La propulsión nuclear marina es la propulsión de un barco o submarino con calor proporcionado por un reactor nuclear . La planta de energía calienta agua para producir vapor para una turbina que se utiliza para hacer girar la hélice del barco a través de una caja de cambios o mediante un generador eléctrico y un motor. La propulsión nuclear se utiliza principalmente en buques de guerra navales, como submarinos nucleares y superportaaviones . Se ha construido una pequeña cantidad de barcos nucleares civiles experimentales. [1]
En comparación con los buques propulsados por petróleo o carbón, la propulsión nuclear ofrece la ventaja de unos intervalos de funcionamiento muy largos antes de repostar. Todo el combustible está contenido en el reactor nuclear, por lo que el combustible no ocupa espacio para la carga o los suministros, ni tampoco para las chimeneas de escape o las tomas de aire de combustión. [2] Sin embargo, el bajo coste del combustible se ve compensado por los altos costes operativos y la inversión en infraestructura, por lo que casi todos los buques propulsados por energía nuclear son militares. [2]
La mayoría de los reactores nucleares navales son del tipo de agua presurizada , con la excepción de unos pocos [ cuantificar ] intentos [¿ por quién? ] de utilizar reactores refrigerados por sodio líquido. [2] Un circuito de agua primario transfiere el calor generado por la fisión nuclear en el combustible a un generador de vapor ; esta agua se mantiene bajo presión para que no hierva. Este circuito funciona a una temperatura de alrededor de 250 a 300 °C (482 a 572 °F). Cualquier contaminación radiactiva en el agua primaria está confinada. El agua circula mediante bombas; a niveles de potencia más bajos, los reactores diseñados para submarinos pueden depender de la circulación natural del agua para reducir el ruido generado por las bombas. [ cita requerida ]
El agua caliente del reactor calienta un circuito de agua separado en el generador de vapor. Esa agua se convierte en vapor y pasa a través de secadores de vapor en su camino hacia la turbina de vapor . El vapor gastado a baja presión pasa por un condensador enfriado con agua de mar y vuelve a su forma líquida. El agua se bombea de regreso al generador de vapor y continúa el ciclo. Cualquier agua perdida en el proceso se puede compensar agregando agua de mar desalinizada al agua de alimentación del generador de vapor. [3]
En la turbina, el vapor se expande y reduce su presión a medida que imparte energía a las palas giratorias de la turbina. Puede haber muchas etapas de palas giratorias y álabes guía fijos. El eje de salida de la turbina puede estar conectado a una caja de cambios para reducir la velocidad de rotación, luego un eje se conecta a las hélices del buque. En otra forma de sistema de accionamiento, la turbina hace girar un generador eléctrico y la energía eléctrica producida se alimenta a uno o más motores de accionamiento para las hélices del buque. Las armadas rusa , estadounidense y británica dependen de la propulsión directa con turbina de vapor, mientras que los barcos franceses y chinos utilizan la turbina para generar electricidad para la propulsión ( transmisión turboeléctrica ). [ cita requerida ]
Algunos submarinos nucleares tienen un solo reactor, pero los submarinos rusos tienen dos, como el USS Triton . La mayoría de los portaaviones estadounidenses están propulsados por dos reactores, pero el USS Enterprise tenía ocho. La mayoría de los reactores marinos son del tipo de agua presurizada , aunque las armadas de Estados Unidos y la Unión Soviética han diseñado buques de guerra propulsados por reactores refrigerados por metal líquido . [ cita requerida ]
Los reactores de tipo marino se diferencian de los reactores eléctricos comerciales terrestres en varios aspectos. [ cita requerida ]
Mientras que los reactores terrestres en las plantas de energía nuclear producen hasta alrededor de 1600 megavatios de energía eléctrica neta (la capacidad nominal del EPR ), un reactor de propulsión marina típico no produce más que unos pocos cientos de megavatios. Algunos reactores modulares pequeños (SMR) son similares a los reactores de propulsión marina en capacidad y algunas consideraciones de diseño y, por lo tanto, la propulsión marina nuclear (ya sea civil o militar) a veces se propone como un nicho de mercado adicional para los SMR. A diferencia de las aplicaciones terrestres, donde cientos de hectáreas pueden ser ocupadas por instalaciones como la Central Nuclear de Bruce , en el mar los límites de espacio ajustados dictan que un reactor marino debe ser físicamente pequeño, por lo que debe generar mayor energía por unidad de espacio. Esto significa que sus componentes están sujetos a mayores tensiones que los de un reactor terrestre. Sus sistemas mecánicos deben funcionar sin problemas bajo las condiciones adversas que se encuentran en el mar, incluidas las vibraciones y el cabeceo y balanceo de un barco que opera en mares agitados. Los mecanismos de apagado del reactor no pueden depender de la gravedad para dejar caer las barras de control en su lugar como en un reactor terrestre que siempre permanece en posición vertical. La corrosión del agua salada es un problema adicional que complica el mantenimiento. [ cita requerida ]
