propulsión marina nuclear

La propulsión nuclear marina consiste en la propulsión de un buque o submarino mediante el calor proporcionado por un reactor nuclear . La central eléctrica calienta agua para producir vapor que impulsa una turbina, la cual hace girar la hélice del buque a través de una caja de engranajes o mediante un generador y un motor eléctricos. La propulsión nuclear se utiliza principalmente en buques de guerra, como submarinos nucleares y superportaaviones . Se han construido algunos buques nucleares civiles experimentales. ^{[ 1 ]}

En comparación con los buques propulsados ​​por petróleo o carbón, la propulsión nuclear ofrece la ventaja de intervalos de operación muy prolongados antes de repostar. Todo el combustible se encuentra dentro del reactor nuclear, por lo que no ocupa espacio para carga ni suministros, ni tampoco para chimeneas de escape o tomas de aire de combustión. ^{[ 2 ]} Sin embargo, el bajo costo del combustible se ve contrarrestado 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 la excepción de algunos intentos de utilizar 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 opera 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.

El agua caliente del reactor calienta un circuito de agua independiente en el generador de vapor. Esta agua se convierte en vapor y pasa por secadores de vapor en su camino hacia la turbina de vapor . El vapor residual a baja presión pasa por un condensador enfriado con agua de mar y vuelve a su estado líquido. El agua se bombea de nuevo al generador de vapor y continúa el ciclo. Cualquier pérdida de agua durante el proceso puede compensarse añadiendo agua de mar desalinizada al agua de alimentación del generador de vapor. ^{[ 3 ]}

En la turbina, el vapor se expande y reduce su presión al transferir energía a las palas giratorias. Puede haber varias etapas de palas giratorias y álabes guía fijos. El eje de salida de la turbina puede conectarse a una caja de engranajes para reducir la velocidad de rotación, y luego un eje se conecta a las hélices del buque. En otro sistema de propulsión, la turbina acciona un generador eléctrico, y la energía eléctrica producida se alimenta a uno o más motores para las hélices del buque. Las armadas rusa , estadounidense y británica dependen de la propulsión directa mediante turbina de vapor, mientras que los buques franceses y chinos utilizan la turbina para generar electricidad para la propulsión ( transmisión turboeléctrica ).

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 de agua a presión , aunque las armadas de Estados Unidos y la Unión Soviética han diseñado buques de guerra propulsados ​​por reactores refrigerados por metal líquido .

Los reactores de tipo marino difieren de los reactores eléctricos comerciales terrestres en varios aspectos.

Mientras que los reactores terrestres en las centrales nucleares producen hasta unos 1600 megavatios de potencia eléctrica neta (la capacidad nominal del EPR ), un reactor típico de propulsión marina produce no más de 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, por lo que la propulsión nuclear marina (ya sea civil o militar) se propone a veces 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 Bruce , en el mar las limitaciones de espacio exigen que un reactor marino sea físicamente pequeño, por lo que debe generar mayor potencia 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 a la perfección en las condiciones adversas que se encuentran en el mar, incluyendo vibraciones y el cabeceo y balanceo de un barco que opera en mares agitados. Los mecanismos de parada del reactor no pueden depender de la gravedad para que las barras de control caigan a su lugar como en un reactor terrestre que siempre permanece en posición vertical. La corrosión por agua salada es un problema adicional que complica el mantenimiento.

Como el núcleo de un reactor naval es mucho más pequeño que el de un reactor de potencia, la probabilidad de que un neutrón colisione con un núcleo fisionable antes de escapar al blindaje es mucho menor. Por lo tanto, el combustible suele estar más enriquecido (es decir, contiene una mayor concentración de ^235U frente a ^238U ) que el utilizado en una central nuclear terrestre, lo que aumenta la probabilidad de fisión hasta el nivel en el que puede producirse una reacción sostenida. Algunos reactores marinos funcionan con uranio de enriquecimiento relativamente bajo , lo que requiere recargas más frecuentes. Otros funcionan con uranio altamente enriquecido , que varía desde un 20 % de ^235U hasta más del 96 % de ^235U que se encuentra en los submarinos estadounidenses , ^{[ 4 ]} en los que el núcleo resultante, más pequeño, 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 prolonga la vida útil de la carga de combustible nuclear, pero es más caro y supone un mayor riesgo de proliferación nuclear que el combustible menos enriquecido. ^{[ 6 ]}

