Projet Rover - Project Rover

kiwi
Kiwi A à la cellule de test post plan.jpg
Kiwi A Prime sur banc d'essai
Pays d'origine États-Unis
Designer Laboratoire scientifique de Los Alamos
Fabricant Laboratoire scientifique de Los Alamos
Application Recherche et développement
Successeur NERVA
Statut Retraité
Moteur à carburant liquide
Propergol Hydrogène liquide
Performance
Poussée (vac.) 245 000  N (55 000  lbf )
Pression de la chambre 3,450 kilopascals (500  psi )
Je sp (vac.) 834 secondes (8,18 km / s)
Durée de combustion 480 secondes
Redémarre 1
Dimensions
Longueur 140 centimètres (54 po) (noyau)
Diamètre 80 centimètres (32 po) (noyau)
Réacteur nucléaire
Opérationnel 1959 à 1964
Statut Désarmé
Principaux paramètres du cœur du réacteur
Combustible ( matière fissile ) Uranium hautement enrichi
État du carburant Solide
Spectre d'énergie neutronique Thermique
Méthode de contrôle primaire Contrôle des tambours
Modérateur principal Graphite nucléaire
Liquide de refroidissement primaire Hydrogène liquide
Utilisation du réacteur
Puissance (thermique) 937 MW
Les références
Les références
Remarques Les données concernent la version Kiwi B4E.

Project Rover était un projet américain visant à développer une fusée nucléaire thermique qui a fonctionné de 1955 à 1973 au laboratoire scientifique de Los Alamos (LASL). Il a commencé comme un projet de l'armée de l'air des États-Unis visant à développer un étage supérieur à propulsion nucléaire pour un missile balistique intercontinental (ICBM). Le projet a été transféré à la NASA en 1958 après que la crise de Spoutnik ait déclenché la course à l' espace . Il était géré par le Space Nuclear Propulsion Office (SNPO), une agence conjointe de la Commission de l'énergie atomique (AEC) et de la NASA . Le projet Rover est devenu une partie du projet NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application ) de la NASA et a désormais traité de la recherche sur la conception de réacteurs de fusée nucléaire, tandis que NERVA impliquait le développement et le déploiement globaux de moteurs de fusée nucléaires, et la planification de missions spatiales.

Les réacteurs nucléaires du projet Rover ont été construits dans la zone technique 18 du LASL (TA-18), également connue sous le nom de site du canyon de Pajarito. Ils y ont été testés à très faible puissance, puis expédiés dans la zone 25 (connue sous le nom de Jackass Flats) sur le site d'essai du Nevada de l'AEC . Les essais des éléments combustibles et d'autres sciences des matériaux ont été effectués par la division N LASL à TA-46 à l'aide de divers fours et plus tard d'un réacteur d'essai personnalisé, le four nucléaire. Le projet Rover a abouti au développement de trois types de réacteurs: Kiwi (1955 à 1964), Phoebus (1964 à 1969) et Pewee (1969 à 1972). Kiwi et Phoebus étaient de grands réacteurs, tandis que Pewee était beaucoup plus petit, conformément au plus petit budget disponible après 1968.

Les réacteurs étaient alimentés en uranium hautement enrichi , avec de l'hydrogène liquide utilisé à la fois comme propulseur de fusée et comme réfrigérant de réacteur. Le graphite nucléaire et le béryllium ont été utilisés comme modérateurs de neutrons et réflecteurs de neutrons . Les moteurs étaient contrôlés par des tambours avec du graphite ou du béryllium d'un côté et du bore (un poison nucléaire ) de l'autre, et le niveau d'énergie ajusté en faisant tourner les tambours. Parce que l'hydrogène agit également comme un modérateur, l'augmentation du débit de propulseur a également augmenté la puissance du réacteur sans qu'il soit nécessaire d'ajuster les tambours. Les tests du projet Rover ont démontré que les moteurs de fusées nucléaires pouvaient être arrêtés et redémarrés plusieurs fois sans difficulté, et pouvaient être regroupés si plus de poussée était souhaitée. Leur impulsion spécifique (efficacité) était à peu près le double de celle des fusées chimiques.

La fusée nucléaire a bénéficié d'un fort soutien politique de la part du président influent du Comité mixte du Congrès des États-Unis sur l'énergie atomique , le sénateur Clinton P. Anderson du Nouveau-Mexique (où se trouvait LASL), et ses alliés, les sénateurs Howard Cannon du Nevada et Margaret Chase Smith. du Maine . Cela lui a permis de survivre à de multiples tentatives d'annulation qui sont devenues de plus en plus graves dans la réduction des coûts qui a prévalu alors que la guerre du Vietnam s'intensifiait et après la fin de la course spatiale avec l' atterrissage d' Apollo 11 sur la Lune. Les projets Rover et NERVA ont été annulés en raison de leur objection en janvier 1973, et aucun des réacteurs n'a jamais volé.

Les débuts

Premiers concepts

Au cours de la Seconde Guerre mondiale , certains scientifiques du projet Manhattan de laboratoire Los Alamos , y compris Stan Ulam , Frederick Reines et Frédéric de Hoffmann , ont spéculé sur le développement de fusées à propulsion nucléaire, et en 1947, Ulam et Cornelius Joseph « CJ » Everett a écrit un article dans lequel ils envisageaient d'utiliser des bombes atomiques comme moyen de propulsion de fusée. Ceci est devenu la base du projet Orion . En décembre 1945, Theodore von Karman et Hsue-Shen Tsien ont rédigé un rapport pour les forces aériennes de l'armée américaine . Tout en convenant que ce n'était pas encore pratique, Tsien a émis l'hypothèse que les fusées à propulsion nucléaire pourraient un jour être assez puissantes pour lancer des satellites en orbite.

En 1947, le Laboratoire d'aérophysique de l'aviation nord-américaine a publié un grand article examinant bon nombre des problèmes liés à l'utilisation de réacteurs nucléaires pour propulser des avions et des fusées. L'étude visait spécifiquement un avion d'une portée de 16000 kilomètres (10000 mi) et d'une charge utile de 3600 kilogrammes (8000 lb), et couvrait les turbopompes , la structure, les réservoirs, l' aérodynamique et la conception des réacteurs nucléaires . Ils ont conclu que l'hydrogène était le meilleur propulseur et que le graphite serait le meilleur modérateur de neutrons , mais ont supposé une température de fonctionnement de 3 150 ° C (5 700 ° F), ce qui dépassait les capacités des matériaux disponibles. La conclusion était que les fusées à propulsion nucléaire n'étaient pas encore pratiques.

La révélation publique de l'énergie atomique à la fin de la guerre a suscité de nombreuses spéculations, et au Royaume-Uni, Val Cleaver , l'ingénieur en chef de la division des fusées à De Havilland , et Leslie Shepard , physicien nucléaire à l' Université de Cambridge , a examiné indépendamment le problème de la propulsion des fusées nucléaires. Ils sont devenus des collaborateurs et, dans une série d'articles publiés dans le Journal of the British Interplanetary Society en 1948 et 1949, ils ont décrit la conception d'une fusée à propulsion nucléaire avec un échangeur de chaleur en graphite à noyau solide . Ils ont conclu à contrecœur que les fusées nucléaires étaient essentielles pour l'exploration de l'espace lointain, mais pas encore techniquement réalisables.

Rapport Bussard

En 1953, Robert W. Bussard , un physicien travaillant sur le projet d'énergie nucléaire pour la propulsion des aéronefs (NEPA) au Oak Ridge National Laboratory , a rédigé une étude détaillée. Il avait lu l'ouvrage de Cleaver et Shepard, celui de Tsien, et un rapport de février 1952 des ingénieurs de Consolidated Vultee . Il a utilisé des données et des analyses de fusées chimiques existantes, ainsi que des spécifications pour les composants existants. Ses calculs étaient basés sur l'état de l'art des réacteurs nucléaires. Plus important encore, l'article a examiné plusieurs gammes et tailles de charge utile; Les conclusions pessimistes de Consolidated étaient en partie le résultat de l'examen d'un éventail restreint de possibilités.

Le résultat, Nuclear Energy for Rocket Propulsion , a déclaré que l'utilisation de la propulsion nucléaire dans les fusées n'est pas limitée par des considérations d'énergie de combustion et donc des propulseurs de faible poids moléculaire tels que l' hydrogène pur peuvent être utilisés. Alors qu'un moteur conventionnel pourrait produire une vitesse d'échappement de 2500 mètres par seconde (8300 pieds / s), un moteur nucléaire alimenté à l'hydrogène pourrait atteindre une vitesse d'échappement de 6900 mètres par seconde (22700 pieds / s) dans les mêmes conditions. Il a proposé un réacteur modéré au graphite en raison de la capacité du graphite à résister à des températures élevées et a conclu que les éléments combustibles nécessiteraient une gaine protectrice pour résister à la corrosion par le propulseur d'hydrogène.

