitul testului. Mai exact, reactorul A6 era primul care utiliza trei inele de beriliu stivuite pentru a forma un reflector monolitic. Prin constrast, modelel anterioare folosisera un sistem cu doua reflectoare, unul fiind un inel de grafit si unul exterior din beriliu cu 12 segmente. Cu doua minute inainte de finalizarea testului, sarcinile termice au depasit capacitatea de rezistenta a reflectorului de beriliu, cauzand aparitia fisurilor. La ele contribuisera si bombardamentul neutronic sever, care a limitat rezistenta materialului (asa numitul „neutron embrittlement”). Era un aspect usor ingrijorator, dat fiind ca A6 era primul reactorul care suferise stricaciuni ale reflectorului (cu exceptia A1, care fusese un test la rece). Totusi, reflectorul a fost adecvat pentru testul intreprins si nu s-au evidentiat dovezi ca fisurile au limitat performanta reactorului.

In privinta elementelor de combustibil, s-au costatat ca unele erau sudate, si prezentau coroziuni de suprafata usoare, densitati de microcavitati reduse, pierderi de masa pe zona mediana reduse si pierderi de masa la capetele fierbinti ceva mai ridicate decat A5. Astfel pierderile totale erau de ordinul a 13.1 g/element (vs 27.0 g/element la A5) , cele mediene de 2.3 g/element (vs 25.8 g/element la A5) iar cele la capetele fierbinti de 10.9 g/element (vs 8.5 g/element la A5).

A6 continea si cateva elemente experimentale care contineau aditivi in matrice, precum si diverse tipuri de invelisuri pe canale. In termeni de microcavitati, coroziuni superficiale si integritate generala, performanta acestor elemente era similara altora din reactor. In concluzie, timpul total de functionare a fost de 62 de minute incontinuu la o temperatura de peste 2278 K. Astfel, recordul precedent a fost dublat, iar rata de coroziune a fost redusa cu aproximativa 75-80% fata de EST si NRX A5. S-a considerat ca performantele imbunatatite s-au datorat tehnologiilor de placare imbunatatite, controlului dimensional mult mai bun, unei atentii sporite acordate fenomenului de expansiune termica si a unei distributii de putere si de presiune interstitiala mai buna. Practic, testul si-a bifat toate obiectivele.

Vedere decupata a reactorului NRX A6

 

Cantecul de lebada

Si astfel am ajuns in anul de gratie 1968. PHOEBUS isi termina testele, demonstrand noi posibilitati si probleme, iar NERVA imbina vechile concepte intr-un concept functional. In lume, rusii bifau esec dupa esec al rachetei N-1, iar americanii aveau drumul catre Luna deschis (Apollo 8 inconjurand Luna in 1968).

Insa, lucrurile nu erau chiar rozalii pentru echipele de la NRDS. Din contra. In momentul in care NERVA isi testa prototipul EST, planurile NASA prevedeau o vizita pe planeta rosie in 1978, o baza lunara in 1981, si numeroase sonde de mari dimensiuni expediate catre Jupiter si Saturn. Apropo de Saturn, racheta cu acelasi nume isi intra in drepturi, expediind primele incarcaturi semnificative catre Luna. Linia de productie lucra la ritm maxim, lar versiunile viitoare urmau sa foloseasca motoare nucleare pentru treapta finala. De fapt, motoarele nucleare aveau numeroase potentiale utilizari in planurile NASA. Insa… planurile NASA trebuiau bugetate, iar razboiul din Vietnam acapara aproape la fel de multa atentie din partea publicului ca si Apollo. Si inca si mai multa din partea Congresului. Specialistii in zboruri spatiale sperau ca planurile post-Apollo aveau sa fie cel putin la fel de ambitioase.

Nu au fost. Cumva era de asteptat. Administratia se schimbase, nou-venitii voiau sa isi puna amprenta. Nu mai era epoca de aur a americanismului, ci se trecea in epoca „groovy” a miscarilor anti-razboi si anti-guvern. Pana si Apollo, astazi mult laudat, era vehement contestat la acea vreme.