Como el núcleo de un reactor marino es mucho más pequeño que un reactor de potencia, la probabilidad de que un neutrón se cruce con un núcleo fisionable antes de escapar al blindaje es mucho menor. Como tal, el combustible suele estar más enriquecido (es decir, contiene una mayor concentración de 235 U frente a 238 U) que el utilizado en una planta de energía nuclear terrestre, lo que aumenta la probabilidad de fisión hasta el nivel en el que puede ocurrir una reacción sostenida. Algunos reactores marinos funcionan con uranio relativamente poco enriquecido , lo que requiere un reabastecimiento de combustible más frecuente. Otros funcionan con uranio altamente enriquecido , que varía desde el 20% de 235 U, hasta más del 96% de 235 U que se encuentra en los submarinos estadounidenses [4] , en los que el núcleo más pequeño resultante es más silencioso en funcionamiento (una gran ventaja para un submarino). [5] El uso de combustible más enriquecido también aumenta la densidad de potencia del reactor y extiende la vida útil de la carga de combustible nuclear, pero es más costoso y supone un mayor riesgo para la proliferación nuclear que el combustible menos enriquecido. [6]
Una planta de propulsión nuclear marina debe diseñarse para que sea altamente confiable y autosuficiente, requiriendo un mantenimiento y reparaciones mínimos, que podrían tener que realizarse a muchos miles de kilómetros de su puerto de origen. Una de las dificultades técnicas en el diseño de elementos de combustible para un reactor nuclear marítimo es la creación de elementos de combustible que soporten una gran cantidad de daño por radiación. Los elementos de combustible pueden agrietarse con el tiempo y pueden formarse burbujas de gas. El combustible utilizado en los reactores marinos es una aleación de metal y circonio en lugar del UO2 cerámico ( dióxido de uranio ) que se usa a menudo en los reactores terrestres. Los reactores marinos están diseñados para una larga vida útil del núcleo, lo que es posible gracias al enriquecimiento relativamente alto del uranio y a la incorporación de un " veneno combustible " en los elementos de combustible, que se agota lentamente a medida que los elementos de combustible envejecen y se vuelven menos reactivos. La disipación gradual del "veneno nuclear" aumenta la reactividad del núcleo para compensar la disminución de la reactividad de los elementos de combustible envejecidos, lo que extiende la vida útil del combustible. El recipiente de presión del reactor compacto está provisto de un escudo interno de neutrones , que reduce el daño al acero causado por el bombardeo constante de neutrones. [ cita requerida ]
El desmantelamiento de submarinos de propulsión nuclear se ha convertido en una tarea importante para las armadas de Estados Unidos y Rusia. [7] Después de desabastecerlos, la práctica estadounidense es cortar la sección del reactor del buque para desecharla en un entierro en tierra poco profunda como residuo de bajo nivel (véase el programa de reciclaje de buques y submarinos ). [8] En Rusia, los buques enteros, o secciones selladas del reactor, suelen permanecer almacenados a flote, aunque una nueva instalación cerca de la bahía de Sayda proporcionará almacenamiento en una instalación con piso de hormigón en tierra para algunos submarinos en el extremo norte. [ cita requerida ]
Rusia ha construido una central nuclear flotante para sus territorios del lejano oriente. El diseño incluye dos unidades de 35 MWe basadas en el reactor KLT-40 utilizado en los rompehielos (con reabastecimiento de combustible cada cuatro años). Algunos buques de guerra rusos se han utilizado para suministrar electricidad para uso doméstico e industrial en ciudades remotas del lejano oriente y Siberia. [ cita requerida ]
En 2010, Lloyd's Register estaba investigando la posibilidad de propulsión nuclear marina civil y reescribiendo el borrador de las reglas (ver texto en Buques mercantes ). [9] [10] [11]
El seguro de los buques nucleares no es como el de los buques convencionales. Las consecuencias de un accidente pueden trascender las fronteras nacionales y la magnitud de los posibles daños supera la capacidad de las aseguradoras privadas. [12] Un acuerdo internacional especial, el Convenio de Bruselas sobre la responsabilidad de los operadores de buques nucleares , elaborado en 1962, habría hecho responsables a los gobiernos nacionales signatarios de los accidentes causados por buques nucleares bajo su pabellón [13], pero nunca fue ratificado debido a un desacuerdo sobre la inclusión de los buques de guerra en el convenio. [14] Los reactores nucleares bajo jurisdicción de los Estados Unidos están asegurados por las disposiciones de la Ley Price-Anderson . [ cita requerida ]
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En 1990, había más reactores nucleares alimentando barcos (en su mayoría militares) que generando energía eléctrica en plantas de energía comerciales en todo el mundo. [15]
Bajo la dirección del capitán de la Armada de los EE. UU. (más tarde almirante) Hyman G. Rickover , [16] el diseño, desarrollo y producción de plantas de propulsión nuclear marina comenzó en los Estados Unidos en la década de 1940. El primer prototipo de reactor naval se construyó y probó en la Instalación de Reactores Navales en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores en Idaho (ahora llamada Laboratorio Nacional de Idaho ) en 1953.