L'étude de Bussard a eu peu d'impact au début, principalement parce que seulement 29 exemplaires ont été imprimés, et elle a été classée comme données restreintes et ne pouvait donc être lue que par une personne possédant l'habilitation de sécurité requise. En décembre 1953, il a été publié dans le Journal of Reactor Science and Technology d' Oak Ridge . Bien que toujours classé, cela lui a donné une diffusion plus large. Darol Froman , le directeur adjoint du Los Alamos Scientific Laboratory (LASL), et Herbert York , le directeur du University of California Radiation Laboratory à Livermore , étaient intéressés et ont créé des comités pour enquêter sur la propulsion des fusées nucléaires. Froman a amené Bussard à Los Alamos pour l'aider pendant une semaine par mois.

Approbation

L'étude de Robert Bussard a également attiré l'attention de John von Neumann , et il a formé un comité ad hoc sur la propulsion nucléaire des missiles. Mark Mills , le directeur adjoint de Livermore était son président, et ses autres membres étaient Norris Bradbury de LASL; Edward Teller et Herbert York de Livermore; Abe Silverstein , directeur associé du laboratoire de propulsion de vol Lewis du Comité consultatif national de l'aéronautique (NACA) ; et Allen F. Donovan de Ramo-Wooldridge .

Après avoir entendu des commentaires sur divers modèles, le comité Mills a recommandé que le développement se poursuive, dans le but de produire un étage supérieur nucléaire pour un missile balistique intercontinental (ICBM). York a créé une nouvelle division à Livermore et Bradbury a créé une nouvelle division appelée N Division à Los Alamos sous la direction de Raemer Schreiber , pour la poursuivre. En mars 1956, le Projet d'armes spéciales des forces armées (AFSWP) a recommandé d'allouer 100 millions de dollars (940 millions de dollars en 2019) au projet de moteur de fusée nucléaire sur trois ans pour que les deux laboratoires mènent des études de faisabilité et la construction d'installations d'essai.

Eger V. Murphree et Herbert Loper de la Commission de l'énergie atomique (AEC) ont été plus prudents. Le programme de missiles Atlas se déroulait bien et, s'il réussissait, il aurait une portée suffisante pour atteindre des cibles dans la majeure partie de l' Union soviétique . Dans le même temps, les ogives nucléaires devenaient plus petites, plus légères et plus puissantes. Les arguments en faveur d'une nouvelle technologie qui promettait des charges utiles plus lourdes sur de plus longues distances semblaient faibles. Cependant, la fusée nucléaire avait acquis un puissant patron politique en la sénatrice Clinton P. Anderson du Nouveau-Mexique (où se trouvait LASL), vice-président du Comité mixte du Congrès américain sur l'énergie atomique (JCAE), proche de von Neumann. , Bradbury et Ulam. Il a réussi à obtenir un financement.

Tous les travaux sur la fusée nucléaire ont été consolidés à Los Alamos, où il a reçu le nom de code Project Rover; Livermore s'est vu confier la responsabilité du développement du statoréacteur nucléaire , qui portait le nom de code Project Pluto . Le projet Rover était dirigé par un officier de service actif de l' USAF détaché auprès de l'AEC, le lieutenant-colonel Harold R. Schmidt. Il était responsable devant un autre officier détaché de l'US Air Force, le colonel Jack L. Armstrong, qui était également en charge des projets de Pluton et des systèmes de puissance auxiliaire nucléaire (SNAP).

Concepts de conception

En principe, la conception d'un moteur de fusée thermique nucléaire est assez simple: une turbopompe forcerait l'hydrogène à travers un réacteur nucléaire, où il serait chauffé par le réacteur à des températures très élevées, puis évacué par une buse de fusée pour produire une poussée. Les facteurs de complication étaient immédiatement apparents. Le premier était qu'il fallait trouver un moyen de contrôler la température du réacteur et la puissance de sortie. La seconde était qu'il fallait concevoir un moyen pour retenir le propulseur. Le seul moyen pratique de stocker l'hydrogène était sous forme liquide, ce qui nécessitait une température inférieure à 20  K (-253,2 ° C). Le troisième était que l'hydrogène serait chauffé à une température d'environ 2 500 K (2 230 ° C), et il faudrait des matériaux capables de résister à de telles températures et de résister à la corrosion par l'hydrogène.

Schéma en coupe du moteur de fusée Kiwi

L'hydrogène liquide était théoriquement le meilleur propulseur possible, mais au début des années 50, il était cher et disponible seulement en petites quantités. En 1952, l'AEC et le National Bureau of Standards avaient ouvert une usine près de Boulder, Colorado , pour produire de l'hydrogène liquide pour le programme d' armes thermonucléaires . Avant de se fixer sur l'hydrogène liquide, LASL a considéré d'autres propulseurs comme le méthane ( CH
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) et l' ammoniac ( NH
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). L'ammoniac, utilisé dans les essais menés de 1955 à 1957, était peu coûteux, facile à obtenir, liquide à 239 K (-34 ° C) et facile à pomper et à manipuler. Il était cependant beaucoup plus lourd que l'hydrogène liquide, ce qui réduisait l' impulsion du moteur ; il s'est également avéré être encore plus corrosif et avait des propriétés neutroniques indésirables.

Pour le combustible, ils ont considéré le plutonium-239 , l' uranium-235 et l' uranium-233 . Le plutonium a été rejeté car s'il forme facilement des composés, ils ne pouvaient pas atteindre des températures aussi élevées que celles de l'uranium. L'uranium-233 a été sérieusement envisagé, comparé à l'uranium-235, il est légèrement plus léger, a un nombre plus élevé de neutrons par événement de fission et une forte probabilité de fission. Il avait donc la perspective d'économiser un peu de poids en carburant, mais ses propriétés radioactives le rendaient plus difficile à manipuler, et en tout cas il n'était pas facilement disponible. L'uranium hautement enrichi a donc été choisi.

Pour les matériaux de structure du réacteur, le choix s'est porté sur le graphite ou les métaux. Parmi les métaux, le tungstène est apparu comme le favori, mais il était coûteux, difficile à fabriquer et avait des propriétés neutroniques indésirables. Pour contourner ses propriétés neutroniques, il a été proposé d'utiliser du tungstène-184 , qui n'absorbe pas les neutrons. Le graphite a été choisi car il est bon marché, devient plus fort à des températures allant jusqu'à 3300 K (3030 ° C) et se sublime plutôt que fond à 3900 K (3630 ° C).

Pour contrôler le réacteur, le cœur était entouré de tambours témoins revêtus de graphite ou de béryllium (un modérateur de neutrons) d'un côté et de bore (un poison neutronique ) de l'autre. La puissance de sortie du réacteur pourrait être contrôlée en faisant tourner les tambours. Pour augmenter la poussée, il suffit d'augmenter le débit de propulseur. L'hydrogène, que ce soit sous forme pure ou dans un composé comme l'ammoniac, est un modérateur nucléaire efficace, et l'augmentation du débit augmente également la vitesse des réactions dans le cœur. Cette vitesse de réaction accrue compense le refroidissement fourni par l'hydrogène. Au fur et à mesure que l'hydrogène se réchauffe, il se dilate, il y en a donc moins dans le cœur pour évacuer la chaleur et la température se stabilise. Ces effets contraires stabilisent la réactivité et un moteur fusée nucléaire est donc naturellement très stable, et la poussée est facilement contrôlée en faisant varier le débit d'hydrogène sans changer les tambours de commande.

LASL a produit une série de concepts de design, chacun avec son propre nom de code: Uncle Tom, Uncle Tung, Bloodhound et Shish. En 1955, il avait opté pour une conception de 1 500 mégawatts (MW) appelée Old Black Joe. En 1956, cela est devenu la base d'une conception de 2 700 MW destinée à être l'étage supérieur d'un ICBM.

Transférer à la NASA

Le président John F. Kennedy (à droite) visite la station de développement de fusées nucléaires. À gauche du président se trouvent Glenn Seaborg , président de la Commission américaine de l'énergie atomique ; Le sénateur Howard Cannon ; Harold Finger , directeur du bureau de propulsion nucléaire spatiale ; et Alvin C. Graves , directeur des activités de test au laboratoire scientifique de Los Alamos.

En 1957, le projet de missile Atlas progressait bien, et avec la disponibilité d'ogives plus petites et plus légères, le besoin d'un étage supérieur nucléaire avait pratiquement disparu. Le 2 octobre 1957, l'AEC proposa de réduire le budget du projet Rover, mais la proposition fut bientôt dépassée par les événements.

Deux jours plus tard, l'Union soviétique a lancé Spoutnik 1 , le premier satellite artificiel. Cela a suscité des craintes et des imaginations dans le monde entier et a démontré que l'Union soviétique avait la capacité de livrer des armes nucléaires sur des distances intercontinentales et a sapé les notions américaines de supériorité militaire, économique et technologique. Cela a précipité la crise du Spoutnik et déclenché la course à l' espace , un nouveau domaine de compétition dans la guerre froide . Anderson voulait confier la responsabilité du programme spatial américain à l'AEC, mais le président américain Dwight D. Eisenhower a répondu en créant la National Aeronautics and Space Administration (NASA), qui a absorbé la NACA.

