Showing posts with label motoare nucleare. Show all posts

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

El Danio

11/21/2020 01:19:00 AM No comments 0

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:

motorul a fost pornit cu succes de 24 de ori, 15 din conditii initiale prestabilite sau folosind circuite logice utilizate in premiera;
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;
pornirile autonome erau posibile pe o plaja de valori de la +11 la -8.5 grade de rotatie a tamburilor;
rezultatele testelor au aratat ca sistemul automat putea identifica cu succes unghiul de rotatie al tamburilor pentru care se atingea criticalitatea;
s-a reusit pornirea motorului cu o presiune de intrare de numai 159 kPa;
s-a descoperit ca la temperaturi mari, efectul de reflectare a beriliului era neglijabil;
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;
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);
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;
variatii in presiunea din camera de evacuare indicau ca designul controllerului de oprire nu era suficient optimizat (mai exact, TCPV-ul actiona prea rapid);
la testele de flux la rece, s-a dovedit ca asimetriile de presiune si temperatura erau mai mari folosind hidrogen lichid decat hidrogen gazos;
rezervele de masa de reactie puteau fi realimentate chiar si in timpul functionarii reactorului, cu efecte foarte mici asupra motorului;
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

atomul explorare spatiala motoare nucleare Nerva NRX NRX A5 NRX A6 propulsia in spatiu propulsia rachetelor rachete Spatiale stiinta tehnologie nucleara

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

El Danio

11/14/2020 01:19:00 AM No comments 0

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)

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

atomul explorare spatiala Fără categorie KIWI KIWI B motoare nucleare propulsia in spatiu propulsia rachetelor rachete Rover tehnologie nucleara

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

El Danio

10/10/2020 03:19:00 AM No comments 0

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:

valori de temperatura, care au inregistrat masuratori maxime de 2167 K
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
pe baza energiei exploziei, s-a estimat ca numai 5% pana la 15% din miez ar fi putut sa fie vaporizat
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
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)

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

atomul explorare spatiala KIWI KIWI B motoare nucleare propulsia in spatiu propulsia rachetelor rachete Rover Spatiale stiinta tehnologie nucleara

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

El Danio

10/03/2020 03:19:00 AM No comments 0

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)

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

atomul explorare spatiala KIWI KIWI A motoare nucleare propulsia in spatiu propulsia rachetelor rachete Rover Spatiale stiinta tehnologie nucleara

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

El Danio

9/19/2020 03:19:00 AM No comments 0

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)

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

atomul explorare spatiala motoare nucleare propulsia in spatiu propulsia rachetelor rachete Rover Spatiale stiinta tehnologie nucleara

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 3)

El Danio

9/12/2020 03:19:00 AM No comments 0

Facilitatile de testare

Motoarele KIWI urmau sa fie testare intr-un complex de la Jackass Flats, Nevada. Zona a fost aleasa datorita distantei fata de orice asezare umana si proximitatii fata de poligonul de testari al armelor nucleare (facand ca grijile legate de eventuale contaminari radioactive sa fie considerate irelevante…initial).

Motoarele KIWI soseau gata asamblate de la Los Alamos, impreuna cu un contingent de cercetatori, ingineri si tehnicieni. Procedura obisnuita cerea o verificare a motorului, urmata de atasarea sa la liniile electrice si de hidrogen. Motorul ramanea atasat de vagonul specializat pe care era transportat pe toata durata testelor, duza de evacuare a hidrogenului fiind indreptata in sus, pe verticala, pentru a nu contamina solul si a permite o dispersie eficienta a eventualelor impuritati radioactive. Programul cerea o testare a motoarelor pana la distrugere sau pana la o putere prestabilita.

Dupa finalizarea testului, amsamblul vagon-motor era transportat pana la o portiune indepartata a complexului pentru a se „raci” (cu alte cuvinte, pana cand izotopii instabili generati in timpul functionarii dispareau). Apoi era transportat in facilitatil specializate, dezasamblat si examinat.

Facilitatile despre care vorbim erau, in multe privinte, similare celor folosite pentru fabricarea dispozitivelor militare explozive si a tijelor de combustibil pentru reactoare. Denumite colocvial „hot cells” (celule fierbinti), ele erau incaperi blindate cu pereti ecranati si ferestre realizate din compusi cristalini transparenti, precum borosilicate de plumb.

