La propulsión marina nuclear 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 un pequeño número de buques nucleares civiles experimentales. [1]
En comparación con los barcos que funcionan con petróleo o carbón, la propulsión nuclear ofrece la ventaja de intervalos de funcionamiento muy largos antes del reabastecimiento de combustible. Todo el combustible está contenido dentro del reactor nuclear, por lo que el combustible no ocupa espacio de carga o suministros, ni espacio para las chimeneas de escape o las tomas de aire de combustión. [2] Sin embargo, el bajo costo del combustible se ve compensado por los altos costos operativos y la inversión en infraestructura, por lo que casi todos los buques de propulsión nuclear son militares. [2]
La mayoría de los reactores nucleares navales son del tipo de agua a presión , con excepción de unos pocos [ cuantificar ] intentos [ ¿de quién? ] en el uso de reactores refrigerados por sodio líquido. [2] Un circuito primario de agua transfiere el calor generado por la fisión nuclear en el combustible a un generador de vapor ; esta agua se mantiene a 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 queda 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 necesaria ]
El agua caliente del reactor calienta un circuito de agua independiente 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 a través de un condensador enfriado por agua de mar y regresa 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 recuperar con agua de mar desalinizada añadida 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 paletas guía fijas. 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 de la embarcación. En otra forma de sistema de propulsión, la turbina hace girar un generador eléctrico y la energía eléctrica producida se alimenta a uno o más motores de propulsión para las hélices del barco. Las armadas rusa , estadounidense y británica dependen de la propulsión directa por turbina de vapor, mientras que los barcos franceses y chinos utilizan la turbina para generar electricidad para la propulsión ( transmisión turboeléctrica ). [ cita necesaria ]
Algunos submarinos nucleares tienen un solo reactor, pero los submarinos rusos tienen dos, al igual que el USS Triton . La mayoría de los portaaviones estadounidenses funcionan con dos reactores, pero el USS Enterprise tenía ocho. La mayoría de los reactores marinos son del tipo de agua a presión , aunque las armadas estadounidense y soviética han diseñado buques de guerra propulsados con reactores refrigerados por metal líquido . [ cita necesaria ]
Los reactores de tipo marino se diferencian de los reactores comerciales de energía eléctrica terrestres en varios aspectos. [ cita necesaria ]
Mientras que los reactores terrestres de las centrales nucleares producen hasta unos 1.600 megavatios de energía eléctrica neta (la capacidad nominal del EPR ), un reactor de propulsión marino típico no produce más que unos pocos cientos de megavatios. Algunos reactores modulares pequeños (SMR) son similares a los reactores de propulsión marina en cuanto a capacidad y algunas consideraciones de diseño, por lo que 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 Estación de Generación Nuclear Bruce , en el mar, los estrechos límites de espacio dictan que un reactor marino debe ser físicamente pequeño, por lo que debe generar mayor potencia por unidad de espacio. Esto significa que sus componentes están sujetos a tensiones mayores que las de un reactor terrestre. Sus sistemas mecánicos deben funcionar sin problemas en las condiciones adversas que se encuentran en el mar, incluidas las vibraciones y el cabeceo y balanceo de un barco que navega en mares agitados. Los mecanismos de parada de los reactores no pueden depender de la gravedad para colocar 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 necesaria ]
Como el núcleo de un reactor marítimo es mucho más pequeño que el de 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 concentración más alta de 235 U frente a 238 U) que el utilizado en una central nuclear terrestre, lo que aumenta la probabilidad de fisión hasta el nivel en el que se produce una reacción sostenida. puede ocurrir. 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 un 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 tiene un funcionamiento más silencioso (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 caro 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, y requiera 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 combustibles para un reactor nuclear marítimo es la creación de elementos combustibles que resistan una gran cantidad de daños por radiación. Los elementos combustibles pueden agrietarse con el tiempo y formarse burbujas de gas. El combustible utilizado en los reactores marinos es una aleación de metal y circonio en lugar del UO 2 cerámico ( dióxido de uranio ) que suele utilizarse 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 quemable " en los elementos combustibles, que se agota lentamente a medida que los elementos combustibles 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 combustibles envejecidos, extendiendo así la vida útil del combustible. La compacta vasija de presión del reactor está provista de un escudo de neutrones interno , que reduce el daño al acero debido al constante bombardeo de neutrones. [ cita necesaria ]