Donald A. Quarles , le secrétaire adjoint à la Défense , a rencontré T. Keith Glennan , le nouvel administrateur de la NASA, et Hugh Dryden , son adjoint le 20 août 1958, le lendemain de leur assermentation à la Maison Blanche , et Rover était le premier point à l'ordre du jour. Quarles était impatient de transférer Rover à la NASA, car le projet n'avait plus d'objectif militaire. Silverstein, que Glennan avait amené à Washington, DC, pour organiser le programme de vols spatiaux de la NASA, s'intéressait depuis longtemps à la technologie des fusées nucléaires. Il a été le premier haut responsable de la NACA à s'intéresser à la recherche sur les fusées, a lancé une enquête sur l'utilisation de l'hydrogène comme propulseur de fusée, a été impliqué dans le projet de propulsion nucléaire aéronautique (ANP), a construit le réacteur Plum Brook de la NASA et a créé un réacteur nucléaire. groupe de propulsion de fusée à Lewis sous Harold Finger .

La responsabilité des composants non nucléaires du projet Rover a été officiellement transférée de l'US Air Force (USAF) à la NASA le 1er octobre 1958, jour où la NASA est devenue officiellement opérationnelle et a assumé la responsabilité du programme spatial civil américain. Le projet Rover est devenu un projet conjoint NASA-AEC. Silverstein a nommé Finger de Lewis pour superviser le développement de la fusée nucléaire. Le 29 août 1960, la NASA créa le Space Nuclear Propulsion Office (SNPO) pour superviser le projet de fusée nucléaire. Finger a été nommé directeur, avec Milton Klein d'AEC comme adjoint.

Un «accord officiel entre la NASA et l'AEC sur la gestion des contrats de moteurs de fusée nucléaire» a été signé par l'administrateur adjoint de la NASA Robert Seamans et le directeur général de l'AEC Alvin Luedecke le 1er février 1961. Il a été suivi d'un «accord interinstitutions sur le programme pour la Development of Space Nuclear Rocket Propulsion (Project Rover) ", qu'ils ont signé le 28 juillet 1961. SNPO a également assumé la responsabilité de SNAP, Armstrong devenant l'assistant du directeur de la Division du développement des réacteurs à AEC, et le lieutenant-colonel GM Anderson, anciennement le Responsable du projet SNAP au sein de l'ANPO (Aircraft Nuclear Propulsion Office), est devenu chef de la branche SNAP de la nouvelle division.

Le 25 mai 1961, le président John F. Kennedy s'est adressé à une session conjointe du Congrès . «Premièrement,» at-il annoncé, «je crois que cette nation devrait s'engager à atteindre l'objectif, avant la fin de cette décennie, d'atterrir un homme sur la lune et de le ramener en toute sécurité sur la terre. Il a ensuite ajouté: "Deuxièmement, 23 millions de dollars supplémentaires, auxquels s'ajoutent 7 millions de dollars déjà disponibles, accéléreront le développement de la fusée nucléaire Rover. Cela promet de fournir un jour un moyen d'explorer l'espace encore plus passionnant et ambitieux. , peut-être au-delà de la Lune, peut-être jusqu'à la toute fin du système solaire lui-même. "

Site de test

Aménagement des installations de la station de développement de fusées nucléaires à Jackass Flats

Les réacteurs nucléaires du projet Rover ont été construits dans la zone technique 18 du LASL (TA-18), également connue sous le nom de site de Pajarito. Le carburant et les composants internes du moteur ont été fabriqués dans le complexe Sigma à Los Alamos. Les essais d'éléments combustibles et d'autres sciences des matériaux ont été effectués par la division LASL N de TA-46 à l'aide de divers fours et plus tard d'un réacteur d'essai personnalisé, le four nucléaire. Le personnel des divisions LASL Test (J) et Chemical Metallurgy Baker (CMB) a également participé au projet Rover. Deux réacteurs ont été construits pour chaque moteur; un pour les expériences critiques à puissance nulle à Los Alamos et un autre utilisé pour les tests à pleine puissance. Les réacteurs ont été testés à très faible puissance avant d'être expédiés sur le site d'essai.

En 1956, l'AEC a alloué 127 200 hectares (314 000 acres) d'une zone connue sous le nom de Jackass Flats dans la zone 25 du site d'essai du Nevada pour une utilisation par Project Rover. Les travaux ont commencé sur les installations d'essai à la mi-1957. Tous les matériaux et fournitures devaient être apportés de Las Vegas . La cellule d'essai A se composait d'une ferme de bouteilles d'hydrogène gazeux et d'un mur en béton de 0,91 mètre (3 pieds) d'épaisseur pour protéger l'instrumentation électronique du rayonnement du réacteur. La salle de contrôle était située à 3,2 kilomètres (2 mi). Le revêtement en plastique des câbles de commande a été rongé par des rongeurs fouisseurs et a dû être remplacé. Le réacteur a été mis à feu avec son panache d'échappement dans l'air afin que tous les produits de fission radioactifs prélevés dans le cœur puissent être dispersés en toute sécurité.

Le bâtiment de maintenance et de démontage du réacteur (R-MAD) était à bien des égards une cellule chaude typique utilisée par l'industrie nucléaire, avec des murs en béton épais, des fenêtres d'observation en verre au plomb et des bras de manipulation à distance. Il n'était exceptionnel que par sa taille: 76 mètres (250 pieds) de long, 43 mètres (140 pieds) et 19 mètres (63 pieds) de haut. Cela a permis au moteur d'entrer et de sortir d'un wagon de chemin de fer. Le "Jackass and Western Railroad", comme il a été décrit avec légèreté, était considéré comme le chemin de fer le plus court et le plus lent du monde. Il y avait deux locomotives: la L-1 électrique, commandée à distance, et la L-2 diesel-électrique, commandée manuellement, avec un blindage contre les radiations autour de la cabine .

La cellule d'essai C devait être achevée en 1960, mais la NASA et l'AEC n'ont pas demandé de fonds pour la construction supplémentaire cette année-là; Anderson les a quand même fournis. Puis il y a eu des retards de construction, le forçant à intervenir personnellement. En août 1961, l'Union soviétique a mis fin au moratoire sur les essais nucléaires qui était en place depuis novembre 1958, si bien que Kennedy a repris les essais américains en septembre. Avec un deuxième programme de crash sur le site d'essai du Nevada, la main-d'œuvre s'est raréfiée et il y a eu une grève.

Test Cell C avec son stockage cryogénique géant Dewars

Lorsque cela s'est terminé, les travailleurs ont dû faire face aux difficultés liées au traitement de l'hydrogène, qui pouvait s'échapper par des trous microscopiques trop petits pour permettre le passage d'autres fluides. Le 7 novembre 1961, un accident mineur provoque un violent dégagement d'hydrogène. Le complexe est finalement devenu opérationnel en 1964. La SNPO a envisagé la construction d'un moteur de fusée nucléaire de 20 000 MW, donc le superviseur de la construction, Keith Boyer a demandé à la Chicago Bridge & Iron Company de construire deux gigantesques dewars de stockage cryogénique de 1 900 000 litres (500 000 gal US) . Un bâtiment de maintenance et de démontage des moteurs (E-MAD) a été ajouté. C'était plus grand qu'un terrain de football, avec des murs en béton épais et des baies blindées où les moteurs pouvaient être assemblés et démontés. Il y avait également un banc d'essai de moteurs (ETS-1); deux autres étaient prévus.

Il y avait également une installation de stockage de matières radioactives (RMSF). Il s'agissait d'un site de 8,5 hectares (21 acres) à peu près équidistant de l'E-MAD, de la cellule d'essai «C» et de l'ETS-1. Il était entouré d'une clôture cyclonique avec un éclairage périphérique en quartz. Le chemin de fer à voie unique qui reliait les installations transportait une branche à travers une seule porte principale dans la zone de stockage, qui se séparait ensuite en sept éperons. Deux éperons menaient à des bunkers de 55,3 mètres carrés (595 pieds carrés). L'installation a été utilisée pour stocker une grande variété d'articles contaminés radioactivement.

En février 1962, la NASA annonça la création de la Nuclear Rocket Development Station (NRDS) à Jackass Flats, et en juin une succursale SNPO fut établie à Las Vegas (SNPO-N) pour la gérer. Les ouvriers du bâtiment étaient logés à Mercury, Nevada . Plus tard, trente remorques ont été amenées à Jackass Flats pour créer un village nommé «Boyerville» d'après le superviseur, Keith Boyer.

kiwi

La première phase du projet Rover, Kiwi, a été nommée d'après l' oiseau incapable de voler du même nom de Nouvelle-Zélande, car les moteurs de fusée Kiwi n'étaient pas non plus destinés à voler. Leur fonction était de vérifier la conception et de tester le comportement des matériaux utilisés. Le programme Kiwi a développé une série de moteurs nucléaires d'essai non pilotables, avec pour objectif principal d'améliorer la technologie des réacteurs refroidis à l'hydrogène. Entre 1959 et 1964, huit réacteurs au total ont été construits et testés. Kiwi était considéré comme ayant servi de preuve de concept pour les moteurs de fusée nucléaire.

