domingo, 3 de mayo de 2009

Reactores Nucleares en Orbita (I): los proyectos SNAP y RORSAT.





Hoy vamos a hablar de proyectos espaciales que involucraron el lanzamiento y puesta en marcha de reactores nucleares en órbita terrestre. El uso de dispositivos de tipo nuclear es bien conocido en la exploración espacial: los sistemas de tipo termoeléctrico se usan extensivamente para la generación de energía eléctrica, especialmente en el caso de sondas espaciales enviadas al espacio profundo (Pioneer, Voyager) o a explorar zonas más allá de Marte y el cinturón de asteroides (Cassini). La radiación solar no permitiría el uso de paneles solares para la generación de electricidad, y necesariamente el uso de estos generadores se impone.

La otra aplicación nuclear relacionada con el espacio se centra en el diseño de motores nucleares . Los proyectos involucrados no fueron puestos en órbita terrestre, se trataron de pruebas estáticas, como en el caso de la serie de motores tipo NERVA de los EUA, o de proyectos para explorar Marte, de larga data algunos y muy actuales otros o bien propuestas nunca ensayadas, como el PROFAC.

Sobre lo que conocemos muy poco es sobre la serie de pruebas que tanto los EUA y la URSS realizaron colocando en órbita satélites equipados con generadores nucleares. Los primeros ensayos datan de épocas muy tempranas de la exploración espacial, con el lanzamiento del únicos sistema de este tipo puesto en órbita por los EUA, el SNAP 10A.

Los soviéticos utilizaron dos series de reactores nucleares, los tipo BUK y los de la serie TOPAZ. En el caso de los sistemas de tipo BUK estos proveían de energía electrica a sistemas de radar destinados a la vigilancia oceánica, conocidos en occidente como RORSAT y curiosamente designados por los soviéticos como US-A (Upravlenniye Sputnik Aktivny). En el caso de los sistemas TOPAZ, se trataba de sistemas experimentales y también tenían cargas de pago científicas. Tan sólo dos de esos sistemas fueron desplegados.

Entre 1970 y 1988 la Unión Soviética colocó en órbita 31 satélites de tipo RORSAT, a una altura de 280 km y una inclinación de 68°. Esto da una idea de lo rutinario que se convirtió el uso de este tipo de satélites para usos militares. En el caso de los sistemas RORSAT estos se lanzaron bajo la designación genérica de Cosmos, ya que se trataba de satélites militares de vigilancia oceánica por radar.

En la entrada de hoy me referiré genéricamente al sistema norteamericano SNAP-10A y a los sistemas soviéticos BUK (RORSAT).

A pesar de las diferencias entre estos sistemas, una serie de características los pueden definir claramente ya que obedecen a requerimientos específicos y engloban a los tres sistemas a considerar:

- el uso de refrigerantes de metal líquido (NaK 78). Esto es realmente llamativo, ya que este tipo de refrigerantes para reactores nucleares se utiliza en los reactores rápidos, que utilizan como material fisible plutonio. Sin embargo para los tres sistemas considerados el combustible era U235.
- baja potencia operativa: 0,5 kW para el SNAP 10A, 3 kW para el BUK, y 5,5 kW para el TOPAZ.
- períodos cortos de funcionamiento, en todo caso el diseño estaba pensado para un máximo de un año de uso. Esto se debía a las limitaciones propias de un sistema orbital: su tiempo de vida segura en órbita, y la limitante de la protección radiactiva, que garantizaba períodos cortos de funcionamiento de los equipos de la carga de pago.
- "un sólo disparo": es decir una vez activados el siguiente estado es el de apagado, no estaba contemplado el reinicio del reactor.
- uso de combustible nuclear de alta pureza, en todos los casos U238, al 90-96% en peso, de esta manera se producián residuos de fisión con períodos de semidesintegración medios.
- la puesta en órbita a gran altura.
- la generación de energía eléctrica mediante elementos térmicos, generalmente compuestos de silicio germanio.


Tabla comparativa de diversos proyectos soviéticos y norteamericanos, los sistemas que fueron orbitados son el SNAP-10A, el RORSAT (BUK) y TOPAZ.



EL SNAP 10A.

