Extraordinario articulo sobre la aplicación de la energía nuclear para fines de exploración espacial. Creo que este es el camino para la conquista del sistema solar (cuando menos de manera oficial).
La prueba comenzó como estaba previsto. El reactor fue activado y el hidrógeno líquido -que hacía las funciones de propelente y refrigerante al mismo tiempo- comenzó a fluir a través del núcleo. Al entrar en contacto con las barras de combustible a 2000º C, el hidrógeno se calentó súbitamente. El gas resultante sería expulsado por una tobera situada en la parte superior del dispositivo.
Reactor Kiwi (Kiwi A') (NASA).
Prueba de un motor nuclear térmico durante el programa NERVA (NASA).
Sin embargo, apenas un minuto después de alcanzar su potencia máxima, las barras de combustible del reactor empezaron a fracturarse. Pedazos de material fisible -dióxido de uranio- e isótopos radiactivos generados durante la fisión fueron expulsados a la atmósfera a través de la tobera. La prueba se canceló inmediatamente.
Ninguno de los allí presentes podía sospechar entonces que el incidente del reactor Kiwi B1B terminaría por marcar un punto de inflexión en la popularidad de este sistema de propulsión. Por aquella época, los motores nucleares térmicos prometían hacer realidad un viaje tripulado a Marte a principios de los años 80. Medio siglo después, seguimos atrapados en la órbita baja. La historia del motor nuclear es la historia de los sueños frustrados de la exploración espacial.
Diseño de nave soviética con propulsión nuclear para un viaje a Marte (RKK Energía).
Propulsión nuclear en el espacio
Poner un objeto en órbita requiere mucha energía. El pozo gravitatorio de nuestro planeta es muy profundo y resulta complicado alcanzar la velocidad orbital de 8 km/s. Desde el inicio de la era espacial, la propulsión química ha sido usada en todos los lanzadores y en la inmensa mayoría de naves espaciales fabricadas por el ser humano. No es una mala opción para alcanzar la órbita terrestre, pero si queremos viajar más allá de la Luna está claro que necesitamos algo mejor. Junto a otras alternativas, la propulsión nuclear es una de las grandes esperanzas de la exploración tripulada del Sistema Solar. Frente a las limitaciones de los motores químicos tradicionales, la energía nuclear promete alcanzar elevados empujes e impulsos específicos, necesarios para poder hacer realidad un viaje a Marte.
Hay dos formas principales para aprovechar la energía nuclear en misiones espaciales. La primera, más simple como concepto, es la propulsión nuclear térmica. Según este sistema, el calor generado por un reactor de fisión se utiliza para calentar un propelente que actúa como fluido de reacción. La otra es la propulsión nuclear eléctrica, consistente en usar un reactor nuclear para alimentar una serie de motores eléctricos (iónicos o de plasma). En esta entrada estudiaremos la propulsión nuclear térmica.
Versión de nave tripulada marciana con propulsión nuclear eléctrica de RKK Energía. También se puede ver el escudo térmico del aparato de descenso marciano y una nave Klíper para el regreso a la Tierra (RKK Energía).
Motores nucleares térmicos
Todo el mundo sabe que la fisión nuclear permite generar enormes cantidades de energía, así que resulta natural pensar que podemos usarla de algún modo para propulsar un vehículo por el espacio. Pero, aunque intuitivamente estemos seguros de las bondades energéticas de la fisión, debemos demostrar primero que, efectivamente, un motor nuclear puede ser superior a uno químico. Para ello tenemos que entender básicamente el funcionamiento de un motor convencional.
La eficiencia de un motor cohete se mide por el impulso específico (Isp), que es proporcional a la velocidad de escape de las partículas que salen por la tobera. Esta velocidad depende a su vez de la temperatura y la masa molecular de las partículas. Lo primero es fácil de entender: al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven más rápidamente. Al fin y al cabo, no olvidemos que la temperatura es en realidad una medida de la energía cinética de un sistema de partículas. Pero aquí nos encontramos con la primera gran limitación del motor cohete químico, ya que la temperatura de la cámara de combustión viene determinada por la reacción química que tiene lugar en ella. No podemos aumentar la temperatura sin cambiar de propergoles. De todas formas, no estamos hablando de temperaturas especialmente bajas. Por poner un ejemplo, un motor criogénico que quema hidrógeno y oxígeno líquidos puede alcanzar fácilmente 3000º C dentro de la cámara.
Prueba de un motor principal del transbordador espacial (SSME), un motor químico criogénico (NASA).
El segundo parámetro que influye en el Isp es también sencillo de asimilar. Cuanto menor sea la masa de las moléculas que escapan por la tobera, mayor será su velocidad, ya que si tenemos dos objetos de distinta masa con la misma energía cinética, el más ligero tendrá una velocidad mayor. En los motores químicos, esta masa viene dictada por el tipo de reacción que hayamos elegido. Por ejemplo, en un motor criogénico el escape está formado por moléculas de agua (con una masa de 18 uma cada una). Es por esto que en este tipo de motor podemos obtener un mayor Isp si introducimos en la cámara de combustión más hidrógeno del necesario. Aunque la temperatura de la cámara desciende, esto se compensa por la mayor velocidad que adquieren las moléculas de hidrógeno (con una masa molecular de sólo 2 uma).