Kiwi A

Raemer Schreiber avec une affiche de Project Rover en 1959

Le premier essai du Kiwi A, le premier modèle du moteur-fusée Kiwi, a été effectué à Jackass Flats le 1er juillet 1959. Le Kiwi A avait un noyau cylindrique de 132,7 centimètres (50 pouces) de haut et 83,8 centimètres (30 pouces) de diamètre. Un îlot central contenait de l'eau lourde qui servait à la fois de réfrigérant et de modérateur pour réduire la quantité d'oxyde d'uranium requise. Les barres de contrôle étaient situées à l'intérieur de l'île, qui était entourée de 960 plaques de combustible en graphite chargées de particules de combustible d'oxyde d'uranium de 4 micromètres (0,00016 in) et d'une couche de 240 plaques de graphite. Le noyau était entouré de 43,2 centimètres (20 pouces) de modérateur en laine de graphite et enfermé dans une coque en aluminium. De l'hydrogène gazeux a été utilisé comme propulseur, à un débit de 3,2 kilogrammes par seconde (7,1 lb / s). Destiné à produire 100 MW, le moteur a fonctionné à 70 MW pendant 5 minutes. La température à cœur était beaucoup plus élevée que prévu, jusqu'à 2 900 K (2 630 ° C), en raison de la fissuration des plaques de graphite, ce qui était suffisant pour faire fondre une partie du combustible.

Une série d'améliorations ont été apportées pour le prochain test le 8 juillet 1960 pour créer un moteur connu sous le nom de Kiwi A Prime. Les éléments combustibles ont été extrudés en cylindres et revêtus de carbure de niobium ( NbC ) pour résister à la corrosion. Six ont été empilés bout à bout puis placés dans les sept trous des modules en graphite pour créer des modules de carburant de 137 centimètres (54 pouces) de long. Cette fois, le réacteur a atteint 88 MW pendant 307 secondes, avec une température moyenne des gaz à la sortie du cœur de 2 178 K. Le test a été entaché de trois pannes de modules de cœur, mais la majorité n'a subi que peu ou pas de dommages. Le test a été observé par Anderson et les délégués à la Convention nationale démocrate de 1960 . Lors de la convention, Anderson a ajouté le soutien aux fusées nucléaires à la plate-forme du Parti démocrate .

Le troisième et dernier essai de la série Kiwi A a été effectué le 19 octobre 1960. Le moteur Kiwi A3 utilisait des éléments combustibles cylindriques de 27 pouces (69 cm) de long dans des chemises en carbure de niobium. Le plan de test prévoyait de faire tourner le moteur à 50 MW (demi-puissance) pendant 106 secondes, puis à 92 MW pendant 250 secondes. Le niveau de puissance de 50 MW a été atteint avec un débit de propulseur de 2,36 kilogrammes par seconde (5,2 lb / s), mais la température du gaz de sortie était de 1 861 K, soit plus de 300 K plus élevée que prévu. Après 159 secondes, la puissance a été augmentée à 90 MW. Pour stabiliser la température du gaz de sortie à 2173 K, le débit de carburant a été augmenté à 3,81 kilogrammes par seconde (8,4 lb / s). On a découvert plus tard que le système de mesure de la puissance neutronique était mal calibré et que le moteur fonctionnait en fait à une moyenne de 112,5 MW pendant 259 secondes, bien au-dessus de sa capacité nominale. Malgré cela, le noyau a subi moins de dégâts que lors du test Kiwi A Prime.

Kiwi A a été considéré comme un succès comme preuve de concept pour les moteurs de fusée nucléaire. Il a démontré que l'hydrogène pouvait être chauffé dans un réacteur nucléaire aux températures requises pour la propulsion spatiale et que le réacteur pouvait être contrôlé. Finger a lancé un appel d'offres auprès de l'industrie pour le développement du moteur nucléaire pour Rocket Vehicle Application ( NERVA ) de la NASA basé sur la conception du moteur Kiwi. Rover fait désormais partie de NERVA; tandis que Rover s'occupait de la recherche sur la conception des réacteurs de fusée nucléaire, la NERVA impliquait le développement et le déploiement de moteurs de fusée nucléaires et la planification de missions spatiales.

Kiwi B

Le directeur du laboratoire national de Los Alamos , Norris Bradbury (à gauche), devant le réacteur Kiwi B4-A

L'objectif initial de LASL était un moteur de fusée nucléaire de 10 000 MW capable de lancer 11 000 kilogrammes (25 000 lb) sur une orbite de 480 kilomètres (300 mi). Ce moteur portait le nom de code Condor, d'après les grands oiseaux volants , contrairement au petit Kiwi incapable de voler. Cependant, en octobre 1958, la NASA avait étudié la mise en place d'un étage supérieur nucléaire sur un missile Titan I et conclu que dans cette configuration, un étage supérieur de réacteur de 1000 MW pouvait mettre en orbite 6 400 kilogrammes (14 000 lb). Cette configuration a été utilisée dans les études de Nova et est devenue l'objectif du projet Rover. Le LASL prévoyait de réaliser deux essais avec Kiwi B, une conception intermédiaire de 1000 MW, en 1961 et 1962, suivis de deux essais de Kiwi C, un moteur prototype, en 1963, et de faire un essai en vol de réacteur (RIFT) d'une production moteur en 1964.

Pour Kiwi B, LASL a apporté plusieurs modifications de conception pour obtenir les performances supérieures requises. Le noyau central a été éliminé, le nombre de trous de liquide de refroidissement dans chaque élément combustible hexagonal a été augmenté de quatre à sept, et le réflecteur en graphite a été remplacé par un réflecteur en béryllium de 20 centimètres (8 pouces) d'épaisseur. Bien que le béryllium soit plus cher, plus difficile à fabriquer et hautement toxique, il était également beaucoup plus léger, ce qui se traduisait par une économie de 1 100 kilogrammes (2 500 lb). En raison du retard dans la préparation de Test Cell C, certaines fonctionnalités destinées à Kiwi C ont également été intégrées à Kiwi B2. Ceux-ci comprenaient une buse refroidie par de l'hydrogène liquide au lieu de l'eau, une nouvelle turbopompe Rocketdyne et un démarrage bootstrap, dans lequel le réacteur a été démarré uniquement par sa propre puissance.

Le test du Kiwi B1A, le dernier test d'utilisation de l'hydrogène gazeux au lieu du liquide, était initialement prévu pour le 7 novembre 1961. Le matin du test, une valve qui fuyait provoqua une violente explosion d'hydrogène qui fit sauter les parois du hangar et blessé plusieurs travailleurs; beaucoup ont eu des tympans rompus et un a fracturé un os du talon. Le réacteur n'a pas été endommagé, mais la voiture d'essai et l'instrumentation ont été gravement endommagés, ce qui a retardé le test d'un mois. Une deuxième tentative, le 6 décembre, a été interrompue lorsqu'il a été découvert que de nombreux thermocouples de diagnostic avaient été installés à l'envers. Enfin, le 7 décembre, le test a commencé. Il était prévu de faire tourner le moteur à 270 MW pendant 300 secondes, mais le test a été interrompu après seulement 36 secondes à 225 MW car des incendies d'hydrogène ont commencé à apparaître. Tous les thermocouples ont fonctionné correctement, de sorte que de nombreuses données utiles ont été obtenues. Le débit massique moyen d'hydrogène pendant la partie pleine puissance de l'expérience était de 9,1 kilogrammes par seconde (20 lb / s).

LASL avait ensuite l'intention de tester Kiwi B2, mais des défauts structurels ont été trouvés qui ont nécessité une refonte. L'attention s'est ensuite tournée vers le B4, une conception plus radicale, mais lorsqu'ils ont essayé de placer les grappes de combustible dans le cœur, les grappes se sont révélées contenir trop de neutrons, et on craignait que le réacteur ne démarre de manière inattendue. Le problème a été attribué à l'absorption d'eau de l'air normalement sec du Nouveau-Mexique pendant le stockage. Il a été corrigé en ajoutant plus de poison neutronique. Après cela, les éléments combustibles ont été stockés dans une atmosphère inerte. N Division a alors décidé de tester avec le moteur de secours B1, B1B, malgré de sérieux doutes à son sujet sur la base des résultats du test B1A, afin d'obtenir plus de données sur les performances et le comportement de l'hydrogène liquide. Au démarrage le 1er septembre 1962, le cœur trembla mais atteignit 880 MW. Des éclairs de lumière autour de la buse indiquaient que des pastilles de combustible étaient éjectées; il a été déterminé plus tard que onze avaient été. Plutôt que de s'arrêter, les testeurs ont fait tourner les tambours pour compenser et ont pu continuer à fonctionner à pleine puissance pendant quelques minutes avant qu'un capteur ne saute et ne déclenche un incendie, et le moteur ne s'arrête. La plupart des objectifs du test, mais pas tous, ont été atteints.

