Stele verzi – pe umerii atomului: naveta nucleară (2)

Radiatie

Eixsta insa o problema, care a impactat designul RNS-ului si a modulelor sale: radiatia. Vedeti voi, dupa cum stim, un motor NERVA poate emite radiatie in patru scenarii diferite, la diferite nivele:

1. motor nepornit: radiatie practic inexistenta. Uraniul e inert, si se descompune natural, nefiind mai radioactiv decat in starea sa de metal greu.
2. motor in timpul arderii: aici este varful radiatie, cu un mix intens de radiatie neutronica si raze gamma.
3. motor imediat dupa ardere: el nu mai produce radiatie neutronica intensa, insa razele gamma se pastreaza; in aceasta etapa, materialele radioactive cu durata de injumatatire scurta se descompun
4. motor la interval de ore/zile dupa ardere: inca emite radiatie gamma intensa, chiar daca la un nivel de sute de ori mai mic decat in timpul arderii. Produsii de fisiune care se descompun rapid dispar, insa dureaza decenii pentru cei cu viata medie sa dispara. Rata de scadere a radioactivitatii scade pe masura ce elementele active principale devin cele cu varsta medie, cum ar fi strontiu-90 sau cesiu-137. Pentru disparitia lor, se estimeaza ca timpul ar fi de 10 ori durata de injumatatire, adica cam 300 de ani. Motorul va fi radioactiv si apoi, multumita elementelor transuranice produse in timpul functionarii, dar genul lor de radiatie predominanta, adica descompunere alpha si beta, e mult mai usor de ecranat.

Un alt aspect ce trebuie reamintit din articole precedente este faptul ca numai o parte marunta din cantitatea de material fisionabil este folosita in timpul arderii. Procentele variaza in functie de gradul de imbogatire, dar putem estima ca daca pornim cu un motor ce foloseste 90% U-235 (Adica aproape de nivelul unei arme atomice) la finalul a 15 arderi, va fi folosit cam 5-10% din el.
De ce asa putin? Pentru ca multe dintre produsii de fisiune ai reactiei (asa-numita “cenusa atomica”) sunt otravuri neutronice, care inabusa reactia nucleara. Asadar, chiar daca mai o groaza de combustibil, nu o poti folosi.

Teoretic, poti lua motorul (extrem de radioactiv) sa extragi combustibilul din el, si sa-l reprocesezi. Asta se intampla pe Pamant pentru reactoarele franceze, care isi trimit combustibilul folosit la Le Hague. Acolo, comubstibilul este topit, si produsii de fisiune impreuna cu elementele transuranice sunt extrasi, ramanand numai uraniul nefolosit. Produsii de fisiune pot fi apoi stocati, iar elementele transuranice refolosite (multe dintre ele sunt ele insele fisionabile).

E…. un proces complicat, care necesita practic o uzina de reprocesare pe orbita. Procedeele folosite in Franta sunt de tip “apoase” (aqueous, in engleza) si sunt aceleasi folosite ca si pentru armele atomice. Dar asta e fiindca La Hague are scop dual, civil si militar. Exista procedee precum electrorafinarea si piroprocesarea care ar ieftini procesul (obtinand material mai putin pur, inadecvat armelor dar perfect utilizabil in reactoare sau motoare).

Totusi… o rafinarie in orbita nu e ceva ieftin, si nu exista multe indicii ca NASA a cochetat foarte mult cu ideea. In schimb, odata ce modulele de propulsie erau imbacsite de produsi de fisiune si nu mai porneau, ele urmau sa fie puse pe orbite moarte, departe de alti sateliti, unde urmau sa… stea, la fel ca satelitii scosi din uz.

Nus tiu de voi, dar gandul ca ai avea sateliti plini de zeci de kilograme de metale radioactive nu e incantator. Desi nu e cine stie ce pericol pentru planeta, radiatia poate praji din greseala un satelit care se apropie prea mult. Spatiul e deja extrem de radioactiv, asa ca sateltii de inaltimi mari sunt deja ecranati, dar chiar si asa, ecologistii chiar si in anii 70 s-ar fi simtit… stingheri.

Putem specula ca agentia ar fi folosit bazele lunare si orbitale pentru a cosntrui, la un moment dat o uzina mica de reprocesare, daca nu din alt motiv, macar fiindca ar fi insemnat ca puteau folosi uraniul deja lansat, fara a fi nevoita sa importa cantitati mari de pe Pamant din nou. O idee care sprijina principiile modulare si de infrastructura orbitala a IPP. Dar asta ar fi fost intr-un viitor relativ indepartat, dupa multe cercetari.