El primer submarino nuclear , el USS Nautilus (SSN-571) , se hizo a la mar en 1955 (SS era un símbolo tradicional de clasificación de casco para los submarinos estadounidenses, mientras que SSN denotaba el primer submarino "nuclear"). [17]
La Unión Soviética también desarrolló submarinos nucleares. Los primeros tipos desarrollados fueron el Proyecto 627, designado por la OTAN como clase November , con dos reactores refrigerados por agua, el primero de los cuales, el K-3 Leninsky Komsomol , estaba en funcionamiento con energía nuclear en 1958. [18]
La energía nuclear revolucionó el submarino, convirtiéndolo finalmente en un verdadero buque "submarino", en lugar de una nave "sumergible", que sólo podía permanecer bajo el agua durante períodos limitados. Le dio al submarino la capacidad de operar sumergido a altas velocidades, comparables a las de los buques de superficie, durante períodos ilimitados, dependiendo únicamente de la resistencia de su tripulación. Para demostrar esto, el USS Triton fue el primer buque en ejecutar una circunnavegación sumergida de la Tierra ( Operación Sandblast ), haciéndolo en 1960. [19]
El Nautilus , con un reactor de agua presurizada (PWR), condujo al desarrollo paralelo de otros submarinos como un reactor único refrigerado por metal líquido (sodio) en el USS Seawolf , o dos reactores en el Triton , y luego los submarinos de clase Skate , propulsados por reactores individuales, y un crucero, el USS Long Beach , en 1961, propulsado por dos reactores. [ cita requerida ]
En 1962, la Armada de los Estados Unidos contaba con 26 submarinos nucleares operativos y otros 30 en construcción. La energía nuclear había revolucionado la Armada. Estados Unidos compartía su tecnología con el Reino Unido , mientras que el desarrollo francés , soviético , indio y chino se desarrollaba por separado. [ cita requerida ]
Después de los submarinos de la clase Skate , los submarinos estadounidenses fueron propulsados por una serie de diseños estandarizados de un solo reactor construidos por Westinghouse y General Electric . Rolls-Royce plc construyó unidades similares para submarinos de la Marina Real y finalmente desarrolló una versión modificada propia, el PWR2 . [ cita requerida ]
Los submarinos nucleares más grandes jamás construidos son los rusos de la clase Typhoon , de 26.500 toneladas . Los buques de guerra nucleares más pequeños hasta la fecha son los submarinos de ataque franceses de la clase Rubis , de 2.700 toneladas . La Armada de los Estados Unidos operó un submarino nuclear desarmado, el NR-1 Deep Submergence Craft , entre 1969 y 2008, que no era un buque de combate pero era el submarino de propulsión nuclear más pequeño, con 400 toneladas. [ cita requerida ]
Estados Unidos y Francia han construido portaaviones nucleares .