Una planta de propulsión nuclear marina debe diseñarse para ser altamente fiable y autosuficiente, requiriendo un mantenimiento y reparaciones mínimos, que podrían tener que realizarse a miles de kilómetros de su puerto base. Una de las dificultades técnicas en el diseño de elementos combustibles para un reactor nuclear marítimo es la creación de elementos combustibles que soporten una gran cantidad de daño por radiación. Los elementos combustibles pueden agrietarse con el tiempo y pueden formarse burbujas de gas. El combustible utilizado en los reactores marinos es una aleación de metal- circonio en lugar del UO₂ (dióxido de uranio) cerámico _que se usa comúnmente en los reactores terrestres. Los reactores marinos están diseñados para una larga vida útil del núcleo, posible gracias al enriquecimiento relativamente alto del uranio y a la incorporación de un " veneno nuclear " en los elementos combustibles, que se agota lentamente a medida que estos envejecen y pierden reactividad. 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 vasija de presión compacta del reactor está provista de un blindaje interno contra neutrones , que reduce los daños al acero causados ​​por el bombardeo constante de neutrones .

El desmantelamiento de submarinos de propulsión nuclear se ha convertido en una tarea importante para las armadas de Estados Unidos y Rusia. ^{[ 7 ]} Después del vaciado del combustible, la práctica estadounidense es cortar la sección del reactor del buque para su eliminación en tierra poco profunda como residuo de baja actividad (véase el programa de reciclaje de buques y submarinos ). ^{[ 8 ]} En Rusia, los buques completos, o secciones selladas del reactor, generalmente permanecen 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.

Rusia construyó una central nuclear flotante para sus territorios del Extremo Oriente. El diseño incluye dos unidades de 35 MWe basadas en el reactor KLT-40, utilizado en rompehielos (con recarga de combustible cada cuatro años). Algunos buques de la armada rusa se han utilizado para suministrar electricidad para uso doméstico e industrial en poblaciones remotas del Extremo Oriente y Siberia.

En 2010, Lloyd's Register estaba investigando la posibilidad de la propulsión nuclear marítima civil y reescribiendo el borrador de las reglas (véase el texto en Buques mercantes ). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

El seguro de buques nucleares no es como el seguro de buques convencionales. Las consecuencias de un accidente podrían trascender fronteras nacionales, y la magnitud de los posibles daños está más allá de la capacidad de las aseguradoras privadas. ^{[ 12 ]} Un acuerdo internacional especial, el Convenio de Bruselas sobre la Responsabilidad de los Operadores de Buques Nucleares , desarrollado en 1962, habría hecho responsables a los gobiernos nacionales signatarios por los accidentes causados ​​por buques nucleares bajo su pabellón ^{[ 13 ]} pero nunca fue ratificado debido a un desacuerdo sobre la inclusión de 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 .

En 1990, había más reactores nucleares alimentando barcos (principalmente militares) que generando energía eléctrica en centrales eléctricas comerciales en todo el mundo. ^{[ 15 ]}

Bajo la dirección del capitán de la Armada de los Estados Unidos (más tarde almirante) Hyman G. Rickover , ^{[ 16 ]} 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 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) , zarpó en 1955 (SS era un símbolo tradicional de clasificación de cascos para submarinos estadounidenses, mientras que SSN designaba al primer submarino "nuclear"). ^{[ 17 ]}

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, el K-3 Leninsky Komsomol , navegaba con energía nuclear en 1958. ^{[ 18 ]}

La energía nuclear revolucionó el submarino, convirtiéndolo finalmente en un verdadero buque "submarino", en lugar de una embarcación "sumergible", que solo podía permanecer bajo el agua durante períodos limitados. Le otorgó 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 realizar una circunnavegación sumergida de la Tierra ( Operación Sandblast ), lográndolo en 1960. ^{[ 19 ]}

El Nautilus , con su reactor de agua a presión (PWR), propició el desarrollo paralelo de otros submarinos, como el USS  Seawolf , con su singular reactor refrigerado por metal líquido (sodio), o el Triton , con dos reactores , y posteriormente los submarinos de la clase Skate , propulsados ​​por un solo reactor, y el crucero USS  Long Beach , en 1961, propulsado por dos reactores.

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 compartió su tecnología con el Reino Unido , mientras que el desarrollo en Francia , la Unión Soviética , la India y China se llevó a cabo de forma independiente.

Tras 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 los submarinos de la Royal Navy , desarrollando finalmente una versión modificada propia, el PWR2 .

Los submarinos nucleares más grandes jamás construidos son los de la clase Typhoon rusa, de 26.500 toneladas . Los buques de guerra nucleares más pequeños hasta la fecha son los submarinos de ataque de la clase Rubis francesa, 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 sí el submarino de propulsión nuclear más pequeño, con 400 toneladas.