El desmantelamiento de submarinos de propulsión nuclear se ha convertido en una tarea importante para las armadas estadounidense y rusa. Después de la descarga de combustible, la práctica estadounidense es cortar la sección del reactor de la vasija para su eliminación en un entierro en tierra poco profunda como desechos de bajo nivel (ver el programa de reciclaje de barcos y submarinos ). En Rusia, buques enteros, o secciones selladas de reactores, suelen permanecer almacenados a flote, aunque una nueva instalación cerca de la Bahía de Sayda proporcionará almacenamiento en una instalación con piso de concreto en tierra para algunos submarinos en el extremo norte. [ cita necesaria ]
Rusia construyó una central nuclear flotante para sus territorios del Lejano Oriente. El diseño cuenta con dos unidades de 35 MWe basadas en el reactor KLT-40 utilizado en los rompehielos (con repostaje 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 necesaria ]
En 2010, Lloyd's Register estaba investigando la posibilidad de una propulsión marina nuclear civil y reescribiendo proyectos de reglas (ver texto en Buques Mercantes ). [7] [8] [9]
El seguro de los buques nucleares no es como el seguro de los buques convencionales. Las consecuencias de un accidente podrían traspasar las fronteras nacionales y la magnitud de los posibles daños está más allá de la capacidad de las aseguradoras privadas. [10] Un acuerdo internacional especial, el Convenio de Bruselas sobre la responsabilidad de los operadores de buques nucleares , desarrollado en 1962, habría responsabilizado a los gobiernos nacionales signatarios por los accidentes causados por buques nucleares bajo su bandera [11] pero nunca fue ratificado debido a desacuerdos sobre la inclusión de buques de guerra en la convención. [12] Los reactores nucleares bajo jurisdicción de los Estados Unidos están asegurados por las disposiciones de la Ley Price-Anderson . [ cita necesaria ]
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En 1990, había más reactores nucleares alimentando barcos (en su mayoría militares) que generando energía eléctrica en centrales eléctricas comerciales en todo el mundo. [13]
Bajo la dirección del Capitán de la Marina de los EE. UU. (más tarde Almirante) Hyman G. Rickover , [14] el diseño, desarrollo y producción de plantas de propulsión marina nuclear comenzaron 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 de 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"). [15]
La Unión Soviética también desarrolló submarinos nucleares. Los primeros tipos desarrollados fueron el Proyecto 627, clase Noviembre designada por la OTAN con dos reactores refrigerados por agua, el primero de los cuales, K-3 Leninsky Komsomol , estaba en funcionamiento con energía nuclear en 1958. [16]
La energía nuclear revolucionó el submarino, convirtiéndolo finalmente en un verdadero buque "subacuático", en lugar de una embarcación "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 demostrarlo, el USS Triton fue el primer buque en ejecutar una circunnavegación sumergida de la Tierra ( Operación Sandblast ), y lo hizo en 1960. [17]
El Nautilus , con un reactor de agua a presión (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 un solo reactor. reactores, y un crucero, el USS Long Beach , en 1961, propulsado por dos reactores. [ cita necesaria ]
En 1962, la Armada de los Estados Unidos tenía 26 submarinos nucleares operativos y otros 30 en construcción. La energía nuclear había revolucionado la Armada. Estados Unidos compartió su tecnología con el Reino Unido , mientras que el desarrollo francés , soviético , indio y chino se desarrolló por separado. [ cita necesaria ]
Después de los buques de 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 los submarinos de la Royal Navy y finalmente desarrolló una versión modificada propia, el PWR2 . [ cita necesaria ]
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 clase Rubis , de 2.700 toneladas . La Marina de los EE. UU. 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 necesaria ]
Estados Unidos y Francia han construido portaaviones nucleares .