Esta prueba norteamericana fue lanzada el 3 de abril de 1965 por un Atlas-Agena , pesaba 430 kg y fue situado en una órbita de 1300 km. El SNAP estaba equipado con un reactor nuclear refirgerado con NaK, podía desarrollar una potencia máxima de 650 W para la generación de energía eléctrica, la potencia térmica nominal era de 34 kW.
El refrigerante, metal líquido, circulaba mediante bombas electromagnéticas-termoeléctricas (TEM en inglés). Este sistema tenía sus propios generadores eléctricos. El uso de este tipo de refrigeración era común al sistema norteamericano y a los sistemas soviéticos y permitía prescindir de un sistema mecánico de bombeo aprovechando las propiedades magnéticas del refrigerante.
La refrigeración por metal líquido se utiliza en el caso de los reactores nucleares rápidos debido a su excelente conducción del calor. Este metal de sodio se funde a los 96° C, hierve a los 900° C, y por cierto es extremadamente peligroso y reactivo. Sin embargo no ataca los tuberías de acero que equipan los reactores que lo utilizan. A una temperatura óptima de 500° C puede circular con la presión mínima necesaria, lo que en el caso de los reactores nucleares enviados al espacio es muy importante ya que simplifica y reduce el peso de estos satélites.
El combustible utilizado era uranio altamente enriquecido (entorno al 96% de U235), bajo la forma de hidruro de zirconio-uranio (U-ZrH). Este compuesto contenía además del combustible el moderador necesario para mantener la reacción.
En total había 37 varillas de combustible de 3 cm de diámetro y 33 cm de largo, el SNAP-10A portaba un total de 4,3 Kg de Uranio altamente enriquecido.
La generación eléctrica se realizaba mediante elementos termoiónicos de SiGe con una eficiencia térmica de 1,47%. Sistemas de cuatro varillas cilíndricas de berilio se encargaban de refractar los neutrones que salían del reactor.

Un escudo de hidruro de litio (LiH) de 100 kg protegía la carga de pago de las radiaciones generadas en el reactor durante el período operativo nominal de diseño.
Todo el satélite fue recubierto con un sistema de protección térmica a efectos de que el NaK no se fundiera en la etapa de lanzamiento y previo a la puesta en marcha del reactor
El SNAP 10A estuvo activo durante 43 días, generando una potencia promedio de 500 W para la producción de electricidad. El período operativo para el cual fue construído era de un año. sistema automático previsto para llevar a nivel subcrítico el reactor se activo debido a un fallo en un regulador de voltaje.
Esto fue todo para los EUA en materia de reactores nucleares en la órbita terrestre.

El SNAP 10A. (Wikipedia)

La historia de los sistemas soviéticos es bastante distinta, hubo un uso rutinario de este tipo de sistemas. Además los soviéticos utilizaron dos diseños de reactores: los tipo "BUK" y los "TOPAZ".

Los sistemas soviéticos BUK compartían elementos de diseño comunes al SNAP 10a. Sin embargo superaron la etapa experimental y pasaron a confomar todo un subprograma aparte. Los sistemas BUK proveían de energía a los llamados RORSAT (US-A en ruso: Upravlayemyi Sputnik-Active), satélites de reconocimiento oceánico por radar. El proyecto original debía de proveer de detección y guía para la nueva generación de misiles superficie-superfice navales de largo alcance.

 El núcleo del reactor tenía las siguientes dimensiones: 37,2 cm de diámetro y 15cm de largo. EL combustible era un compuesto de uranio molibdeno. El uranio (U235) tenía una pureza mayor al 90 % de material fisible. La temperatura de funcionamiento nominal del reactor era de 700°C. El peso del núcelo del reactor era de 53kg, incluyendo los 30kg del combustible. Una serie de 6 rollos de berilio de inserción longitudinal proporcionaban la necesaria capacidad de reflexión de los neutrones generados en el núcleo. La inserción de estos cilindros determinaba el apagado del reactor una vez completado la misión del satélite.
Un escudo de hidruro de litio (LIH) protegía los equipos del satélite de las radiaciones. El reactor tenía una salida de 3 kW de energía eléctrica generada a partir de elementos de SiGe y tenía una vida operacional de aproximadamente 6 meses.