Le test suivant de la série était du Kiwi B4A le 30 novembre 1962. Un flash de flamme a été observé lorsque le réacteur atteignait 120 MW. La puissance a été augmentée à 210 MW, et maintenue là pendant 37 secondes. La puissance a ensuite été augmentée à 450 MW, mais les flashs sont alors devenus fréquents et le moteur a été arrêté au bout de 13 secondes. Après le test, il a été découvert que 97% des éléments combustibles étaient cassés. Les difficultés d'utilisation de l'hydrogène liquide ont été appréciées, et la cause des vibrations et des défaillances a été diagnostiquée comme une fuite d'hydrogène dans l'espace entre le cœur et la cuve sous pression. Contrairement à un moteur chimique qui aurait probablement explosé après avoir subi des dommages, le moteur est resté stable et contrôlable partout. Les tests ont démontré qu'un moteur de fusée nucléaire serait robuste et fiable dans l'espace.

Kiwi A Prime est testé

Kennedy a visité Los Alamos le 7 décembre 1962 pour un briefing sur le projet Rover. C'était la première fois qu'un président américain visitait un laboratoire d'armes nucléaires. Il a amené avec lui un grand entourage qui comprenait Lyndon Johnson , McGeorge Bundy , Jerome Wiesner , Harold Brown , Donald Hornig , Glenn Seaborg , Robert Seamans, Harold Finger et Clinton Anderson. Le lendemain, ils se sont envolés pour Jackass Flats, faisant de Kennedy le seul président à avoir jamais visité un site d'essais nucléaires. Le projet Rover avait reçu 187 millions de dollars en 1962, et l'AEC et la NASA demandaient 360 millions de dollars supplémentaires en 1963. Kennedy a attiré l'attention sur les difficultés budgétaires de son administration, et ses fonctionnaires et conseillers ont débattu de l'avenir du projet Rover et du programme spatial en général.

Finger a réuni une équipe de spécialistes des vibrations provenant d'autres centres de la NASA et, avec le personnel de LASL, Aerojet et Westinghouse, a effectué une série de tests de réacteurs à "flux froid" utilisant des éléments combustibles sans matière fissile. De l'azote, de l'hélium et de l'hydrogène gazeux ont été pompés à travers le moteur pour induire des vibrations. Il a été déterminé qu'ils étaient causés par l' instabilité de la façon dont le liquide s'écoulait à travers les espaces de jeu entre les éléments combustibles adjacents. Une série de modifications mineures de conception ont été apportées pour résoudre le problème des vibrations. Lors du test Kiwi B4D du 13 mai 1964, le réacteur a été démarré automatiquement et brièvement tourné à pleine puissance (990 MW) sans problème de vibration. Le test a dû être interrompu après 64 secondes lorsque les tubes de la buse se sont rompus et ont provoqué une fuite d'hydrogène autour de la buse qui a déclenché un incendie. Le refroidissement a été effectué avec de l'hydrogène et 3 266 kilogrammes (7 200 livres) d'azote gazeux. Lors de l'inspection après l'essai, aucun élément combustible endommagé n'a été trouvé.

Le test final a été le test Kiwi B4E du 28 août au cours duquel le réacteur a fonctionné pendant douze minutes, dont huit à pleine puissance (937 MW). C'était le premier essai à utiliser des pastilles de carbure d'uranium au lieu d'oxyde d'uranium, avec un revêtement de carbure de niobium de 0,0508 millimètre (0,002 in). On a constaté que ceux-ci s'oxydaient lors du chauffage, provoquant une perte de carbone sous forme de monoxyde de carbone gazeux. Pour minimiser cela, les particules ont été rendues plus grandes (50 à 150 micromètres (0,0020 à 0,0059 in) de diamètre), et ont reçu un revêtement protecteur de graphite pyrolytique . Le 10 septembre, le Kiwi B4E a été redémarré et a fonctionné à 882 MW pendant deux minutes et demie, démontrant la capacité d'un moteur de fusée nucléaire à être arrêté et redémarré.

En septembre 1964, des essais ont été réalisés avec un moteur Kiwi B4 et PARKA, un réacteur Kiwi utilisé pour les essais à Los Alamos. Les deux réacteurs ont fonctionné à 4,9 mètres (16 pieds), 2,7 mètres (9 pieds) et 1,8 mètres (6 pieds) l'un de l'autre, et des mesures ont été prises de la réactivité. Ces tests ont montré que les neutrons produits par un réacteur provoquaient effectivement des fissions dans un autre, mais que l'effet était négligeable: 3, 12 et 24 cents respectivement. Les tests ont démontré que les moteurs de fusée nucléaires adjacents n'interféreraient pas les uns avec les autres et pouvaient donc être regroupés, tout comme les moteurs chimiques l'étaient souvent.

Phoebus

Moteur de fusée nucléaire Phoebus sur le chemin de fer Jackass and Western

La prochaine étape du programme de recherche de LASL consistait à construire un réacteur plus grand. La taille du noyau détermine la quantité d'hydrogène nécessaire au refroidissement qui peut y être poussée; et combien de combustible d'uranium peut y être chargé. En 1960, LASL a commencé à planifier un réacteur de 4 000 MW avec un cœur de 89 centimètres (35 pouces) comme successeur de Kiwi. LASL a décidé de l'appeler Phoebe , d'après la déesse grecque de la Lune. Cependant, un autre projet d'armes nucléaires portait déjà ce nom, il a donc été remplacé par Phoebus, un nom alternatif pour Apollo. Phoebus s'est heurté à l'opposition de la SNPO, qui voulait un réacteur de 20 000 MW. Le LASL pense que les difficultés de construction et d'essai d'un si grand réacteur sont prises à la légère; juste pour construire la conception de 4 000 MW, il fallait une nouvelle buse et une turbopompe améliorée de Rocketdyne. Un conflit bureaucratique prolongé s'en est suivi.

En mars 1963, le SNPO et le Marshall Space Flight Center (MSFC) ont chargé les laboratoires de technologie spatiale (STL) de produire un rapport sur le type de moteur de fusée nucléaire qui serait nécessaire pour d'éventuelles missions entre 1975 et 1990. Ces missions comprenaient les premières missions interplanétaires planétaires habitées. expéditions aller-retour (EMPIRE), swingbys planétaires et flybys, et une navette lunaire. La conclusion de ce rapport en neuf volumes, remis en mars 1965, et d'une étude de suivi, était que ces missions pouvaient être réalisées avec un moteur de 4100 MW avec une impulsion spécifique de 825 secondes (8,09 km / s) . C'était considérablement plus petit que ce qui avait été jugé nécessaire à l'origine. De cela a émergé une spécification pour un moteur de fusée nucléaire de 5000 MW, qui est devenu connu sous le nom de NERVA II.

LASL et SNPO sont parvenus à un accord pour que LASL construise deux versions de Phoebus: le petit Phoebus I, avec un noyau de 89 centimètres (35 pouces) pour tester les carburants, les matériaux et les concepts avancés, et le plus grand de 140 centimètres (55 pouces). Phoebus II qui servirait de prototype pour NERVA II. Les deux seraient basés sur Kiwi. L'accent a été mis sur l'obtention de plus de puissance que ce qui était possible avec les unités Kiwi et le maintien de la puissance maximale pendant une durée plus longue. Les travaux sur Phoebus I ont commencé en 1963, avec un total de trois moteurs en cours de construction, appelés 1A, 1B et 1C.

Phoebus au National Atomic Testing Museum de Las Vegas

Phoebus 1A a été testé le 25 juin 1965 et a fonctionné à pleine puissance (1090 MW) pendant dix minutes et demie. Malheureusement, l'environnement de rayonnement intense a amené l'une des jauges de capacité à produire des lectures erronées. Lorsqu'ils ont été confrontés à une jauge qui disait que le réservoir de propulseur d'hydrogène était presque vide, et à une autre qui disait qu'il était au quart plein, et ne savaient pas ce qui était correct, les techniciens de la salle de contrôle ont choisi de croire celui qui disait qu'il était plein au quart. Ce n'était pas le bon choix; le réservoir était en effet presque vide et le propulseur se tarit. Sans hydrogène liquide pour le refroidir, le moteur, fonctionnant à 2 270 K (2 000 ° C), a rapidement surchauffé et a explosé. Environ un cinquième du carburant a été éjecté; la plupart des autres ont fondu.

La zone d'essai a été laissée pendant six semaines pour donner aux produits de fission hautement radioactifs le temps de se désintégrer. Une niveleuse avec une raclette en caoutchouc sur sa charrue a été utilisée pour empiler la saleté contaminée afin qu'elle puisse être ramassée. Lorsque cela ne fonctionnait pas, un aspirateur de 150 kW (200 ch) était utilisé pour ramasser la saleté. Les fragments sur le banc d'essai ont été initialement collectés par un robot, mais c'était trop lent, et des hommes en tenue de protection ont été utilisés, ramassant des pièces avec des pinces et les laissant tomber dans des pots de peinture entourés de plomb et montés sur des chariots à petites roues. Cela a réglé la principale contamination; le reste a été ébréché, balayé, frotté, lavé ou peint. L'ensemble de l'effort de décontamination a duré quatre cents personnes sur deux mois et a coûté 50 000 $. La dose moyenne de rayonnement reçue par les agents de nettoyage était de 0,66 rems (0,0066  Sv ), tandis que le maximum était de 3 rems (0,030 Sv); LASL a limité ses employés à 5 rems (0,050 Sv) par an.