Bien, entonces, ¿qué pasa con un motor nuclear térmico? En este caso, no estamos limitados por la temperatura, ya que teóricamente podemos alcanzar millones de grados celsius dentro de un reactor de fisión. En realidad, el problema es más bien el contrario: debemos aprender a controlar estas temperaturas tan elevadas sin que los materiales que forman la estructura del motor se fundan.
En cuanto a la masa molecular del escape, podemos usar casi cualquier sustancia como propelente. Simplemente necesitamos que entre en contacto directo con el reactor para que se caliente y salga despedida por la tobera. En teoría podríamos usar agua, amoniaco, lejía o, incluso, un refresco gaseoso del supermercado, da lo mismo. Pero, como hemos visto, lo ideal es emplear una sustancia con la menor masa molecular posible, así que el hidrógeno es a veces el mejor candidato para servir como propelente en un motor nuclear. Y decimos a veces porque, a la hora de la verdad, esto no es tan simple. Para mantener el hidrógeno en estado líquido se necesita refrigerarlo hasta los -250º C, lo cual resulta complicado, especialmente si queremos usarlo en el espacio profundo. Además, a partir de los 2500 K, el hidrógeno molecular empieza a disociarse en hidrógeno atómico dentro de la cámara, disminuyendo el Isp final. Por estos motivos, hay diseños que emplean otras sustancias como metano o amoniaco.
En cualquier caso, es indiferente si usamos hidrógeno, metano, agua o amoniaco. Al hacer números tenemos que un motor térmico nuclear puede alcanzar sobre el papel un Isp de hasta 10000 segundos, mientras que el de un motor químico criogénico es de unos 450 segundos. Queda demostrado por tanto que, teóricamente, la propulsión térmica nuclear es mejor que la química. El siguiente paso es saber si es posible construir un motor de este tipo con la tecnología existente.
Construyendo un motor nuclear térmico
Según lo que hemos visto hasta ahora, un motor nuclear térmico seguiría el siguiente diseño:
Motor nuclear térmico NERVA (NASA).
El hidrógeno líquido (o, recuerda, cualquier otro fluido adecuado) pasa por el reactor, se calienta hasta alcanzar altísimas temperaturas y sale expulsado a gran velocidad por la tobera. La opción más simple es hacer que el propelente se limite a rodear el núcleo del reactor, ya que de este modo podríamos usar varios diseños de reactores comerciales. El problema es que la temperatura alcanzada por este sistema sería muy baja y el Isp no superaría los 500 segundos. Aunque nos pueda parecer extraño, en la Unión Soviética se estudiaron seriamente estos diseños a finales de los años 50. Paradójicamente, por entonces se pensaba que era más fácil construir un motor nuclear de este tipo que desarrollar la tecnología criogénica. Está claro que si realmente queremos aprovechar al máximo las capacidades de este sistema de propulsión, hay que hacer que el propelente atraviese el núcleo del reactor.
El reactor tendría por tanto forma cilíndrica y estaría formado por barras con el material fisible más el moderador, todo ello con huecos por donde fluiría el hidrógeno, que actuaría al mismo tiempo como propelente y refrigerante. La estructura estaría rodeada de un material capaz de reflejar los neutrones de la fisión, para disminuir así el tamaño del reactor y poder controlar la criticidad del mismo.
Fácil, ¿no? Lamentablemente, esta aparente sencillez es engañosa. Existen varios factores que condicionan el diseño del reactor de un motor nuclear. El primero, obviamente, es el tamaño. Está claro que no sería muy práctico utilizar un reactor que pese miles de toneladas en una nave espacial, ya que perderíamos cualquier ventaja en el Isp que nos pudiera ofrecer la propulsión nuclear. El tamaño de un reactor depende de varios factores, pero -simplificando mucho- podemos decir que es proporcional a la cantidad de uranio-235 que existe en el combustible. Un reactor que use uranio enriquecido al 90% (es decir, 90% de uranio-235 y 10% de uranio-238) podría ser muy pequeño y disfrutaría de una estupenda relación peso-empuje. Tendríamos entonces una fisión rápida gracias a los neutrones epitérmicos y prácticamente no necesitaríamos moderador. El combustible podría ser una mezcla de dióxido de uranio con cerámica y material refractario (tungsteno, por ejemplo).
El problema es que el uranio enriquecido al 90% no es algo que uno pueda comprar en la farmacia de la esquina, precisamente. Además de su altísimo coste, existen serias restricciones al uso de este material para evitar la proliferación de armas nucleares. Un reactor de plutonio presentaría problemas económicos y de seguridad aún mayores, por lo que queda fuera de la discusión. Hay que llegar por tanto a un compromiso entre el grado de enriquecimiento del uranio usado como combustible y la cantidad de moderador (normalmente grafito o hidruro de zirconio). Por lo general, cuanto más moderador tengamos, más grande y pesado será el reactor.
La segunda limitación es la temperatura. Sí, hemos dicho que la temperatura no es un factor límite en un motor nuclear, pero esto es sólo en teoría. A la hora de construirlo debemos elegir los materiales adecuados que puedan aguantar la temperatura de un reactor si queremos que éste permanezca en estado sólido. ¿Qué materiales podemos usar? Veamos la siguiente tabla:
Observando los datos, está claro que un reactor no puede estar compuesto de uranio puro, ya que su temperatura de fusión es de 1400 K, muy por debajo de los 3200 K que se alcanzan con un motor criogénico. Si queremos adelantar a la propulsión química, necesitamos mayores temperaturas para superar su rendimiento. Además, un reactor de uranio puro es sumamente peligroso, ya que corremos el riesgo de que el núcleo se derrita y se acumule en el fondo del mismo sin moderador, pudiendo alcanzar la criticidad fácilmente. El combustible habitual para nuestro objetivo es dióxido de uranio, que aguanta en estado sólido hasta los 3075 K y además no reacciona químicamente con el hidrógeno. También es posible usar nitruro de uranio, carburo de uranio o una mezcla de uranio con hidruro de zirconio, entre otras variantes.