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El único ejemplo de portaaviones nuclear francés es el Charles de Gaulle , puesto en servicio en 2001 (está previsto un sucesor). [18]
El portaaviones francés está equipado con catapultas y pararrayos . El Charles de Gaulle tiene 42.000 toneladas, es el buque insignia de la Armada francesa (Marine Nationale). El barco lleva un complemento 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 . [19]
La Armada de los Estados Unidos opera 11 portaaviones, todos de propulsión nuclear: [20]
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 más grandes y pesados (es decir, no son portaaviones ni anfibios) . buque de asalto ) en funcionamiento en el mundo. Entre los buques de guerra modernos, ocupan el segundo lugar en tamaño después de los grandes portaaviones , y son de tamaño similar a los acorazados de la época de la Segunda Guerra Mundial . La clasificación soviética del tipo de barco es "crucero de misiles guiados de propulsión nuclear pesada" ( ruso : тяжёлый атомный ракетный крейсер ). Los comentaristas de defensa occidentales a menudo se refieren a estos barcos como cruceros de batalla debido a su tamaño y apariencia general. [22]
La Armada de los Estados Unidos alguna vez tuvo cruceros de propulsión nuclear como parte de su flota. El primer barco de este tipo fue el USS Long Beach (CGN-9) . Encargado en 1961, fue el primer combatiente de superficie de propulsión nuclear del mundo . [23] Le siguió un año después el USS Bainbridge (DLGN-25) . Mientras que Long Beach fue diseñado y construido como un crucero, [24] Bainbridge comenzó su vida como una fragata , aunque en ese momento la Armada usaba el código de casco "DLGN" para " líder destructor , misil guiado , nuclear ". [25]
Los últimos cruceros de propulsión nuclear que producirían los estadounidenses serían la clase Virginia de cuatro barcos . El USS Virginia (CGN-38) fue encargado en 1976, seguido por el USS Texas (CGN-39) en 1977, el USS Mississippi (CGN-40) en 1978 y finalmente el USS Arkansas (CGN-41) en 1980. Al final, todos estos barcos resultó ser demasiado costoso de mantener [26] y todos fueron retirados entre 1993 y 1999. [ cita necesaria ]
SSV-33 Ural ( ССВ-33 Урал ; nombre de informe de la OTAN : Kapusta [ ruso para " col "]) era un buque de mando y control operado por la Armada Soviética . El casco del SSV-33 se deriva del de los cruceros de batalla clase Kirov de propulsión nuclear con propulsión marina nuclear. [27] 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 quedó inmovilizado. [27]
El SSV-33 sólo llevaba armas defensivas ligeras. Se trataba de dos cañones AK-176 de 76 mm, cuatro cañones AK-630 de 30 mm y cuatro montajes de misiles cuádruples Igla. [ cita necesaria ]
El Poseidón ( ruso : Посейдон , " Poseidón ", nombre de la OTAN Kanyon ), anteriormente conocido por el nombre en clave ruso Status-6 ( ruso : Статус-6 ), es un vehículo submarino no tripulado con armas nucleares y propulsión nuclear desarrollado por Rubin Design. Bureau , capaz de transportar cargas útiles tanto convencionales como 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 potente jamás detonado, la Tsar Bomba , y el doble de su rendimiento máximo teórico) contra puertos navales enemigos y ciudades costeras. [28]
Los siguientes son buques que son o fueron de uso comercial o civil y tienen propulsión marina nuclear.