Le test suivant était de Phoebus 1B. Il a été mis sous tension le 10 février 1967 et a fonctionné à 588 MW pendant deux minutes et demie. Pour éviter une répétition de l'accident qui s'était produit à Phoebus 1A, un dewar de stockage cryogénique de 30 000 litres (8 000 gal US) à haute pression de 5 200 kilopascal (750  psi ) a été installé pour fournir une alimentation en hydrogène liquide d'urgence dans le cas où il était une défaillance du système d'alimentation en propergol primaire. Un deuxième essai a été effectué le 23 février 1967, pendant 46 minutes, dont 30 minutes au-dessus de 1 250 MW, et une puissance maximale de 1 450 MW et une température du gaz de 2 444 K (2 171 ° C) ont été atteintes. Le test a été un succès, mais une certaine corrosion a été trouvée.

Ceci a été suivi d'un test du plus gros Phoebus 2A. Une phase préliminaire de faible puissance (2 000 MW) a été réalisée le 8 juin 1968, puis une phase de pleine puissance le 26 juin. Le moteur a fonctionné pendant 32 minutes, dont 12,5 minutes étaient supérieures à 4 000 MW, et une puissance de pointe de 4 082 MW a été atteinte. A ce stade, la température de la chambre était de 2 256 K (1 983 ° C) et le débit total était de 118,8 kilogrammes par seconde (262 lb / s). Le niveau de puissance maximal n'a pas pu être atteint car à ce stade, les températures des segments de bande de serrage reliant le noyau au récipient sous pression ont atteint leur limite de 417 K (144 ° C). Un troisième essai a été réalisé le 18 juillet, atteignant une puissance de 1 280 MW, un quatrième plus tard dans la journée, avec une puissance d'environ 3 500 MW. Une anomalie déroutante était que la réactivité était plus faible que prévu. L'hydrogène liquide peut avoir refroidi excessivement le réflecteur en béryllium, lui faisant perdre en quelque sorte certaines de ses propriétés de modération. Alternativement, il existe deux isomères de spin de l'hydrogène : le parahydrogène est un modérateur de neutrons mais l'orthohydrogène est un poison, et peut-être que le flux de neutrons élevé a changé une partie du parahydrogène en orthohydrogène.

Pewee

Pewee était la troisième phase du projet Rover. LASL est revenu aux noms d'oiseaux, en le nommant d'après le pewee nord-américain . Il était petit, facile à tester et de taille convenable pour les missions scientifiques interplanétaires sans équipage ou les petits «remorqueurs» nucléaires. Son objectif principal était de tester des éléments de carburant avancés sans les frais d'un moteur pleine grandeur. Pewee n'a mis que dix-neuf mois à se développer entre le moment où la SNPO l'a autorisé en juin 1967 et son premier test à grande échelle en décembre 1968.

Pewee avait un noyau de 53 centimètres (21 po) contenant 36 kilogrammes (80 lb) 402 éléments combustibles et 132 éléments de support. Sur les 402 éléments combustibles, 267 ont été fabriqués par LASL, 124 par le laboratoire astronucléaire de Westinghouse et 11 au complexe de sécurité nationale Y-12 de l'AEC . La plupart étaient revêtus de carbure de niobium ( NbC ), mais certains étaient recouverts de carbure de zirconium ( ZrC ) à la place; la plupart avaient également un revêtement protecteur en molybdène. On craignait qu'un réacteur aussi petit n'atteigne la criticité , donc de l'hydrure de zirconium (un bon modérateur) a été ajouté, et l'épaisseur du réflecteur en béryllium a été augmentée à 20 centimètres (8 pouces). Il y avait neuf tambours de contrôle. L'ensemble du réacteur, y compris la cuve sous pression en aluminium, pesait 2 570 kilogrammes (5 670 lb).

Pewee 1 a été mis en marche trois fois: pour le contrôle le 15 novembre 1968, pour un test de courte durée le 21 novembre et pour un test d'endurance à pleine puissance le 4 décembre. L'essai à pleine puissance comportait deux cales pendant lesquelles le réacteur fonctionnait à 503 MW (1,2 MW par élément combustible). La température moyenne des gaz de sortie était de 2 550 K (2 280 ° C), la plus élevée jamais enregistrée par Project Rover. La température de la chambre était de 2 750 K (2 480 ° C), un autre record. L'essai a montré que le carbure de zircon était plus efficace pour prévenir la corrosion que le carbure de niobium. Aucun effort particulier n'avait été fait pour maximiser l'impulsion spécifique, cela n'étant pas le but du réacteur, mais Pewee a réalisé une impulsion spécifique au vide de 901 secondes (8,84 km / s), bien au-dessus de l'objectif pour NERVA. Il en était de même pour la densité de puissance moyenne de 2 340 MW / m 3 ; la densité de pointe atteint 5 200 MW / m 3 . C'était 20% plus élevé que Phoebus 2A, et la conclusion était qu'il serait peut-être possible de construire un moteur plus léger mais encore plus puissant.

LASL a mis un an à modifier la conception Pewee afin de résoudre le problème de surchauffe. En 1970, Pewee 2 a été préparé dans la cellule de test C pour une série de tests. LASL prévoyait de faire douze courses à pleine puissance à 2427 K (2154 ° C), chacune d'une durée de dix minutes, avec un temps de recharge à 540 K (267 ° C) entre chaque test. SNPO a ordonné à LASL de renvoyer Pewee à E-MAD. Le problème était la loi sur la politique nationale de l'environnement (NEPA), que le président Richard Nixon avait promulguée le 1er janvier 1970. Le SNPO estimait que les émissions radioactives étaient bien conformes aux directives et qu'elles n'auraient aucun effet environnemental négatif, mais un groupe environnemental a affirmé le contraire. . Le SNPO a préparé une étude d'impact environnemental complète pour les prochains tests du four nucléaire. En attendant, LASL a prévu un test Pewee 3. Cela serait testé horizontalement, avec un épurateur pour éliminer les produits de fission du panache d'échappement. Il a également prévu un Pewee 4 pour tester les carburants et un Pewee 5 pour tester les post-brûleurs. Aucun de ces tests n'a jamais été effectué.

Four nucléaire

Deux des formes de carburant testées par Project Rover: des particules de carbure d'uranium recouvertes de carbone pyrolytique dispersées dans un substrat en graphite et un «composite» qui consistait en une dispersion de carbure d'uranium-carbure de zirconium dans le substrat en graphite.

Le four nucléaire était un petit réacteur seulement un dixième de la taille de Pewee qui était destiné à fournir un moyen peu coûteux de mener des essais. À l'origine, il devait être utilisé à Los Alamos, mais le coût de création d'un site de test approprié était supérieur à celui de l'utilisation de la cellule de test C. Il avait un petit noyau de 146 centimètres (57 pouces) de long et 34 centimètres (13 pouces) de diamètre. qui contenait 49 éléments combustibles hexagonaux. Parmi celles-ci, 47 étaient des piles à combustible «composites» au carbure d'uranium-carbure de zirconium et deux contenaient un groupe de sept éléments de piles à combustible à un seul trou en carbure d'uranium-zirconium pur. Aucun des deux types n'avait été testé auparavant dans un réacteur de propulsion de fusée nucléaire. Au total, il s'agissait d'environ 5 kg d'uranium 235 hautement enrichi (93%). Pour atteindre la criticité avec si peu de carburant, le réflecteur en béryllium avait une épaisseur de plus de 36 centimètres (14 pouces). Chaque pile à combustible avait sa propre chemise d'eau de refroidissement et de modération. De l'hydrogène gazeux a été utilisé à la place du liquide pour économiser de l'argent. Un épurateur a été développé.

Les objectifs des essais du four nucléaire étaient de vérifier la conception et de tester les nouveaux combustibles composites. Entre le 29 juin et le 27 juillet 1972, le NF-1 a fonctionné quatre fois à pleine puissance (44 MW) et à une température de gaz de sortie du combustible de 2 444 K (2 171 ° C) pendant un total de 108,8 minutes. Le NF-1 a fonctionné pendant 121,1 minutes avec une température de gaz de sortie de carburant supérieure à 2 222 K (1 949 ° C). Il a également atteint une densité de puissance moyenne de 4 500 à 5 000 MW / m 3 avec des températures allant jusqu'à 2 500 K (2 230 ° C). L'épurateur a bien fonctionné, même si du krypton-85 a fui. L' Environmental Protection Agency a pu détecter des quantités infimes, mais aucune en dehors de la plage de test.

Les essais ont indiqué que les piles à combustible composites permettraient de fonctionner pendant deux à six heures entre 2500 et 2800 K (2230 à 2530 ° C), alors que les carbures donneraient des performances similaires à 3000 à 3200 K (2730 à 2930 ° C) en supposant que les problèmes de fissuration pourraient être surmontés avec une conception améliorée. Pour dix heures de fonctionnement, la matrice graphite serait limitée à 2200 à 2300 K (1930 à 2,030 ° C), le composite pourrait aller jusqu'à 2480 K (2210 ° C) et le carbure pur à 3000 K (2730 ° C) ). Ainsi, le programme de test s'est terminé avec trois formes viables de pile à combustible.