Bien, ya casi tenemos el motor listo, pero nos falta elegir el moderador adecuado. En este punto tenemos dos opciones: decantarnos por un reactor de tipo homogéneo, donde el material fisible se halla mezclado con el moderador, o bien uno heterogéneo, en el que las barras de combustible y moderador están separadas. Hasta la fecha, sólo dos naciones han construido prototipos de motores nucleares operativos: los Estados Unidos y la Unión Soviética. Sin embargo, cada superpotencia eligió un diseño distinto para los reactores usados en motores cohete. Veamos cuáles eran sus características.
Diseño estadounidense (Kiwi B / NERVA)
En los EEUU se decidió emplear reactores homogéneos, formados por barras hexagonales de grafito en cuyo interior se encontraba "incrustado" el combustible nuclear (dióxido de uranio). El grafito es el moderador por excelencia en la mayoría de reactores nucleares. Tiene además la ventaja de aguantar muy bien las altas temperaturas, pudiendo soportar hasta 3990 K sin problemas. La pega es que este material -que no es más que una de las formas del carbono- reacciona fuertemente con el hidrógeno para formar hidrocarburos, lo que provoca el desgaste de los elementos del reactor y la consiguiente fragmentación de los mismos. Como resultado de este desgaste, el material fisible y los isótopos radiactivos resultantes de la fisión pueden ser expulsados al exterior, con el riesgo consiguiente. Precisamente, este fenómeno sería lo que contemplaron horrorizados los técnicos de las pruebas Kiwi B1B y Kiwi B4A a principios de los años 60.
Diseño de los elementos de un reactor homogéneo Kiwi B/NERVA. Se aprecian los orificios para el flujo de hidrógeno (NASA).
Sección de un reactor Kiwi B / NERVA.
Elementos en el reactor Kiwi A', con un diseño más antiguo (NASA).
El núcleo del reactor "Nuclear Furnace" (NASA).
Un motor Kiwi con los elementos del núcleo (NASA).
Distintos ciclos de hidrógeno para un motor nuclear (NASA).
Evidentemente, la desintegración del núcleo del reactor es un fallo crítico. La solución consiste en recubrir el grafito con un material inerte ante el hidrógeno y que no altere significativamente las características de la fisión. Los compuestos elegidos para esta tarea suelen ser carburo de niobio o carburo de zirconio. No obstante, se trata de un concepto que resulta muy difícil de llevar a la práctica y, de hecho, fue uno de los mayores problemas a los que se enfrentaron los ingenieros estadounidenses de los programas Rover y NERVA, ya que las cubiertas de niobio y zirconio de los elementos del reactor presentaban una desagradable tendencia a fragmentarse, dejando expuesta la matriz de grafito con el combustible en su interior.
Para dejar pasar el hidrógeno, las barras debían contener varios orificios. Elegir la forma y tamaño de los conductos para el hidrógeno resultó ser una tarea tremendamente compleja (la dinámica de fluidos no es sencilla), pero basta decir que desde el punto de vista de la eficiencia del motor es preferible contar con muchos orificios estrechos que tener unos pocos de gran diámetro.
Diseño soviético (RD-0410)
En la URSS, los ingenieros decidieron que un reactor heterogéneo -de menor potencia, eso sí- era la mejor opción. Las barras de combustible estaban formadas por uranio integrado en una matriz de carburos de zirconio, mientras que el moderador elegido, en forma de estructuras separadas, sería hidruro de zirconio (ZrH). Aunque el diseño soviético pueda parecer simple, lo cierto es que incluía soluciones increíblemente ingeniosas. Por ejemplo, las barras de combustible tenían forma de tirabuzón, como la broca de un taladro. De esta forma, las barras agrupadas en conjuntos de siete o nueve unidades formaban canales para el hidrógeno líquido de forma natural. Dichos canales podían gestionar el mismo flujo de hidrógeno aunque las barras se fracturasen durante la operación del motor, lo que aumentaba la seguridad del mismo. Y lo cierto es que funcionó, ya que no se produjeron expulsiones significativas de material fisible a la atmósfera en ninguna de las pruebas de los reactores soviéticos.
Curioso diseño de las barras de combustible de un motor nuclear térmico soviético. Destaca el diseño en tirabuzón (NASA).
Sección horizontal de la disposición de las barras del reactor en uno de los elementos con combustible.
Este diseño permitía además construir reactores mucho más compactos y sencillos de modelar mediante los cálculos hidrodinámicos (recordemos que por aquella época no existían superordenadores). Por si esto fuera poco, el reactor soviético incorporaba una menor cantidad de material fisible para conseguir el mismo Isp. Esto se conseguía modificando la concentración longitudinal de uranio en las barras de combustible. Cada barra en tirabuzón contenía una mayor proporción de uranio en la parte superior -donde el hidrógeno entraba en contacto con el reactor- que en la inferior. Al estar muy caliente el hidrógeno de la parte inferior, la tasa de transferencia de calor no hacía necesaria una concentración tan alta en esta zona. El resultado era un reactor más compacto, seguro y barato que el diseño homogéneo estadounidense.