In aceste conditii, pare aproape hilar ca inginerii si savantii isi inchipuiau ca vor reusi sa vanda conceptul zborului spatial nuclear unui public atat de sceptic si unor decidenti atat de ostili. Insa, ca orice buni ingineri, era treaba lor sa incerce pana in panzele albe.

Initial, motoarele NERVA trebuiau sa fie parte a unui program extins. Cele prezentate mai sus erau desemnate ca fiind NERVA I. Acestea urmau sa fie surclasate de catre cele de tip NERVA II.
Aceasta a doua generatie de reactoare cu combustibili mai avansati, de dimensiuni mai mari, erau cele care trebuiau sa fie viitorul. NERVA I, la urma urmei, nu erau decat versiuni avansate si optimizate de KIWI. NERVA II urma sa incorporeze si avansurile PEWEE. Insa, pe la jumatatea testelor cu NRX, inginerii au inceput sa simta presiunile decidentilor, si, in acelasi timp, sa observe ca, de fapt, performantele reactoarelor mai putin avansate erau totusi satisfacatoare. Acesta a fost, de fapt scopul nespus al testului EST (altminteri relativ neplanificat): sa isi confirme suspiciunile ca majoritatea acestor misiuni viitoare erau perfect realizabile cu NERVA I.

Cumva, asta a parut o binecuvantare. Specialistii, chiar si cu bugetele tot mai reduse, puteau sa isi indeplineasca obiectivele si inca mult inante de termenul preconizat. Comparativ cu majoritatea programelor de cheltuieli guvernamentale tehnologice (inclusiv unele moderne…) NERVA era on buget si ahead of schedule. Conditiile de continuare certe ale programului tineau de doua aspecte:
ca NASA avea sa-si continue programul ambitios de explorare
ca NERVA (si programul ciuntit Rover, devenit un program de testare, cu surle si trambite, a combustibililor) putea sa se lege de acele intiative NASA

Ei nu aveau de unde sa stie ca NASA urma sa fie zdrobita bugetar incepand cu 1970. Era o amenintare indirecta asupra carora nu avea control.

In schimb, in 1967, se incercase in Congres anularea finantarii. O serie de batalii politice scurte si violente purtate prin saloanele Washingtonului le-au permis functionarea in regim de turatie reduse. Insa, acum exista pericolul ca, chiar daca NASA isi va continua programul spatial, ei nu vor putea face parte din acesta. Nu avea fondurile necesare pentru a construit reactoare pe banda rulanta cum facusera pana atunci. Asadar o decizie trebuia luata.

Si ea a fost luata: isi vor folosi ultimele fonduri pentru a modifica standurile de teste de la Jackass Flats pentru a simula, pe cat posibil, conditiile de functionare spatiala. In esenta, ei aveau sa incerce sa imite facilitatile NASA de testare a motoarelor.

In acelasi timp, cu fondurile mult reduse dar inarmati cu datele experimentale ale multelor teste realizate pana in acel moment, ei aveau sa construiasca un motor care sa se apropie pe cat posibil de o varianta zburabila. Daca motorul avea sa se dovedeasca chiar zburabil (asa cum s-a intamplat, el primid certificare de la NASA) cu atat mai bine. Ideea era de a demonstra CEVA.

Anticipand o situatie dificila, specialistii au renuntat la continuarea campaniei NRX A (care, intial, ar fi trebuit sa prevada si un reactor A7, A8, etc; in schimb, testele acestora din urma s-au realizat pe A5 si A6). Data fiind ca NERVA II nu mai era nici ea necesara, nu era o problema.

O problema, in schimb, erau ca nu-si permiteau sa construiasca un alt reactor. Asadar, au refolosit elemente de la un prototip identic cu NRX A5, si le-au imbunatatit unde au putut.
Asa a rezultat singurul exemplar al celei de-a doua serii NERVA, denumit XE-PRIME.
 

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 11) appeared first on Romania Military.

Articol original