In interior erau dispozitive de traductanta mecanica sau electromecanica, adica brate robotizate denumite populare „Waldos”.

Intregul complex de dezasamblare se numea „Reactor Maintenance and Disassembly Building” (R-MAD). Diferenta fata de o celula fierbinte obisnuita era data de marimea sa: 76 de metrii lungime, 43 de metrii latime si inalta de 19 metrii. Pe langa aparatura stiintifica, cladirea era practic si un depou de cale ferata, permitand transportul direct al motoarelor racite.

Imagine aeriana cu R-MAD

Pe langa verificari structurale, R-MAD continea si aparate menite sa studieze schimbari cristalografice pentru materialele folosite in reactoare, pentru a vedea efectul pe care il avea radiatia asupra aliajelor metalice folosite.

De asemenea, aparatura speciala era folosita pentru a examina raportul izotopilor din motor cu scopul de a determina cantitatea totala de energie care fusese eliberata (si astfel afla puterea generata de motor pe parcursul testului).

Suprafata totala pusa la dispozitia programului Rover era de 127,200 hectare. In afara de R-MAD, locatia avea la dispozitie si o serie de sine de cale ferata (cu o lungime totala de 19 km) si zonele unde aveau loc aprinderile motoarelor, denumite celule de testare (test cell).

Prima dintre acestea (Test Cell A) avea o serie de butelii de hidrogen, si un perete de protectie gros de 0.91m menit a umbri instalatiile electronice de radiatia puternica emisa de motor. Camera de control era situata intr-un buncar la 3.2 km distanta.

O a doua celula de testare (Test Cell C) a fost finalizata in 1964, moment in care putem spune ca baza de cercetare a fost terminata (dupa 7 ani de constructie). Ea continea o serie de rezervoare de capacitate mai mare decat Test Cell A, precum si instalatii de condensare, permitand ciclii de functionare mai lungi.

De asemenea au fost adaugate si o serie de instalatii anexe, precum o a doua cladire de dezasamblare a motoarelor (Engine Maintenance and Disassembly Building – E-MAD) si trei standuri de testare a motoarelor (dintre care numai unul a fost finalizat pana la sfarsitul programului : ETS-1 ).

In final, in 1962, intregul complex a primit denumirea oficiala de Nuclear Rocket Development Station (NRDS).

Harta complexului Rover, oficial numit NRDS

Instalatii de pre-testare

Dupa cum am mentionat mai devreme, motoarele soseau la NRDS gata asamblate de la Los Alamos. Asta nu inseamna, insa, ca subansamble individuale nu erau testate inainte de montarea lor in reactor. Los Alamos a construit mai multe standuri specializate menite a verifica functionalitatea componentelor inainte de asamblare finala.

Primul a fost denumit „Fagurele” (Honeycomb) si era o instalatie de testare a tijelor de combustibil. Acestea erau fixate pe pozitie de un grilaj de aluminiu (un material transparent radiatiei neutronice). In ele erau inserate, si caracterizate, prisme de combustibil nuclear, reflectoare, moderatori si materiale absorbante de radiatie, intr-o configuratie atent asamblata (pentru a preintampina conditii de criticalitate accidentala; a se vedea accidentele cu „Demon Core”).
Scopul sau era de a vedea daca comportamentul ansamblelor se potrivea cu datele obtinute de modelele teoretice. Cu alte cuvinte, daca teoreticul e de acord cu practicul, si daca o configuratie nou obtinuta merita sa avanseze la etapele urmatoare, pentru a se tranforma, intr-un final, intr-un motor.

Un alt ansamblu experimental era o copie a unui reactor KIWI sectionat, cu o incinta de apa grea in mijloc pentru a reduce cantitatea de material fisionabil necesar atingerii pragului critic. Acest ansamblu a fost denumit Zepo-A, si a fost modificat pentru fiecare iteratie de motor ce urma sa fie testat in Nevada. Era folosit pentru caracterizare neutronica la temperaturi reduse (adica radiatie fara caldura)

Instalatii de testare de la Los Alamos: Fagurele si Zepo-A (A se observa moderatorul din fibra de grafit folosit la Zepo)

In final, complexul de la Los Alamos avea si instalatii de testare cu gaze fierbinti, denumite colocvial si „furnale”. Intregul scop al acestor standuri era sa caracterizeze elementele de combustibil la temperaturi inalte, in flux de hidrogen, fara a le iradia (caldura, dar fara radiatie). In loc de energie nucleara, instalatia utiliza incalzitoare rezistive pentru a mari temperatura elementelor.