Tanto si optamos por el diseño norteamericano como si preferimos el soviético, toca responder a la pregunta inicial: ¿es más eficiente un motor nuclear que uno químico? La respuesta es rotundamente afirmativa. Utilizando cualquiera de los dos diseños anteriormente expuestos podemos alcanzar un Isp de 900-1000 segundos, el doble que un motor criogénico.
Diseño general de un motor nuclear térmico (NASA).
Rompiendo la barrera
Muchos pensarán que un Isp de 1000 segundos no es algo espectacular después de todas las molestias que nos hemos tomado. Ciertamente queda muy por debajo de los impulsos específicos alcanzados por los motores eléctricos, capaces de superar los 10000 segundos. Pero no debemos olvidar que los motores nucleares permiten obtener un alto Isp y un elevado empuje al mismo tiempo, mientras que la fuerza proporcionada por los motores iónicos es casi despreciable.
Sin embargo, existen varias alternativas para mejorar la eficiencia de los motores nucleares. Como hemos visto, la principal limitación de un motor nuclear térmico es la temperatura, ya que no debe ser excesivamente alta o de lo contrario el reactor se fundiría. La solución a este dilema es obvia: ¡dejemos que el reactor se derrita! Un motor basado en un núcleo fundido podría alcanzar un Isp de 1300-1600 s. Claro que entonces surge el problema de cómo mantener el material fisible dentro del motor. Una opción es hacer girar el núcleo, manteniendo el uranio derretido en las paredes del reactor mediante la fuerza centrífuga.
Motor nuclear de núcleo líquido (NASA).
Mejor aún es usar un reactor con un núcleo gaseoso. Si inyectamos el uranio-235 junto con el hidrógeno, tendríamos un reactor capaz de alcanzar temperaturas de 55000 K e impulsos específicos del orden de 3000-7000 K, lo que nos acercaría al Isp de la propulsión eléctrica. Por supuesto, mantener el uranio dentro del núcleo se vuelve entonces imposible. Aunque se han realizado numerosas pruebas, los diseños de núcleo líquido y gaseoso nunca se han llevado a la práctica. No obstante, no existe ninguna barrera tecnológica que impida su construcción si así lo quisiéramos.
Esquema de un motor nuclear térmico con núcleo gaseoso (NASA).
Otra opción es usar núcleos sólidos, pero con uranio enriquecido. Como vimos más arriba, esto permitiría reducir drásticamente la masa del reactor, aunque el Isp sería similar a los diseños tradicionales.
Comparativa entre la aceleración y el impulso específico (Isp) de varios sistemas de propulsión (NASA).
La radiación
Siempre que se habla de motores nucleares, la palabra “radiación” es la primera que se nos viene a la cabeza. Empecemos por dejar las cosas claras: un reactor que no se haya encendido no presenta ningún peligro de contaminación radiactiva, ya que la vida media de los dos isótopos del uranio es del orden de 100 millones de años. De hecho, resulta más seguro lanzar un reactor inerte al espacio que un generador de radioisótopos (RTG), en cuyo interior podemos encontrar plutonio radiactivo. Los inconvenientes surgen cuando se inician las reacciones de fisión, momento a partir del cual se crean numerosos isótopos altamente radiactivos. Además de estos elementos, un reactor en funcionamiento es una fuente de importantes dosis de neutrones -sin ellos no habrá fisión nuclear- y rayos gamma.
Por lo tanto, resulta ciertamente desaconsejable emplear motores nucleares en la atmósfera terrestre, pero nada impide su uso en el espacio. Por supuesto, en este caso se mantiene el riesgo de irradiación para la tripulación, por lo que debemos construir escudos que garanticen dosis no dañinas. Los rayos gamma se pueden frenar usando escudos lo suficientemente gruesos a partir de materiales con un alto número atómico (como el plomo). Desgraciadamente, este requisito entra en conflicto con las limitaciones de masa en una nave espacial. Por su parte, los neutrones son más difíciles de parar, aunque se pueden usar elementos como boro o hafnio. Por suerte, el hidrógeno absorbe bien estas partículas, por lo que los tanques de hidrógeno serían un escudo ideal para la tripulación. Las pruebas efectuadas durante los proyectos Rover y NERVA demostraron que las dosis de radiación provenientes del reactor en un viaje a Marte estarían dentro de lo tolerable, principalmente debido a que el reactor permanecería apagado durante la práctica totalidad de la misión. En realidad, la tripulación de una misión con propulsión nuclear térmica recibiría una dosis menor que otra con propulsión nuclear eléctrica, la cual necesita que el reactor esté funcionando continuamente. Por lo tanto, no, la radiación no es una excusa para no emplear motores térmicos nucleares.
LOS MOTORES NUCLEARES EN LA REALIDAD
Proyectos Rover y NERVA
Entre 1955 y 1973, los Estados Unidos desplegaron ingentes recursos materiales y económicos con el fin de desarrollar un motor térmico nuclear de núcleo sólido. Desenmarañar la compleja estructura asociada a los distintos programas involucrados en este esfuerzo resulta un tanto difícil, ya que la gestión y control cambió varias veces de manos. Por eso suele haber cierta confusión entre los proyectos Rover, NERVA, Kiwi o RIFT.