En total fueron lanzados 31 de estos sistemas en órbitas típicas de 280 km x 65°. Debido al tipo de órbita periódicamente se procedía a activar los motores del satélite para mantener la cota segura. Sin embargo se tuvo que disponer de un sistema que garantizara que en caso de fallo de los motores o del satélite en general los residuos nucleares del reactor no se precipitaran a la tierra.
Esto era una particular característica de estos sistemas: el conjunto del reactor se separaba del satélite y se colocaba en una órbita de 800-1000 km de altitud.


El sistema completo RORSAT estaba integrado por tres partes: el reactor nuclear (BUK), el motor del mismo, y la carga de pago del satélite formada por la antena del sistema de radar. El sistema en total tenía un peso de entre 3800 y 4300 kg, y el conjunto de sistemas del reactor pesaba 1250 Kg, incluyendo los radiadores. Los lanzadores empleados para colocar en órbita estos sistemas fueron los tipo Tsiklon 2. El diseño del sistema contemplaba que los residuos nucleares generados luego de la vida útil contuvieran una cantidad mínima de actínidos, es decir productos pesados de la fisión, de manera de disminuir la peligrosidad de los mismos. Esto se lograba con una alta pureza del combustible utilizado, garantizaba que estos residuos tuvieran tiempos de semidesintegración radiactiva relativamente cortos.




Esquema general de un sistema RORSAT. Arriba a la izquierda se aprecia el esquema de eyección del reactor. (www.svengrahn.pp.se).


 El primer satélite de la serie fue el Cosmos 469 lanzado el 1 de abril de 1971. El sistema estuvo activo aproximadamente 10 días, luego el reactor fue desactivado y reorbitado a una órbita del almacenamiento de 800 km. Los períodos de funcionamiento de esta serie tuvieron un mínimo de 8 días (Cosmos 1288, lanzado el 21 de abril de 1981) y un máximo de 135 días (Cosmos 1365, lanzado el 14 de mayo de 1982).


 La denominación genérica tras la serie "Cosmos" hablaba claramente de los objetivos de estos satélites. Si embargo el Cosmos (RORSAT) que sin duda pasó a la historia fue el número 954, lanzado el 18 de setiembre de 1977. Tuvo un período activo de 43 días, luego del cual el satélite perdió altura debido a problemas de control. La inserción del núcleo en una órbita segura falló y el 24 de enero de 1978 el satélite reingresó a la Tierra. Sus residuos fueron a parar a Canadá, aproximadamente un 20 % del material fisible se dispersó en la superficie terrestre en una área de 100.000 metros cuadrados. La radiación debida a estos residuos se estimó del mismo orden que la radiación de origen natural. Hasta ese momento un total de 14 RORSAT se habían desplegado.



Esquema del reactor BUK. En la imagen de abajo, en azul el refrigerante de NaK, en amarillo los sistemas de reflexión de neutrones de Berilio, en verde la junta del núcleo, en rojo el combustible (U-Mo).

Este accidente motivó un rediseño del reactor BUK: una vez activada la etapa de colocación en una órbita segura el conjunto de las 37 barras de combustible sería eyectado del núcleo del reactor. De esta manera se garantizaba una completa destrucción de los componentes radiactivos en caso de reingreso luego de alcanzada la vida útil de la órbita de seguridad, estimada en 300 a 1000 años.

Este sistema se activaba por tres acciones distintas: un comando desde tierra, pérdida de la presión interna del reactor (debido a expulsión del refrigerante), o bien la pérdida de altitud y/o control del satélite. Por último en caso de fallo de estas medidas se contemplaba la activación del motor del satélite a baja altura (115-120 km) de manera de garantizar su combustión en la alta atmósfera.

El primer RORSAT con el nuevo sistema fue el Cosmos 1176, lanzado el 29 de abril de 1980. La suerte de estos satélites con el nuevo diseño de reactor fue diversa: por ejemplo el Cosmos 1900, lanzado el 12 de diciembre de 1987 fue insertado a una órbita de 260 km. El 10 de abril de 1988 su órbita comenzó a decaer y por lo tanto se activó la separación del reactor del resto del conjunto del satélite. El BUK quedó inserto en una órbita de "seguridad" menor a la establecida: 695 km x 763 km.
En total 16 sistemas BUK fueron recolocados en órbitas de seguridad entre los años 1980 y 1988. Otro Cosmos, el 1402 casi pasa a la historia: el intento de eyectar el reactor falló, y el sistema se precipito a tierra sobre el Atlántico Sur el 28 de diciembre de 1982.