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El único portaaviones nuclear francés es el Charles de Gaulle , puesto en servicio en 2001 (se planea un sucesor). [20]
El portaaviones francés está equipado con catapultas y lanzamisiles . El Charles de Gaulle tiene 42.000 toneladas y es el buque insignia de la Marina francesa (Marine Nationale). El barco lleva una dotación de aviones Dassault Rafale M y E-2C Hawkeye , helicópteros EC725 Caracal y AS532 Cougar para búsqueda y rescate en combate , así como electrónica moderna y misiles Aster . [21]
La Armada de los Estados Unidos opera 11 portaaviones, todos ellos de propulsión nuclear: [22]
La clase Kirov , designación soviética 'Proyecto 1144 Orlan' ( águila marina ), es una clase de cruceros de misiles guiados de propulsión nuclear de la Armada Soviética y la Armada rusa , los buques de guerra de combate de superficie (es decir, no un portaaviones o un buque de asalto anfibio ) más grandes y pesados en operación en el mundo. Entre los buques de guerra modernos, son los segundos en tamaño solo después de los grandes portaaviones , y de tamaño similar a los acorazados de la era de la Segunda Guerra Mundial . La clasificación soviética del tipo de barco es "crucero pesado de misiles guiados de propulsión nuclear" ( en ruso : тяжёлый атомный ракетный крейсер ). Los comentaristas de defensa occidentales a menudo se refieren a los barcos como cruceros de batalla debido a su tamaño y apariencia general. [24]
La Armada de los Estados Unidos tuvo en algún momento cruceros de propulsión nuclear como parte de su flota. El primero de estos barcos fue el USS Long Beach (CGN-9) . En servicio en 1961, fue el primer buque de combate de superficie de propulsión nuclear del mundo . [25] Fue seguido un año después por el USS Bainbridge (DLGN-25) . Mientras que el Long Beach fue diseñado y construido como un crucero, [26] el Bainbridge comenzó su vida como una fragata , aunque en ese momento la Armada estaba usando el código de casco "DLGN" para " destructor líder , misil guiado , nuclear ". [27]
Los últimos cruceros de propulsión nuclear que fabricarían los estadounidenses serían los cuatro barcos de la clase Virginia . El USS Virginia (CGN-38) entró en servicio en 1976, seguido por el USS Texas (CGN-39) en 1977, el USS Mississippi (CGN-40) en 1978 y, por último, el USS Arkansas (CGN-41) en 1980. Al final, todos estos barcos resultaron demasiado costosos de mantener [28] y todos fueron retirados entre 1993 y 1999. [ cita requerida ]
El SSV-33 Ural (en ruso: ССВ-33 Урал ; nombre de la OTAN : Kapusta [ en ruso : " repollo "]) fue un buque de mando y control operado por la Armada Soviética . El casco del SSV-33 se derivaba del de los cruceros de batalla de clase Kirov con propulsión nuclear marina. [29] El SSV-33 sirvió en funciones de inteligencia electrónica , seguimiento de misiles, seguimiento espacial y retransmisión de comunicaciones. Debido a los altos costos operativos, el SSV-33 fue puesto fuera de servicio. [29]
El SSV-33 llevaba únicamente armas defensivas ligeras, entre ellas dos cañones AK-176 de 76 mm, cuatro cañones AK-630 de 30 mm y cuatro montajes cuádruples de misiles Igla. [ cita requerida ]
El Poseidón ( en ruso : Посейдон , « Poseidón », nombre de informe de la OTAN Kanyon ), anteriormente conocido por el nombre en clave ruso Status-6 ( en ruso : Статус-6 ), es un vehículo submarino no tripulado de propulsión y armamento nuclear en desarrollo por Rubin Design Bureau , capaz de transportar cargas convencionales y nucleares . Según la televisión estatal rusa, es capaz de lanzar una bomba termonuclear de cobalto de hasta 200 megatones (cuatro veces más potente que el dispositivo más poderoso jamás detonado, la Bomba del Zar , y el doble de su rendimiento teórico máximo) contra puertos navales y ciudades costeras del enemigo. [30]
A continuación se enumeran los buques que son o fueron de uso comercial o civil y que cuentan con propulsión marina nuclear.
Los buques mercantes civiles de propulsión nuclear no se han desarrollado más allá de unos pocos barcos experimentales. El NS Savannah , construido en Estados Unidos y terminado en 1962, fue principalmente una demostración de energía nuclear civil y era demasiado pequeño y costoso para operar económicamente como un buque mercante. El diseño era demasiado comprometido, ya que no era ni un carguero eficiente ni un transatlántico de pasajeros viable. El Otto Hahn , construido en Alemania y terminado en 1968, un buque de carga y centro de investigación, navegó unas 650.000 millas náuticas (1.200.000 km) en 126 viajes durante 10 años sin ningún problema técnico. [ cita requerida ] Resultó demasiado costoso de operar y se convirtió a diésel. El Mutsu japonés , terminado en 1972, estuvo plagado de problemas técnicos y políticos. Su reactor tenía una importante fuga de radiación y los pescadores protestaron contra el funcionamiento del buque. Todos estos tres barcos usaban uranio poco enriquecido. El Sevmorput , un portaaviones LASH soviético y luego ruso con capacidad para romper el hielo, ha operado con éxito en la Ruta del Mar del Norte desde que se puso en servicio en 1988. A partir de 2021 [actualizar], es el único buque mercante de propulsión nuclear en servicio. [ cita requerida ]
Los buques nucleares civiles sufren los costos de una infraestructura especializada. El Savannah era costoso de operar, ya que era el único buque que utilizaba personal especializado en tierra y sus instalaciones de mantenimiento. Una flota más grande podría compartir los costos fijos entre más buques operativos, lo que reduciría los costos operativos.