El origen de lo que sería el programa de motores nucleares estadounidense lo podemos encontrar en otoño de 1954, cuando la Fuerza Aérea (USAF) y la NACA estudian por primera vez la posibilidad de usar este tipo de propulsión para lanzar misiles balísticos intercontinentales (ICBM). Por entonces no estaba claro que los motores químicos fuesen capaces de levantar del suelo estos gigantescos cohetes. Como resultado, la USAF encarga a la Comisión de Energía Atómica (AEC, Atomic Energy Comission) que estudie la viabilidad de este tipo de propulsión. La investigación correría a cargo de los laboratorios nucleares de Los Álamos (LANL, Los Alamos National Laboratory) y Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory). Ambos laboratorios finalizan sus estudios en marzo de 1955 y el 15 de abril de ese mismo año se crearían las primeras divisiones de cohetes nucleares en Los Álamos y Livermore. Alentada por los resultados, la USAF considera en octubre que los cohetes nucleares deben ser una prioridad nacional, por lo que el ministerio de defensa (DoD) empieza a destinar importantes sumas de dinero al proyecto.
El 2 de noviembre de 1955 nace el proyecto Rover para coordinar el desarrollo del motor nuclear térmico, aunque poco después el laboratorio Livermore abandonaría el programa para dedicarse al Proyecto Pluto, cuyo objetivo era la construcción de un motor nuclear atmosférico. Para 1958 ya era obvio que los motores químicos convencionales podían lanzar un ICBM sin complicaciones y los militares empezaron a perder el interés en Rover. La USAF cede entonces a la recién creada NASA su parte en la gestión del proyecto y es cuando se empieza a hablar de los motores nucleares térmicos como una opción seria para los viajes espaciales.
Los ensayos del Proyecto Rover tuvieron lugar entre 1959 y 1973 con varios reactores de prueba para estudiar las tecnologías asociadas a un motor nuclear. El objetivo del Proyecto Rover no era diseñar motores operativos, sino estudiar las viabilidad de las tecnologías asociadas. En total se construyeron y probaron 14 reactores nucleares en distintas series: Kiwi, Phoebus, PEWEE y Nuclear Furnace. Los reactores se construían en el área técnica TA-18 (Pajarito Site) del laboratorio de Los Álamos, para después ser enviados a la zona de pruebas en Jackass Flats en el Nevada Test Site (NTS). Por otra parte, las barras con el combustible nuclear se fabricaban en las instalaciones de Rocky Flats.
La serie Kiwi ("un pájaro sin alas") fue la pionera, debutando el 1 de julio de 1959 con el reactor Kiwi A, que empleaba placas de dióxido de uranio como combustible sin recubrimiento e hidrógeno gaseoso como propelente y refrigerante. Un año después se introdujo el reactor Kiwi A’ (Kiwi A Prime), que presentaba por vez primera barras de combustible formadas por una matriz de grafito con esferas de dióxido de uranio. En septiembre de 1962 tuvo lugar la fatídica prueba del Kiwi B1B, durante la cual las barras de combustible resultaron dañadas y se expulsó material fisible a la atmósfera. Esta también fue la primera vez que se usaba hidrógeno líquido como propelente. El siguiente ensayo, Kiwi B4A, sirvió para probar el sistema de conducciones de hidrógeno entre las barras del reactor, pero, una vez, más, la erosión de las barras provocó la expulsión de material radiactivo al exterior.
Partes del reactor Kiwi A Prime (NASA).
Kiwi B4D (NASA).
Sistema de transporte por ferrocarril para las pruebas Rover/NERVA (NASA).
Modos de funcionamiento de un reactor Kiwi (NASA).
Pero la prueba más espectacular de la serie tuvo lugar el 12 de enero de 1965. Con el expresivo nombre de Kiwi TNT, se decidió forzar al máximo un reactor hasta causar su explosión con el fin de comprender mejor los límites estructurales del sistema. Pese a lo aparatoso del incidente, no se trató de una explosión nuclear, sino mecánica. Los reactores Kiwi B servirían para asentar las bases del diseño de un reactor homogéneo a base grafito y dióxido de uranio que vimos anteriormente y que sería el elegido para los programas NERVA y RIFT.
Prueba Kiwi TNT. Mejor no acercarse mucho (NASA).
La serie Phoebus fue introducida en 1965 con el objetivo de verificar el funcionamiento de reactores de gran potencia. El Phoebus 2A sigue siendo en la actualidad el reactor con más potencia construido para un programa de propulsión nuclear, con 4400 MW (aunque teóricamente podía alcanzar los 5 GW).
Phoebus 1B (NASA).
Phoebus 2A: el reactor más potente jamás construido en un programa de motores nucleares (NASA).
Las últimas pruebas del Proyecto Rover serían PEWEE-1 en 1968 y Nuclear Furnace en 1972. Ambos eran reactores pequeños (514 y 44 MW, respectivamente), ideados para ser usados en el espacio (por entonces ya era evidente que los motores nucleares no se podrían emplear en la atmósfera). PEWEE-1 sería además el único prototipo de motor nuclear estadounidense que emplearía hidruro de uranio-zirconio como combustible.
En 1960 se creó la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO, Space Nuclear Propulsion Office), gestionada por la Comisión de Energía Atómica (AEC, Atomic Energy Comission) y la Fuerza Aérea (USAF) para fomentar las aplicaciones del Proyecto Rover. Un año después nace el famoso Proyecto NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), gestionado por la NASA y la AEC. Además de el Laboratorio de Los Álamos, en el desarrollo del proyecto participarán las empresas Westinghouse Astronuclear Laboratory y Aerojet Nuclear Systems.