 Un aspecto preocupante de estos sistemas es el residuo de sodio producido como consecuencia de la eyección del núcleo, bajo forma de NaK. Se estima que una nube de residuos de tamaños que oscilan entre 100 micrones y 5 cm están dispersos en las llamadas órbitas de seguridad o almacenamiento, correspondiente a un estimado de 130 kg de NaK eyectado de los 16 BUK situados en órbitas del entorno de los 900 km. Definitivamente esto plantea no sólo un problema técnico de magnitud sino también de alta persistencia en el tiempo. El monitoreo de estas órbitas debe ser periódico, ya que se trata de chatarra espacial con actividad radiactiva.



El SNAP 10-A. En el extremo más cercano de la imagen se aprecia el reactor y el conjunto de radiadores.


La lista de lanzamientos soviéticos de la serie RORSAT con sus correspondientes datos de seguimiento telemétrico y elementos orbitales de seguimiento.

SatelliteL/VLaunch dateDays in
LEO

Separation
(min)
RemarksAnnounced fxReceived signals
(nr of passes)
Kosmos-102Vostok 11A51027 Dec 1965
-

-
19.735 MHz-
Kosmos-125Vostok 11A51021 Jul 1966
-

-
19.735 MHz-
Kosmos-198Tsyklon-2A, 11K6727 Dec 1967
1

-
First to be boosted to 900 km orbit19.365 MHz-
Kosmos-209Tsyklon-2A, 11K6722 Mar 1968
1

-
Carried reactor simulator as K-198
-

-
Kosmos-367Tsyklon-2, 11K693 Oct 1970
<>

-
First flight of BES-5 nuclear reactor19.542 MHz-
Kosmos-402Tsyklon-2, 11K691 Apr 1971
<>

-
In high orbit at rev 5
-

-
Kosmos-469Tsyklon-2, 11K6925 Dec 1971
9.5

-
First flight of radar?
-

-
Kosmos-516Tsyklon-2, 11K6921 Aug 1972
32

-
Last flight of S/C by Savin KB. Full radar gear
-

-
Kosmos-626Tsyklon-2, 11K6927 Dec 1973
45

-
First flight of updated S/C by KB Arsenal.
-

-
Kosmos-651Tsyklon-2, 11K6915 May 1974
71

25
First paired flight
-

-
Kosmos-654Tsyklon-2, 11K6917 May 1974
74

25
First paired flight
-

-
Kosmos-723Tsyklon-2, 11K692 Apr 1975
43

27
Orbital plane 23 deg from K-724, n=5
-
166 MHz (16), 19.542 MHz (1)
Kosmos-724Tsyklon-2, 11K697 Apr 1975
65

27
n=5
-
166 MHz (31), 19.542 MHz (2)
Kosmos-785Tsyklon-2, 11K6912 Dec 1975
<>

-
Boosted to high orbit on rev 10?
-

-
Kosmos-860Tsyklon-2, 11K6917 Oct 1976
24

38
Co-planar, n=3
-

-
Kosmos-861Tsyklon-2, 11K6921 Oct 1976
60

38
Co-planar, n=3
-
166 MHz (21)
Kosmos-952Tsyklon-2, 11K6916 Sep 1977
21

26
Co-planar, n=2
-

-
Kosmos-954Tsyklon-2, 11K6918 Sep 1977
43

26
Reactor landed in Canada.Co-planar, n=2
-
166 MHz (2)
Kosmos-1176Tsyklon-2, 11K6929 Apr 1980
134

-
Redesigned reactor safety features
-
166 MHz (14)
Kosmos-1249Tsyklon-2, 11K695 Mar 1981
105