Tests de sécurité

En mai 1961, Kennedy a donné son approbation pour les essais en vol des réacteurs (RIFT). En réponse, LASL a créé un bureau de la sécurité des vols Rover et SNPO a créé un panel de sécurité des vols Rover, qui a pris en charge RIFT. La planification RIFT de la NASA prévoyait la chute de quatre réacteurs dans l'océan Atlantique. Le LASL devait déterminer ce qui se passerait lorsqu'un réacteur heurterait l'eau à plusieurs milliers de kilomètres à l'heure. En particulier, il avait besoin de savoir s'il deviendrait critique ou s'il exploserait lorsqu'il était inondé d'eau de mer, un modérateur de neutrons. On s'inquiétait également de ce qui se passerait quand il coulerait 3,2 kilomètres (2 mi) au fond de l'Atlantique, où il serait sous une pression écrasante. L'impact possible sur la vie marine, et en fait la nature de la vie marine là-bas, tout devait être pris en compte.

Un réacteur nucléaire Kiwi modifié a été délibérément détruit lors du test Kiwi TNT.

LASL a commencé par immerger des éléments combustibles dans l'eau. Il a ensuite effectué un test d'entrée d'eau simulée (SWET) au cours duquel un piston de 30 centimètres (12 pouces) a été utilisé pour forcer l'eau dans un réacteur aussi rapidement que possible. Pour simuler un impact, un réacteur simulé a été largué sur du béton d'une hauteur de 23 mètres (75 pieds). Il a rebondi 4,6 mètres (15 pieds) dans les airs; le réservoir sous pression était bosselé et de nombreux éléments combustibles étaient fissurés, mais les calculs ont montré qu'il n'allait pas devenir critique ni exploser. Cependant, RIFT impliquait NERVA assis au sommet d'une fusée Saturn V de 91 mètres (300 pieds) de haut. Pour savoir ce qui se passerait si le propulseur explosait sur la rampe de lancement, un faux réacteur a été percuté dans un mur de béton à l'aide d'un traîneau à fusée . Le noyau a été comprimé de 5%, et les calculs ont montré que le noyau deviendrait effectivement critique et exploserait, avec une force équivalente à environ 2 kilogrammes (4,4 lb) d'explosif puissant, ce qui serait probablement négligeable par rapport aux dommages causés par une explosion. booster. Fait inquiétant, ce chiffre était bien inférieur aux 11 kilogrammes (25 lb) prévus théoriquement, ce qui indique que la modélisation mathématique était déficiente.

Lorsqu'il a été déterminé que NERVA n'était pas nécessaire pour Apollo, et ne serait donc pas nécessaire avant les années 1970, RIFT a été reporté, puis annulé entièrement en décembre 1963. Bien que son rétablissement ait été fréquemment discuté, il ne s'est jamais produit. Cela a éliminé le besoin de plus de SWET, mais des préoccupations subsistaient quant à la sécurité des moteurs de fusée nucléaires. Bien qu'un impact ou une explosion ne puisse pas provoquer une explosion nucléaire, LASL s'inquiétait de ce qui se passerait si le réacteur surchauffait. Un test a été conçu pour créer la catastrophe la plus dévastatrice possible. Un test spécial a été conçu sous le nom de Kiwi-TNT. Normalement, les tambours de commande tournaient à une vitesse maximale de 45 ° par seconde jusqu'à la position complètement ouverte à 180 °. C'était trop lent pour l'explosion dévastatrice recherchée, donc pour Kiwi-TNT, ils ont été modifiés pour tourner à 4000 ° par seconde. Le test a été effectué le 12 janvier 1965. Kiwi-TNT a été monté sur un wagon à plateau, surnommé le Toonerville Trolley, et stationné à 190 mètres (630 pieds) de la cellule d'essai C. Les tambours ont été tournés au maximum à 4000 ° par seconde et la chaleur a vaporisé une partie du graphite, entraînant une explosion colorée qui a envoyé des éléments combustibles voler dans l'air, suivie d'un nuage hautement radioactif avec une radioactivité estimée à 1,6 mégacuries (59  PBq ).

La plupart de la radioactivité dans le nuage était sous forme de césium-138 , strontium-92 , iode-134 , zirconium-97 et krypton-88 , qui ont des demi-vies courtes mesurées en minutes ou en heures. Le nuage s'est élevé de 790 mètres (2600 pieds) dans les airs et a dérivé vers le sud-ouest, passant finalement au-dessus de Los Angeles et au large. Il a été suivi par deux aéronefs du service de santé publique (PHS) qui ont prélevé des échantillons. Le PHS avait délivré des dosimètres à badges filmés aux personnes vivant en bordure de la zone d'essai et prélevé des échantillons de lait dans des fermes laitières sur le chemin du nuage. Ils ont révélé que l'exposition des personnes vivant en dehors du site d'essai du Nevada était négligeable. Les retombées radioactives au sol se sont également dissipées rapidement. Les équipes de recherche ont parcouru la zone pour collecter des débris. Le plus gros était un morceau de l'appareil sous pression pesant 67 kilogrammes (148 lb) qui a été retrouvé à 230 mètres (750 pieds); un autre, pesant 44 kilogrammes (98 lb), a été trouvé à 520 mètres (1700 pieds).

Facilité E-MAD

L'explosion était relativement faible, estimée à l'équivalent de 90 à 140 kilogrammes (200 à 300 lb) de poudre noire . C'était beaucoup moins violent qu'une explosion de TNT , et donc les gros morceaux qui ont été trouvés. Le test a montré que le réacteur ne pouvait pas être détruit dans l'espace en le faisant exploser en petits morceaux, il fallait donc trouver une autre méthode pour s'en débarrasser à la fin d'une mission spatiale. Le LASL a décidé de profiter de la possibilité de redémarrage du moteur pour se débarrasser d'une fusée nucléaire en la tirant sur une orbite haute, de sorte qu'il a soit quitté entièrement le système solaire, soit revenu des siècles plus tard, date à laquelle la majeure partie de la radioactivité se serait désintégrée. L'Union soviétique a protesté contre le test, affirmant qu'il s'agissait d'un essai nucléaire en violation du Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires , mais les États-Unis ont répondu qu'il s'agissait d'un essai sous-critique n'impliquant aucune explosion. Cependant, le département d'État était très mécontent de la désignation Kiwi-TNT de la LASL, car cela impliquait une explosion, et il était plus difficile d'accuser les Soviétiques de violer le traité.

Il y a eu trois accidents mortels pendant le projet Rover. Un travailleur a été tué dans un accident de la route. Un autre est mort de brûlures après avoir versé de l'essence sur des bandes d'ordinateur classifiées et les avoir incendiées pour s'en débarrasser. Un troisième est entré dans un réservoir d'azote et a été asphyxié.

Annulation

Rover a toujours été un projet controversé et le défendre contre les critiques a nécessité une série de batailles bureaucratiques et politiques. En 1961, le Bureau du budget (BOB) et le Comité consultatif scientifique du président (PSAC) ont lancé un défi à Rover en raison de son coût, mais cette poussée a été vaincue par la JCAE, où Rover a bénéficié du soutien indéfectible d'Anderson et d' Howard. Cannon au Sénat et Overton Brooks et James G. Fulton à la Chambre . L'AFPC et BOB ont essayé de nouveau en 1964; Les demandes de budget de la NASA ont été réduites, mais Rover est sorti intact.

À la fin des années 1960, le coût croissant de la guerre du Vietnam a exercé une pression accrue sur les budgets. Les membres nouvellement élus de la Chambre ont regardé Rover et NERVA d'un œil critique, y voyant une porte d'entrée vers un programme d'exploration de l'espace lointain post-Apollo coûteux et à durée indéterminée. Mais Rover a retenu le soutien influent d'Anderson, Cannon et Margaret Chase Smith du Maine au Sénat, et de Fulton et George P. Miller (qui a remplacé Brooks en tant que président du United States House Committee on Science, Space, and Technology à la mort de ce dernier à Septembre 1961) à la Chambre.

Le Congrès a reporté NERVA II dans le budget de 1967, mais Johnson avait besoin du soutien d'Anderson pour sa législation sur l' assurance-maladie , et le 7 février 1967 a accepté de fournir de l'argent pour NERVA II à partir de son propre fonds de prévoyance. Klein, qui avait succédé à Finger à la tête du SNPO en 1967, a dû faire face à deux heures d'interrogation sur NERVA II devant le comité de la Chambre sur la science et l'astronautique , qui avait réduit le budget de la NASA. Le non-financement de NERVA II a permis d'économiser 400 millions de dollars, principalement dans les nouvelles installations qui seraient nécessaires pour le tester. L'AEC et la NASA ont acquiescé, car il avait été démontré que NERVA I pouvait effectuer les missions attendues de NERVA II.