Los buques mercantes civiles de propulsión nuclear no se han desarrollado más allá de unos pocos buques 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 barco mercante. El diseño suponía un compromiso excesivo, ya que no era ni un carguero eficiente ni un transatlántico de pasajeros viable. El Otto Hahn , de construcción alemana y terminado en 1968, un carguero e instalación de investigación, navegó unas 650.000 millas náuticas (1.200.000 km) en 126 viajes durante 10 años sin ningún problema técnico. [ cita necesaria ] Resultó demasiado caro de operar y se convirtió a diésel. El Mutsu japonés , terminado en 1972, se vio afectado por problemas técnicos y políticos. Su reactor sufrió importantes fugas de radiación y los pescadores protestaron contra el funcionamiento del buque. Estos tres barcos utilizaron uranio poco enriquecido. 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 su puesta en servicio en 1988. A partir de 2021 [actualizar], es el único buque mercante de propulsión nuclear en servicio. [ cita necesaria ]
Los buques nucleares civiles sufren los costos de la infraestructura especializada. El Savannah era costoso de operar ya que era el único buque que utilizaba su personal especializado en tierra nuclear y sus instalaciones de servicio. Una flota más grande podría compartir los costos fijos entre más buques operativos, reduciendo los costos operativos.
A pesar de ello, todavía hay interés en la propulsión nuclear. En noviembre de 2010, British Maritime Technology y Lloyd's Register se embarcaron en un estudio de dos años con Hyperion Power Generation, con sede en Estados Unidos (ahora Gen4 Energy ), y el operador de buques griego Enterprises Shipping and Trading SA para investigar las aplicaciones marítimas prácticas de pequeños reactores modulares. La investigación pretendía producir un concepto de diseño de buque cisterna, basado en un reactor de 70 MWt como el de Hyperion. En respuesta al interés de sus miembros por la propulsión nuclear, Lloyd's Register también ha reescrito sus "normas" para los buques nucleares, que se refieren a la integración de un reactor certificado por un regulador terrestre con el resto del buque. El fundamento general del proceso de elaboración de normas supone que, a diferencia de la práctica actual de la industria marina, en la que el diseñador/constructor suele demostrar el cumplimiento de los requisitos reglamentarios, en el futuro los reguladores nucleares querrán asegurarse de que sea el operador de la planta nuclear. que demuestre 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 participa 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 marina nuclear comercial. [8] [9] Estas publicaciones revisan trabajos pasados y recientes en el área de la 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 bomba nuclear de 70 MWt. Planta de propulsión que entrega hasta 23,5 MW de potencia en el eje a máxima potencia continua (promedio: 9,75 MW). Se considera el módulo de potencia Gen4Energy. Se trata de un pequeño reactor de neutrones rápidos que utiliza refrigeración eutéctica de plomo-bismuto y es capaz de funcionar durante diez años a plena potencia antes de repostar, y en servicio dura una vida operativa 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 necesaria ]
La propulsión nuclear se ha vuelto a proponer en la ola de descarbonización del transporte marítimo, que representa entre el 3% y el 4% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. [29]
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 Shanghai . Se informa que el buque portacontenedores funciona con un reactor de sales fundidas 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. [30]
La propulsión nuclear ha demostrado ser técnica y económicamente factible para los rompehielos de propulsión nuclear en el Ártico soviético y más tarde en el ruso . Los barcos de propulsión nuclear operan durante años sin repostar y tienen motores potentes, muy adecuados para la tarea de romper el hielo. [ cita necesaria ]
El rompehielos soviético Lenin fue el primer buque de superficie de propulsión nuclear del mundo en 1959 y permaneció en servicio durante 30 años (se instalaron nuevos reactores en 1970). Esto condujo a una serie de rompehielos más grandes, la clase Arktika de seis buques de 23.500 toneladas , lanzados a partir de 1975. Estos buques tienen dos reactores y se utilizan en aguas profundas del Ártico. NS Arktika fue el primer barco de superficie que alcanzó el Polo Norte . [ cita necesaria ]
Para su uso en aguas poco profundas, como estuarios y ríos, se construyeron en Finlandia rompehielos de poco calado clase Taymyr y luego se les equipó con su sistema de propulsión nuclear de un solo reactor en Rusia . Fueron construidos para cumplir con los estándares internacionales de seguridad para buques nucleares. [31]
Todos los rompehielos de propulsión nuclear han sido encargados por la Unión Soviética o Rusia. [ cita necesaria ]