Ea a devenit din ce in ce mai importanta pe parcursul programului, pe masura ce configuratia elementelor de combustibil (in speta a compozitului de grafit) a devenit mai sofisticata (spre exemplu, intial se folosea pudra de grafit, dar mai apoi s-a utilizat un amestec de pudra si fulgi, fixati cu o rasina epoxilica termo-fixata; particulele de combustibil s-au schimbat si ele, de la oxid de uraniu fara incapsulare, la carbura de uraniu incapsulata in zircon).

Celulele de testare cu hidrogen fierbinte, asa-numitul furnal nuclear

imagine schematica continand toate cele trei instalatii importante (Fagurele, Zepo-A, furnalul electric gazodinamic)

Desi descrierea lor in acest articol pare superflua, importanta pe care aceste instalatii (si reactorul Plum Brooke, operat de NASA) au jucat-o in succesul tehnologic al proiectului Rover nu poate fi
subestimata.

Spre exemplu, cand se contruia motorul KIWI-B4, modele experimentale initiale (atat pe „Fagure” cat si, mai riguros, pe Zepo-A) aratau o reactivitate buna si o capacitate de control acceptabila. Insa, in timp ce echipa de la Los Alamos asambla reactorul, s-a descoperit ca exista un exces de reactivitate, facand asamblarea imposibila (sau fatala si potential extrem de distructiva).

Ca atare, s-au folosit elemente inerte si otravuri neutronice pentru a contracara efectul de reactivitate excesiva. Testari mai stringente au arata ca particulele de carbura de uraniu suspendate in matricea de grafit sufereau hidroliza. Compusii chimici astfel formati mareau efectul de moderare si cresteau reactivitatea miezului.

Ca atare, mai tarziu s-a decis folosirea unor particule mai mari de UC2, incapsulate individual, pentru a contracara hidroliza.

Asadar aceste instalatii asigurau siguranta testelor de la Nevada si furnizau date importante pentru munca de design de la Westinghouse si munca de productie de la Oak Ridge National Lab.

Etapele de proiectare ale unui motor nuclear

Provocari

Am descris cele de mai sus pentru a ilustra un singur lucru: programul era mult mai serios decat nota de subsol care ii este acordata astazi. Resurse enorme au fost investite in el, si era privit cu maxima seriozitate ca fiind calea catre viitor. Iar aceste resurse erau necesare, pentru ca tehnologiile folosite reprezentau varful sangerand al tehnologiei de la acea vreme.

Provocarile pe care echipa din Nevada le-a intampinat depaseau cadrul unor simple teste de sisteme nucleare. Hidrogenul este un material notoriu de dificil de folosit datorita dimensiunilor sale moleculare extrem de reduse. Are tendinta sa se infiltreze in porii structurilor metalice, necesita valve realizate cu tolerante foarte reduse, si cand este expus atmosferei, prezinta un pericol de explozie major. Colac peste pupaza, acesteau erau vremurile timpurii ale experimentelor cu H2. Chiar si in ziua de astazi, folosirea hidrogenului lichid nu e o procedura de rutina. O exemplificare a acestui fapt este lansarea unei rachete Delta-IV, care pare ca sufera o deflagratie pe rampa, datorita scurgerilor de hidrogen din valve, cordoane de sudura si garnituri, precum si din peretii rezervoarelor – auto-incendierea rachetei e procedura standard de operare!

In anii 50 si 60, aceste probleme erau inca in curs de cercetare. Mentionam aici statia de cercetare de la Plum Brook, care avea rolul de a explora tehnici de manipulare a substantei. Echipament criogenic, metode de densificare, transport, testari fizice pentru senzori, etc; vasta majoritate a procedurilor moderne pentru folosirea LH2 vin de la dansii. Si succesul lor era crucial pentru Rover, caci, dupa cum am mai mentionat, hidrogenul este cea mai usoara molecula cunoscuta, si ca atare, este necesara pentru obtinerea vitezelor de evacuare mari.