26
Co-planar, n=2
-
166 MHz (14), 19.542 MHz (12)
Kosmos-1266Tsyklon-2, 11K6921 Apr 1981
8

26
Co-planar, n=2
-
166 MHz (1), 19.542 MHz (8)
Kosmos-1299Tsyklon-2, 11K6924 Aug 1981
12

-

-
166 MHz (3), 19.542 MHz (11)
Kosmos-1365Tsyklon-2, 11K6914 May 1982
135

51
Co-planar, n=4
-
166 MHz (8), 19.542 MHz (6)
Kosmos-1372Tsyklon-2, 11K691 Jun 1982
70

51
Co-planar, n=4
-
166 MHz (6), 19.542 MHz (2)
Kosmos-1402Tsyklon-2, 11K6930 Aug 1982
120

26
Co-planar, n=2. Fuel burned up S Atlantic
-
166 MHz (9), 19.542 MHz (6)
Kosmos-1412Tsyklon-2, 11K692 Oct 1982
39

26
Co-planar, n=2
-

-
Kosmos-1579Tsyklon-2, 11K6929 Jun 1984
90

-

-
166 MHz (13)
Kosmos-1607Tsyklon-2, 11K6931 Oct 1984
93

-

-
166 MHz (8)
Kosmos-1670Tsyklon-2, 11K691 Aug 1985
83

26
Co-planar, n=2
-
166 MHz (5)
Kosmos-1677Tsyklon-2, 11K6923 Aug 1985
60

26
Co-planar, n=2
-
166 MHz (1)
Kosmos-1736Tsyklon-2, 11K6921 Mar 1986
92

-

-
166 MHz (9)
Kosmos-1771Tsyklon-2, 11K6920 Aug 1986
56

-

-

-
Kosmos-1818Tsyklon-2, 11K692 Feb 1987
-

-
Test flight of new reactor
-

-
Kosmos-1860Tsyklon-2, 11K6918 Jun 1987
40

-
Last flight tracked by the Kettering Group
-
166 MHz (4)
Kosmos-1867Tsyklon-2, 11K6910 Jul 1987
-

-
Test flight of new reactor as 1818
-

-
Kosmos-1900Tsyklon-2, 11K6912 Dec 1987
120

-
6-day repeat pattern. To high orbit 30 Sept.
-

-
Kosmos-1932Tsyklon-2, 11K6914 Mar 1988
66

-

-

-

Fuente: www.svengrahn.pp.se



Imagen de un RORSAT. A la izquierda se pueden apreciar las antenas del sistema de radar. En el otro extremo se encuentra el reactor BUK. (http://space.skyrocket.de).




Imagen conceptual de un RORSAT eyectando el refrigerante. (www.svengrahn.pp.se)



 El uso de estos sistemas se detuvo por diversas razones, el accidente del Cosmos 954, y la caída de la URSS determinaron el fin de este programa. Tan sólo dos sistemas del tipo TOPAZ fueron desplegados en los años finales de la URSS. Otro contexto político y a nivel de opinión pública permitió el despliegue de estos sistemas.

Sin embargo hay un importante aprendizaje tecnológico que será necesario tener en cuenta y aumentar para las próximas etapas de la exploración espacial y de sus mas ambiciosos objetivos. A ellos nos referiremos en una próxima entrada: los sistemas TOPAZ y las recomendaciones técnicas para futuros sistemas nucleares espaciales.





Fuentes y referencias:


Acta Astronautica 64 (2009), 833-849





8 comentarios:

Daniel Marín dijo...

Genial la entrada, Gabriel. Tenía preparado un post similar sobre el tema, pero creo que ahora ya no hará falta que lo publique ;-). Muy bueno.

Un saludo!

Gabriel Garcia Sagario dijo...

Daniel muchas gracias por tu comentario. Tu post sobre los planes de la NASA dispararon todos los post relacionados con la energìa nuclear en el espacio.
Debo confesarte que tengo cargo de conciencia: por favor publica ese material, no quiero dejar a los lectores de Eureka, en los cuales me inluyo, sin ese post.

Un saludo!

Daniel Marín dijo...

No te preocupes, Gabriel, no debes tener cargo de conciencia porque tus posts son magníficos. De todas formas, publicaré algunas cosillas sueltas para complementar los tuyos.

Saludos!

Anónimo dijo...

muy bueno , felicitaciones, un informe apb ( a prueba de boludos) sencillamente gracias

Gabriel Garcia Sagario dijo...

Gracias anónimo!.

Saludos.

Gabriel Garcia Sagario dijo...

Gracias anónimo!.

Saludos.

WhiteSkull dijo...

Increíble, no pensé que fuera posible construir o concebir mini reactores nucleares. GRacias a tu artículo lo se. Buen aporte.

Gabriel Garcia Sagario dijo...

Gracias WhiteSkull, me alegro que la entrada te interesara.

Un saludo!

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