Estrictamente hablando, NERVA era un programa independiente del Proyecto Rover, pero puesto que las tecnologías e instituciones participantes eran básicamente las mismas, se considera en ocasiones una extensión del este último. A diferencia de Rover, NERVA iba un paso más allá y tenía por objetivo desarrollar un prototipo de motor nuclear térmico operativo tomando como base la tecnología del reactor Kiwi B4E. NERVA era por tanto la etapa previa antes de desarrollar un ejemplar de vuelo. Las pruebas del proyecto se desarrollarían entre 1964 y 1969, conviviendo en el tiempo con el Proyecto Rover. Los reactores NERVA se denominaron NRX (Nuclear Reactor Experimental), siendo Aerojet el contratista principal y Westinghouse el subcontratista. Al finalizar 1969 se habían construido seis reactores NRX, cada uno de ellos con una potencia de unos 1100 MW y un Isp de unos 800 segundos. Varios de los reactores funcionaron durante más de una hora, demostrando que el diseño podría usarse en una nave espacial. El mayor desafío frente a los reactores Rover fue el diseño de las bombas de hidrógeno MK-9 diseñadas por Rocketdyne, las cuales terminarían por ser usadas en los motores criogénicos J-2 del Saturno V.
Reactor Kiwi B4E, la base de los NRX del programa NERVA (NASA).
Partes de un motor NRX NERVA (NASA).
Distintos reactores de los programas Rover y NERVA (NASA).
El último programa de motores nucleares estadounidenses seria el RIFT (Reactor In-Flight Test), gestionado por la NASA en solitario. Fundado el 15 de agosto de 1960, RIFT estaba basado en las tecnologías de los reactores NRX y debía desarrollar y probar motores nucleares en misiones espaciales reales. Las empresas Douglas, Martin, Convair y Lockheed participaron activamente en el programa. En un principio se pensó equipar la etapa superior S-IVB del Saturno V con un motor NERVA para aumentar la carga útil, junto a otras combinaciones de motores nucleares (denominadas genéricamente Apolo-N). Desgraciadamente para la NASA, los accidentes de las pruebas Kiwi B1B y Kiwi B4A sirvieron para poner de manifiesto ante la opinión pública el peligro de esta tecnología si se empleaba para construir motores de primeras etapas. Los motores nucleares sólo podrían usarse en el espacio, donde la radiación no pudiese dañar a nadie.
Organigrama de los distintos proyectos de propulsión nuclear en los EEUU (NASA).
Relación y evolución de los distintos programas estadounidenses de motores nucleares (NASA).
Una prueba del NERVA (NASA).
Prototipo de motor nuclear NERVA XE PRIME, el primero en ser probado en posición de vuelo (NASA).
Maqueta de un motor NERVA operativo (NASA).
Pruebas de los reactores de los proyectos Rover y NERVA (NASA).
Todos los reactores de los proyectos Rover y NERVA.
Cuando a finales de los 60 el proyecto Apolo estaba a punto de conseguir sus objetivos, la NASA vio con preocupación como RIFT y NERVA amenazaban con convertirse en sumideros de dinero sin un objetivo claro. Y es entonces cuando surgen con renovada fuerza varios proyectos para usar la propulsión nuclear en una misión tripulada a Marte.
Pero todo fue en vano. En 1973, tras gastarse entre 1400 y 2000 millones de dólares, todos los proyectos relacionados con motores térmicos nucleares fueron cancelados en los EEUU, justo cuando se había demostrado la viabilidad de esta tecnología. La Casa Blanca y el Congreso veían en los motores nucleares una peligrosa puerta trasera por donde la NASA podía intentar colar el desarrollo de un programa tripulado a Marte durante los años 70, como de hecho así fue. La propia NASA había mostrado cierta ambivalencia ante esta tecnología, temerosa de que los programas Rover o NERVA pudiesen suponer una competencia interna con el Apolo. Por si fuera poco, el adjetivo “nuclear” empezaba a no gozar de mucho prestigio entre la opinión pública. Los Estados Unidos habían ganado la carrera lunar. Marte podía esperar.
Motores nucleares térmicos en la URSS
Al igual que su rival, la URSS desarrolló un importante programa de motores nucleares, pero siguió una ruta distinta tanto en la tecnología empleada como en las aplicaciones de este sistema de propulsión. Aunque la inversión económica fue mucho más modesta que en los Estados Unidos, la Unión Soviética fue más constante en el tiempo, extendiéndose el periodo de desarrollo de estos motores hasta bien entrados los años 80. Además, mientras que Rover/NERVA sólo consiguió construir prototipos, la URSS fue capaz de diseñar motores totalmente operativos, aunque jamás se probaron en el espacio.
La investigación sobre motores nucleares térmicos (YaRD en ruso) comienza en la URSS casi al mismo tiempo que en los Estados Unidos. Ya en 1954, los científicos del “Laboratorio V” (actualmente GNTs FEI) empiezan a investigar la posibilidad de usar YaRD para propulsar cohetes. Fruto de estas investigaciones sería el programa BAR (Balistícheskaia Atómnaia Raketa, "Cohete Atómico Balístico"), dirigido por Ígor Bondarenko y V. Pupko. En 1955, Mstislav Keldish decide coordinar este esfuerzo dentro del instituto de investigación NII-2 en lo que sería una especie de Proyecto Rover soviético.