Reactoarele de la KIWI-A pana la KIWI-B1A foloseau hidrogen in forma comprimata gazoasa, tocmai fiindca echipamentul planificat a fi utilizat suferise intarzieri (probleme de constructie, de sudura, la valve, incendii, etc). Aceste probleme s-au manifestat si la Jackass Flats, cauzand unele dintre incidentele mai spectaculoase ale programului. Incendiile erau o problema comuna, ba chiar un accident in timpul instalarii unei conducte de combustibil a cauzat pagube majore unuia dintre vagoanele-platforma (dar minimal reactorului, care era extrem de solid construit), instrumentatiei si adapostului. Acelasi test a mai suferit doua incendii similare de scara mai mica, care au costat programul o luna de intarziere.

Desi masa de reactie era sursa multor probleme, altele erau rezultatul faptului ca aceste motoare foloseau tehnologii nucleare ce depaseau cu mult limitele tehnologiei la acel moment. A afirma ca ele foloseau metode de constructie noi e foarte putin spus. Compusi care reprezentasera doar posibilitati teoretice cu cativa ani (in unele cazuri, cateva luni!) inainte erau folosite. Si nu pentru orice, ci pentru a construi reactoare inovative, care operau la temperaturi foarte mari, prezentau fenomene chimice si neutronice practic necunoscute… si care pe deasupra, erau si motoare de racheta!

Aliaje noi, forme noi de grafit, metode experimentale pentru incapsulare menite a preveni atacul hidrogenului… Toate erau teoretizate, apoi repede fabricate, apoi modificate din mers. Si repede, caci totul era o competitie. In multe cazuri (mai ales incapsularea combustibilului) aceste cercetari continua la un nivel redus si in ziua de azi, dar cu aportul tehnologiilor de micro-imagistica si a unei jumatati de secol de avansuri in tehnologia materialelor si metode numerice. Acestea sunt, efectiv, la ani lumina de ce aveau la dispozitie inginerii si cercetatorii la acel moment.
Principiile hidrodinamice nu erau deplin intelese, tipologia vibratiilor si incarcarilor mecanice nu puteau fi prezise, si interactiunile chimice la asemenea temperaturi prezentau alte necunoscute.

Asadar, acestea constituiau majoritatea problemelor intalnite la Jackass Flats.

Ca sa exemplificam, una dintre probleme intalnite preponderent in testele initiale a fost despicarea elementelor de combustibil pe axa scurta. Fluxul de hidrogen era astfel perturbat, matricea de grafit era expusa si atacata vorace de acesta. Ea se dizolva, expunand combustibil intact, dar si produsi de fisiune, care erau preluati de gazele de mare viteza. De obicei, aceste particule erau evacuate prin ajutaj, dar in cazul uraniului, s-a dovedit ca avea o tendinta de a colecta in partile cele mai fierbinti ale reactorului. In alte cazuri, bucati mari de elemente de fisiune erau ejectate, imprastiind in aer combustibil partial reactat – de obicei, sub forma de aerosoli. Astazi, asta ar fi total inacceptabil, dar asta era era testelor atomice supraterane (care, de altfel, nu se desfasurau departe).

Rand pe rand, aceste provocari au fost adresate pe parcursul programului. Unele in maniera deplina, altele cu nota de subsol sau satisfacator. Ele erau mai prevalente la inceputul programului, si, mai tarziu, au fost citate in decizia Congresului de a opri finantarea programului (desi, trebuie sa spunem, ca, in lipsa unei misiuni martiene, dupa finalizarea Apollo, sistemele nu mai erau privite ca fiind necesare). Aceste teste erau TIMPURII, folosind materiale care nu reprezentasera altceva decat un concept in imaginatia unui inginer cu numai cativa ani inainte. Si daca Luna parea extrem de dificila, Marte era de 200 de ori mai indepartata.

Va urma.

Marian Dumitriu (Checkmate)

16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )

The post Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 3) appeared first on Romania Military.

Articol original

Mega Menu

Saptamana fierbinte

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

XE-PRIME

Sfarsitul?…

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

NRX A5

NRX A6

Cantecul de lebada

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

KIWI B4E

Teste ulterioare

KIWI TNT

La intretaiere de drumuri

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

Nisipuri miscatoare

Testele de vibratii

KIWI B4D

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

Seria KIWI

KIWI A

KIWI A’

KIWI A3

Stele verzi – Rover, ‘dulaul’ astronuclear (episodul 3)

Facilitatile de testare

Instalatii de pre-testare

Provocari

TIKTOK

Recents

MUST READ

BITCOIN

SPORTS

CRICKET

LABELS

TAGS

POPULAR