Le sénateur américain Clinton P. Anderson avec une fusée Kiwi

NERVA avait de nombreuses missions potentielles. La NASA a envisagé d'utiliser Saturn V et NERVA lors d'un « Grand Tour » du système solaire. Un rare alignement des planètes qui se produit tous les 174 ans s'est produit entre 1976 et 1980, permettant à un vaisseau spatial de visiter Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Avec NERVA, ce vaisseau spatial pourrait peser jusqu'à 24 000 kilogrammes (52 000 lb). Cela supposait que NERVA avait une impulsion spécifique de seulement 825 secondes (8,09 km / s); 900 secondes (8,8 km / s) étaient plus probables, et avec cela, il pourrait placer une station spatiale de 77000 kilogrammes (170000 lb) de la taille de Skylab en orbite autour de la Lune. Des voyages répétés sur la Lune pourraient être effectués avec NERVA alimentant une navette nucléaire. Il y avait aussi la mission sur Mars, que Klein évitait diplomatiquement de mentionner, sachant que même à la suite de l' atterrissage d' Apollo 11 sur la Lune, l'idée était impopulaire auprès du Congrès et du grand public.

La pression de réduction des coûts a augmenté après que Nixon a remplacé Johnson à la présidence en 1969. Le financement du programme de la NASA a été réduit dans le budget de 1969, fermant la ligne de production Saturn V, mais NERVA est resté. Klein a approuvé un plan par lequel la navette spatiale a soulevé un moteur NERVA en orbite, puis est retourné pour le carburant et la charge utile. Cela pourrait être répété, car le moteur NERVA pouvait être redémarré. NERVA a conservé le soutien indéfectible d'Anderson, Cannon et Smith, mais Anderson était vieillissant et fatigant, et a maintenant délégué plusieurs de ses tâches à Cannon. La NERVA a reçu 88 millions de dollars au cours de l' exercice 1970 et 85 millions de dollars au cours de l'exercice 1971, les fonds provenant conjointement de la NASA et de l'AEC.

Lorsque Nixon a tenté d'annuler NERVA en 1971, les votes d'Anderson et de Smith ont tué le projet favori de Nixon, le transport supersonique Boeing 2707 . Ce fut une défaite stupéfiante pour le président. Dans le budget de l'exercice 1972, le financement de la navette a été réduit, mais NERVA a survécu. Bien que sa demande de budget ne soit que de 17,4 millions de dollars, le Congrès a alloué 69 millions de dollars; Nixon n'en a dépensé que 29 millions de dollars.

En 1972, le Congrès a de nouveau soutenu NERVA. Une coalition bipartite dirigée par Smith et Cannon lui a attribué 100 millions de dollars; un moteur NERVA qui s'intégrerait dans la soute de la navette a coûté environ 250 millions de dollars sur une décennie. Ils ont ajouté une stipulation qu'il n'y aurait plus de fonds de reprogrammation NERVA pour payer d'autres activités de la NASA. L'administration Nixon a décidé d'annuler de toute façon NERVA. Le 5 janvier 1973, la NASA a annoncé que NERVA (et donc Rover) avait été résilié.

Le personnel du LASL et du Bureau des systèmes nucléaires spatiaux (SNSO), rebaptisé SNPO en 1970, a été stupéfait; le projet de construction d'un petit NERVA pouvant être transporté à bord de la navette spatiale se déroulait bien. Les licenciements ont commencé immédiatement et le SNSO a été aboli en juin. Après 17 ans de recherche et développement, Projects Rover et NERVA avaient dépensé environ 1,4 milliard de dollars, mais aucune fusée à propulsion nucléaire n'a jamais volé.

Héritage

Propulsion de fusée nucléaire

En 1983, l' Initiative de défense stratégique («Star Wars») a identifié des missions qui pourraient bénéficier de roquettes plus puissantes que les roquettes chimiques, et certaines qui ne pouvaient être entreprises que par de telles roquettes. Un projet de propulsion nucléaire, SP-100, a été créé en février 1983 dans le but de développer un système de fusée nucléaire de 100 kW. Le concept incorporait un réacteur à lit de galets , un concept développé par James R. Powell au Brookhaven National Laboratory , qui promettait des températures plus élevées et des performances améliorées par rapport à NERVA. De 1987 à 1991, il a été financé en tant que projet secret portant le nom de code Project Timber Wind .

La fusée proposée a ensuite été étendue à une conception plus large après le transfert du projet au programme de propulsion thermique nucléaire spatiale (SNTP) au laboratoire Phillips de l'armée de l'air en octobre 1991. La NASA a mené des études dans le cadre de son initiative d'exploration spatiale (SEI), mais a estimé que le SNTP offrait une amélioration insuffisante par rapport aux fusées nucléaires développées par Project Rover, et n'était requis par aucune mission SEI. Le programme SNTP a pris fin en janvier 1994, après avoir dépensé environ 200 millions de dollars.

Un moteur de voyage interplanétaire de l'orbite terrestre à l'orbite de Mars, et inversement, a été étudié en 2013 au MSFC avec un accent sur les moteurs de fusées thermiques nucléaires. Comme ils sont au moins deux fois plus efficaces que les moteurs chimiques les plus avancés, ils permettent des temps de transfert plus rapides et une capacité de chargement accrue. La durée de vol plus courte, estimée à 3 à 4 mois avec des moteurs nucléaires, comparée à 8 à 9 mois avec des moteurs chimiques, réduirait l'exposition de l'équipage à des rayons cosmiques potentiellement nocifs et difficiles à protéger . Des moteurs nucléaires comme le Pewee de Project Rover, ont été sélectionnés dans la Mars Design Reference Architecture (DRA), et le 22 mai 2019, le Congrès a approuvé un financement de 125 millions de dollars pour le développement de fusées nucléaires.

Réhabilitation du site

Démolition R-MAD en décembre 2009

Avec la fermeture du SNPO, le bureau des opérations du Nevada du département de l'énergie a assumé la responsabilité de Jackass Flats. Une enquête radiologique a été menée en 1973 et 1974, suivie d'un nettoyage de la contamination radioactive sévère au RMSF, R-MAD, ETS-1, et les cellules d'essai A et C. Le E-MAD était toujours en service, et n'était pas partie de l'effort. Entre 1978 et 1984, 1,624 million de dollars ont été consacrés aux activités de nettoyage. Les éléments hautement contaminés enlevés comprenaient une buse Phoebus et deux écrans de réacteur de 24,9 tonnes (27,5 tonnes courtes ) et deux de 14 tonnes (15 tonnes courtes) du R-MAD. Ceux-ci ont été transportés vers des sites de gestion des déchets radioactifs des zones 3 et 5. Quelque 5 563 mètres cubes (7 276 verges cubes) de sol contaminé et 4 250 mètres cubes (5 560 verges cubes) de métal et de béton contaminés ont également été retirés pour être éliminés. 631 mètres cubes supplémentaires (825 verges cubes) de métal propre et d'équipement ont été retirés à titre de récupération.

La cellule d'essai A a été démolie entre décembre 2004 et juillet 2005. Cela impliquait l'élimination de matières toxiques et dangereuses qui comprenaient de l' amiante et des feuilles entourant les conduits électriques qui contenaient des niveaux de cadmium supérieurs aux limites de mise en décharge. La peinture contenait du biphényle polychloré (PCB), mais pas au-dessus des limites de mise en décharge. Environ 27 tonnes (30 tonnes courtes) de briques de plomb ont été trouvées à divers endroits et enlevées. Il y avait aussi quelques traces d'uranium et de plutonium. Le principal défi était la démolition du mur de blindage en béton contenant des traces d' europium -151, d'europium-153 et de cobalt -59, que l'absorption neutronique transforme en europium-152, europium-154 et cobalt-60 radioactifs. Il a fallu veiller à éviter de créer des poussières radioactives dangereuses lors de la démolition du mur, qui a été réalisée avec des explosifs. La démolition de l'installation R-MAD a commencé en octobre 2009 et s'est achevée en août 2010.

Résumé du test du réacteur

Réacteur Date du test Départs
Pleine puissance moyenne
(MW)
Temps à
pleine puissance
(s)

Température du propulseur
(chambre) (K)

Température du propulseur
(sortie) (K)

Pression de la chambre
(kPa)
Débit
(kg / s)
Impulsion (s)
spécifique (s) au vide

Kiwi A Juillet 1959 1 70 300 1778 3.2 724
Kiwi A Prime Juillet 1960 1 88 307 2206 1125 3.0 807
Kiwi A3 Octobre 1960 1 112,5 259 2172 1415 3,8 800
Kiwi B1A Décembre 1961 1 225 36 1972 974 9,1 763
Kiwi B1B Septembre 1962 1 880 2278 2413 34,5 820
Kiwi B4A Novembre 1962 1 450 1556 1814 19,0 677
Kiwi B4D Mai 1964 1 915 64 2006 2378 3606 31,1 837
Kiwi B4E Août 1964 2 937 480 1972 2356 3427 31,0 834
Phoebus   1A Juin 1965 1 1090 630 2278 2444 3772 31,4 849
Phoebus   1B Février 1967 2 1290 1800 2094 2306 5075 38,1 825
Phoebus   2A Juin 1968 4 4082 744 2256 2283 3827 119,0 821
Pewee Novembre 1968 3 503 2400 1803 2539 4344 18,8 865
NF-1 Juin 1972 5 44 6528 2444 1,7 849

La source:

Notes de bas de page

Remarques

Les références