Ya en 1956 se reúnen por primera vez los ingenieros jefe Serguéi Korolyov (OKB-1), Mijaíl Bondariuk (OKB-670) y Valentín Glushkó (OKB-456) para unificar los trabajos de cara al desarrollo de un motor térmico nuclear. Glushkó, el dvigatelist por excelencia, no se muestra muy entusiasmado por este sistema de propulsión. Lo suyo son los motores químicos. Pero los dirigentes soviéticos piensan de otra forma y el 22 de noviembre de 1956 el Consejo de Ministros de la URSS y el PCUS publican el decreto “trabajos para crear un misil balístico de gran alcance con motores atómicos”. Korolyov debe ser el encargado de diseñar el lanzador, mientras que Glushkó fabricará los motores usando reactores desarrollados por A. I. Leypunski.
Mijaíl Bondaryuk.
Valentín Glushkó.
Justo en esa época, el prestigioso instituto nuclear de Ígor Kurchátov -algo así como el equivalente soviético de Los Álamos- propone usar un reactor heterogéneo con hidruro de zirconio como moderador, lo que serviría de base para posteriores desarrollos. Curiosamente, no se decantan inmediatamente por el uso de un reactor de núcleo sólido, sino que durante cierto tiempo flirtean con la idea de usar reactores líquidos y gaseosos, pese a su mayor complejidad. El instituto NII-9 se dedica a investigar en detalle las formas de las barras de combustible (TVEL en ruso) y, como conclusión, recomienda usar barras de UC-ZrC con forma de tirabuzón.
Las "tres K". De izquierda a derecha, Koroliov, Kurchátov y Keldish (Wikipedia).
El 30 de junio de 1958 el gobierno encarga finalmente el desarrollo de un motor nuclear a los centros dirigidos por Keldish, Kurchátov y Korolyov, que serían conocidos como "las tres K". La OKB-1 del Ingeniero Jefe presenta el YaR-1, un cohete totalmente nuclear, y el YaKhR-2, un lanzador basado en el R-7 Semyorka con varios aceleradores químicos. Ambos diseños usarían un YaRD de 1400 kN de empuje. El YaKhR sería capaz de colocar nada más y nada menos que 35-40 toneladas en órbita baja. En este sentido, el programa soviético diverge del estadounidense, el cual nunca llegó a asignar un motor nuclear a un lanzador concreto.
Cohete YaKhR-2 de la OKB-1 con un motor nuclear en su etapa central. Se aprecian los seis aceleradores laterales en vez de los cuatro habituales del Smyorka(RKK Energía).
Mientras, la OKB-456 de Glushkó desarrolló los proyectos de motores RD-401 y RD-402, que empleaban reactores moderados por agua y berilio, respectivamente. Su empuje era de 1600 kN y ambos usaban amoniaco como propelente, por lo que su Isp era de sólo 428 segundos. En 1962 se introdujo el RD-404, con 2000 kN de empuje y un Isp de 950 s. Este proyecto daría lugar al RD-405, más pequeño, con un empuje de 400-500 kN. También la OKB-670 de V. A. Shtokolov investigaría un prototipo de YaRD denominado ARD-3V. El 23 de junio de 1960 se sugiere emplear YaRD para propulsar el futuro cohete N1 de la OKB-1 en misiones hacia la Luna y Marte. Según los cálculos, este sistema permitiría doblar la capacidad de carga del lanzador. Lamentablemente, ninguno de estos proyectos seguiría adelante una vez quedó claro que los motores químicos eran capaces de propulsar lanzadores de cierto tamaño.
No obstante, el programa de motores nucleares soviético sigue adelante, pero con un objetivo más modesto. Ya no se trata de lanzar misiles o cohetes a ras del suelo, sino de emplear esta propulsión en el espacio profundo. Mientras los estadounidenses construyen un reactor tras otro, los soviéticos prefieren probar cada componente por separado, sobre todo por culpa de las limitaciones presupuestarias. El 30 de junio de 1958, el Comité para la Técnica de Aviación (GKAT) es autorizado -junto con los institutos NII-1 y NII-9- a construir un polígono de pruebas para reactores en Semipalatinsk (Kazajistán), decisión que culminaría en 1964 con el decreto para la construcción del Complejo Baikal, situado a sólo 50 km de la zona donde explotó la primera bomba atómica soviética y destinado a servir de banco de pruebas para las tecnologías de los YaRD. Se crea también la oficina NPO Luch con el objetivo de refinar el diseño de las barras de combustible.
Complejo de pruebas Baikal en Semipalatinsk para las pruebas de YaRD.
Las instalaciones Baikal en el Google Earth (Google).
Sería el 1 de julio de 1965 cuando el centro Keldish crea el reactor IR-20-100 para usarlo en un motor de 36 kN y además se estudia la posibilidad de emplearlo en el cohete Protón. Este reactor evolucionará en el IR-100, que aparecerá en 1967 y estará formado por cien núcleos de UC-ZrC-NbC y UC-ZrC-C, con una potencia de 196 MW. Para desarrollar el motor basado en el IR-100, Keldish colabora en un principio con la OKB de Isayev, pero en 1966 se delega esta labor en la oficina KB Khimavtomatiki (KBKhA), de A. D. Konopatov. El motor de 36 kN con el reactor IR-100 recibe el código de 11B91, aunque en 1970 el reactor cambia su denominación a 11B91-IR-100 (IRGIT). KBKhA también desarrolla en paralelo un motor de 2200 MW con un empuje de 40 toneladas.