Dincolo de dificultatile tehnice pentru sfarsitul vietii acestor module era faptul ca erau terbil de radioactive in timpul functionarii si imediat dupa. In spatiu nu ai atmosfera asadar radiatia nu e diminuata decat de distanta. Motorul NERVa prevedea un scut anti-radiatie care sa umbreasca partea frontala a navei, unde urmau sa stea astronautii:

 

Problema e ca a te apropia de RNS din laterala devine o propunere extrem de riscanta. Practic, fara atmosfera, zona de excluziune e de ordinul kilometrilor, in functie de puterea motorului. Asta e problematic daca doresti sa andochezi la o statie spatiala, alt vehicul sau pur si simplu sa transferi incarcatura cargo.

Cele doua mari nume in domeniu sunt Holmes F. Crouch, care a scris lucrarea “Nuclear Space Propulsion” in 1965, in care a calculat fluxul de radiatie pentru un motor NERVA obisnuit.

Diagramele de radiatie un jurul unui motor NERVA. Multumim domnului Crouch si site-ului Atomic Rockets

 

Problema radiatiilor nu era simpla de rezolvat, daca tinem cont ca, fiind vehicule orbitale, ele trebuies sa fie cat mai usoare. Asadar, sa inglobezi motorul in plumb nu era o idee castigatoare. Chiar si scutul-umbrela, cu arcul sau redus, era greu de 1.5 tone.

Inginerii de casa ai firmelor au adoptat solutii interesenta pentu a incerca sa contracareze efectele motorului. Astfel se explica de ce vehiculele tind sa fie lunguiete, si sa puna rezervorul intre sarcina utila si motor. Masa de reactie putea, astfel, sa joace rol de masa de ecranare.

Problema era ca masa de reactie se termina pe parcursul arderii, iar la final ramane foarte putina in rezervor. Asta explica si de ce partea anterioara a conceptelor au forma naterioara de tip trunchi de con. Mai mult, unele design-uri aveau rezervoare secundar inauntru, pentru a se asigura ca va fi o masa de combustibil intre sarcina si motor pana in ultimele secunde ale arderii. Uneori vorbim de rezervoare in forma de coloana, alteori in forma de butoiase secundare interne.

Design pentru RNS Clasa 1, cu coloana centrala (denumita standdpipe) Ea era ultima parte din rezervor care se golea minimizand dozajul primit de echipaj.

 

Chiar si asa, RNS a fost aspur crtiticata pentru nivelul de radiatie pe care-l primeau echipajele. Intr-un raport al NASA contractat companiei Bellcomm, D. J. Osias a criticat complicatiile provocate de radiatia nucleara a motorului, spunand ca analizele erau bazate pe scenarii optimiste de functionare.

Osias a calculat, folosind graficele lui Crouch, ca doza maxima de radiatie pe care ar trebui sa o primeasca un astronaut s-ar situa intre 0.1 si 0.25 de Sievert per an. In schimba, astronautii ar primi 0.1 Sievert de fiecare data cand RNS ar realiza o ardere. Dansul a recomandat ca un alt vehicul sa nu se apropie mai mult de 100 de mile (!!!) lateral de o nava in functiune atata timp cat motorul era in functiune. La o distanta de 16 km, un astronaut ar resimti 0.25 – 0.3 Sievert per ora de la un motor in functiune.

Mai rau e ca RNS-ul orbita Luna la o inatime de 100 de km, ceea ce ar fi insemna ca astronautii trebuiau sa se adposteasca cand trecea deasupra.

Astazi, limita anuala pentru astronauti este de 3 Sievert, cu o limita de cariera de 4 Sievert. Ceea ce inseamna ca dupa 10 arderi complete, astronautul nu ar mai avea voie sa zboare (coincidenta face ca motorul NERVA sa fie inabusit tot dupa 10 arderi complete).
 

Va urma.
 

Marian Dumitriu (Checkmate)

Surse:
1. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns4.php#id–Reusable_Nuclear_Shuttle_Class_1
2. https://www.wired.com/2012/09/nuclear-flight-system-definition-studies-1971/
3. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacetug.php#spacetug
4. Pre-Phase A Study for Analysis of a nuclear space tug vol 4 : https://ntrs.nasa.gov/citations/19710011980
5. Pre-Phase A Study for Analysis of a nuclear space tug vol 5 : https://ntrs.nasa.gov/citations/19710011981
6. https://theconquestofspace.com/?p=361
7. https://web.archive.org/web/20120505171808/http://www.energyfromthorium.com/NuclearShipPropulsion.html

The post Stele verzi – pe umerii atomului: naveta nucleară (2) appeared first on Romania Military.

Articol original