A pesar de ello, sigue habiendo interés en la propulsión nuclear. En noviembre de 2010, British Maritime Technology y Lloyd's Register iniciaron un estudio de dos años con la empresa estadounidense Hyperion Power Generation (ahora Gen4 Energy ) y el operador naviero griego Enterprises Shipping and Trading SA para investigar las aplicaciones marítimas prácticas de los reactores modulares pequeños. La investigación pretendía producir un diseño conceptual de buque cisterna, basado en un reactor de 70 MWt como el de Hyperion. En respuesta al interés de sus miembros en la propulsión nuclear, Lloyd's Register también ha reescrito sus "reglas" para los buques nucleares, que se refieren a la integración de un reactor certificado por un regulador terrestre con el resto del buque. La lógica general del proceso de elaboración de normas supone que, a diferencia de la práctica actual de la industria marítima, en la que el diseñador/constructor suele demostrar el cumplimiento de los requisitos reglamentarios, en el futuro los reguladores nucleares desearán asegurarse de que sea el operador de la planta nuclear el que demuestre la seguridad en la operación, además de la seguridad a través del diseño y la construcción. Los buques nucleares son actualmente responsabilidad de sus propios países, pero ninguno está involucrado en el comercio internacional. Como resultado de este trabajo en 2014, Lloyd's Register y los demás miembros de este consorcio publicaron dos artículos sobre propulsión nuclear marina comercial. [10] [11] Estas publicaciones revisan el trabajo pasado y reciente en el área de propulsión nuclear marina y describen un estudio de diseño conceptual preliminar para un petrolero Suezmax de 155.000 DWT que se basa en una forma de casco convencional con disposiciones alternativas para acomodar una planta de propulsión nuclear de 70 MWt que entrega hasta 23,5 MW de potencia en el eje a máxima potencia continua (promedio: 9,75 MW). Se considera el módulo de energía Gen4Energy. Este es un pequeño reactor de neutrones rápidos que utiliza refrigeración eutéctica de plomo-bismuto y capaz de operar durante diez años a plena potencia antes de reabastecerse de combustible, y en servicio durante una vida útil de 25 años del buque. Concluyen que el concepto es factible, pero que sería necesaria una mayor madurez de la tecnología nuclear y el desarrollo y armonización del marco regulatorio antes de que el concepto sea viable. [ cita requerida ]
La propulsión nuclear ha sido propuesta nuevamente en el marco de la descarbonización del transporte marítimo, que representa entre el 3 y el 4 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. [31]
El 5 de diciembre de 2023, el Astillero Jiangnan , de la Corporación Estatal de Construcción Naval de China, lanzó oficialmente un diseño de un buque portacontenedores de clase 24000 TEU , conocido como KUN-24AP, en Marintec China 2023, una importante exposición de la industria marítima celebrada en Shanghái . Se informa que el buque portacontenedores está propulsado por un reactor de sal fundida a base de torio , lo que lo convierte en el primer buque portacontenedores propulsado por torio y, si se completa, en el buque portacontenedores de propulsión nuclear más grande del mundo. [32]
La propulsión nuclear ha demostrado ser técnica y económicamente viable para los rompehielos de propulsión nuclear en el Ártico soviético y, más tarde , ruso . Los barcos de propulsión nuclear funcionan durante años sin reabastecimiento y tienen motores potentes, muy adecuados para la tarea de romper el hielo. [ cita requerida ]
El rompehielos soviético Lenin fue el primer buque de superficie del mundo propulsado por energía nuclear en 1959 y permaneció en servicio durante 30 años (se le instalaron nuevos reactores en 1970). Dio origen a una serie de rompehielos más grandes, la clase Arktika de 23.500 toneladas compuesta por seis buques, botados a principios de 1975. Estos buques tienen dos reactores y se utilizan en aguas profundas del Ártico. El NS Arktika fue el primer buque de superficie en llegar al Polo Norte . [ cita requerida ]
Para su uso en aguas poco profundas, como estuarios y ríos, se construyeron en Finlandia rompehielos de poco calado, de clase Taymyr , que luego se equiparon con su sistema de propulsión nuclear de un solo reactor en Rusia . Se construyeron para cumplir con las normas de seguridad internacionales para buques nucleares. [33]
Todos los rompehielos de propulsión nuclear han sido encargados por la Unión Soviética o Rusia. [ cita requerida ]