Diseño de un cohete basado en el Protón con motores nucleares (Novosti Kosmonavtiki).
Por otro lado, el instituto Kurchátov prueba las nuevas barras de combustible en los reactores IR-20, Strelá y, por último, en el 11B91-IR-100. En 1972 se transporta el reactor IVG-1 hasta el complejo Baikal de Semipalatinsk, donde se realizan ensayos con las barras de NPO Luch. No obstante, el reactor no será activado hasta 1976. Un año después se inaugura el segundo complejo de pruebas Baikal y, por fin, el 17 de septiembre de 1977 comienzan las pruebas "en frío" con el 11B91. El 27 de marzo de 1978 comienza la fisión dentro del 11B91, consiguiendo una potencia inicial de 25 MW. El 3 de julio y el 11 de agosto de 1978 tienen lugar las primeras pruebas del 11B91 con hidrógeno y unas potencias de 33-42 MW. En total, entre 1978 y 1984 se realizaron 126 pruebas con este motor.
Se construyeron además otros dos reactores 11B91 para diversas pruebas, y se llevaron a cabo varios ensayos con los reactores IGR e IVG. También se fabricó en 1980 el 11B91Kh (IRGIT-Kh), una versión del 11B91 para realizar pruebas del motor sin reactor. Se realizaron un total de 247 "encendidos" en frío que sumaron 2832 minutos, demostrando la idoneidad del diseño.
Como resultado de todos estos ensayos, KBKhA presentó a principios de los 80 la versión operativa del 11B91, denominada RD-0410. Con un empuje de 3,5 toneladas y un Isp de 910 segundos, el RD-0410 es un motor más pequeño que los NERVA, pero preparado desde un principio para ser empleado en una misión espacial. KBKhA también propuso el RD-0411, con 70 toneladas de empuje, aunque no construyó ningún ejemplar. La experiencia a la hora de diseñar el RD-0410 le sirvió a KBKhA a la hora de construir el RD-0120, el motor criogénico más potente de la URSS, empleado en el cohete Energía. El RD-0410 presenta una mejor relación Isp/empuje que el NERVA, además de ser muy compacto. De existir la voluntad política, se trata del único motor nuclear que podría estar operativo en el plazo de unos pocos años.
Motor nuclear ruso RD-0410 (Novosti Kosmonavtiki).
Detalle del reactor 11B91-IR-100 del RD-0410.
Esquema del motor RD-0410. Se aprecian los siete núcleos del reactor.
Comparativa entre las prestaciones de un NERVA de serie y un RD-0410. Vemos que el diseño soviético es más eficiente (NASA).
Comparativa entre el NRX NERVA y el RD-0410.
Aunque los estudios sobre YaRD continuaron en la URSS hasta 1991, el interés sobre los motores nucleares térmicos fue decayendo por la falta de un objetivo claro para su uso. A finales de los 80, los ingenieros soviéticos consideraban más interesante investigar los motores bimodales (reactores que pueden funcionar al mismo tiempo como YaRD y para alimentar sistemas de propulsión nuclear eléctrica), interés que no ha disminuido en los últimos veinte años.
El futuro de la propulsión nuclear
La propulsión nuclear ha sido durante décadas la eterna candidata a revolucionar el futuro de la exploración tripulada del Sistema Solar. Sin embargo, la fuerte oposición pública al uso de la energía nuclear en la Tierra y el nulo interés por parte de los gobiernos para viajar más allá de la órbita baja han frustrado su desarrollo. En los años 90, la iniciativa SEI (Space Exploration Initiative) y más recientemente el Programa Prometheus en 2003, han sido los últimos intentos -infructuosos- de la NASA por reavivar el interés hacia este sistema de propulsión.
Como hemos visto, es muy posible que la ventaja en impulso específico no compense el gasto que conlleva su desarrollo, pero no olvidemos que estamos ante una tecnología madura capaz de ofrecer resultados en poco tiempo. Aunque la propulsión nuclear térmica tradicional puede haber quedado un tanto obsoleta, en los últimos años se han presentado multitud de propuestas que podrían mejorar sus características.
A mediados de los años 60, la tecnología NERVA prometía poner un hombre en Marte para 1981. Casi medio siglo después, aún estamos esperando.
Próximamente:
Misiones a Marte con motores nucleares
Motores nucleares avanzados
Referencias:
- A Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, W. H. Robbins (NASA, 1991).
- Rover Nuclear Rocket Engine Program (NASA, 1991).
- Development of the NERVA Nuclear Rocket Engine (NASA-Aerojet General, 1961).
- Nuclear Propulsion: a Historical Perspective, Stanley Gunn (Space Policy, 2001).
- NASA's Nuclear Frontier, M. D. Bowles, M. S. Arrighi (Monographs in Aerospace History 33, NASA, 2004).
- Upgrades to the NESS, James E. Fittje (NASA).
- Otechestvennie Yadernie Dvigateli, A. Borisov (Novosti Kosmonavtiki, enero 2001).
- Iz Istorii Sozdania Yadernikh Kosmicheskikh Reaktorov, A.V. Zrodnikov et al. (Novosti Kosmonavtiki nº 2, 2008).
- Nuclear Thermal Propulsion (FAS).
- NERVA, Mark Wade (Encyclopedia Astronautica).
- RD-0410 (KBKhA).
- Zvyozdni YaRD Rossii.
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