Estados Unidos y Francia han construido portaaviones nucleares .

El único ejemplo francés de portaaviones nuclear es el Charles de Gaulle , comisionado en 2001 ( se planea un sucesor ). ^{[ 20 ]}

El portaaviones francés está equipado con catapultas y sistemas de frenado . El Charles de Gaulle tiene 42.000 toneladas y es el buque insignia de la Armada francesa (Marine Nationale). El buque transporta 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 de propulsión nuclear: ^{[ 22 ]}

• USS  Enterprise : en servicio entre 1962 y 2012, propulsado por ocho reactores, sigue siendo el único portaaviones que alberga más de dos reactores nucleares, y cada reactor A2W reemplaza a una de las calderas convencionales de las construcciones anteriores. ^{[ 23 ]}
• Clase Nimitz : diez portaaviones de 101.000 toneladas y 333 metros de eslora, el primero de los cuales entró en servicio en 1975. Un portaaviones de la clase Nimitz está propulsado por dos reactores nucleares que suministran vapor a cuatro turbinas de vapor .
• Clase Gerald R. Ford , un portaaviones de 110 000 toneladas y 338 metros de eslora. El buque insignia de la clase, el Gerald R. Ford , entró en servicio en 2017, y hay otros nueve previstos.

La construcción del portaaviones soviético Ulyanovsk comenzó en 1988, pero se abandonó en 1991 tras la disolución de la Unión Soviética.

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 superficie más grandes y pesados ​​(es decir, no portaaviones , buques de asalto anfibio ni submarinos ) en operación en el mundo. Entre los buques de guerra modernos, son los segundos en tamaño solo superados por los grandes portaaviones , y de tamaño similar a los acorazados de la Segunda Guerra Mundial . La clasificación soviética de este tipo de buque 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 estos buques como cruceros de batalla debido a su tamaño y apariencia general. ^{[ 24 ]}

La Armada de los Estados Unidos tuvo en un tiempo cruceros de propulsión nuclear como parte de su flota. El primer buque de este tipo fue el USS Long Beach (CGN-9) . Puesto en servicio en 1961, fue el primer buque de combate de superficie de propulsión nuclear del mundo . ^{[ 25 ]} Le siguió un año después el USS Bainbridge (DLGN-25) . Mientras que el Long Beach fue diseñado y construido como crucero, ^{[ 26 ]} el Bainbridge comenzó su vida como 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 producirían los estadounidenses serían los cuatro buques 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, finalmente, el USS  Arkansas  (CGN-41) en 1980. En última instancia, el mantenimiento de todos estos buques resultó demasiado costoso ^{[ 28 ]} y fueron retirados del servicio entre 1993 y 1999.

El SSV-33 Ural ( ССВ-33 Урал ; nombre de informe de la OTAN : Kapusta [que significa " col " en ruso ]) fue un buque de mando y control naval operado por la Armada Soviética . El casco del SSV-33 derivaba del de los cruceros de batalla de la clase Kirov , propulsados ​​con energía nuclear marina. ^{[ 29 ]} El SSV-33 desempeñó funciones de inteligencia electrónica , seguimiento de misiles, seguimiento espacial y retransmisión de comunicaciones. Debido a sus elevados costes operativos, el SSV-33 fue dado de baja. ^{[ 29 ]}

El SSV-33 solo portaba armamento defensivo ligero. Este consistía en dos cañones AK-176 de 76 mm, cuatro cañones AK-630 de 30 mm y cuatro lanzadores cuádruples de misiles Igla.

El Poseidón ( en ruso : Посейдон , « Poseidón », nombre en clave de la OTAN: Kanyon ), conocido anteriormente por el nombre en clave ruso Status-6 ( en ruso : Статус-6 ), es un vehículo submarino no tripulado, propulsado y armado con armas nucleares, en desarrollo por la Oficina de Diseño Rubin , capaz de transportar cargas útiles tanto convencionales como nucleares . Según la televisión estatal rusa, puede lanzar una bomba termonuclear de cobalto de hasta 200 megatones (cuatro veces más potente que el dispositivo más potente jamás detonado, la Bomba del Zar , y el doble de su potencia teórica máxima) contra puertos navales y ciudades costeras enemigas. ^{[ 30 ]}

A continuación se enumeran buques que se utilizan o se utilizaron con fines comerciales o civiles y que cuentan con propulsión nuclear marina.

Los buques mercantes civiles de propulsión nuclear no han evolucionado 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 resultó demasiado pequeño y caro para operar económicamente como buque mercante. Su diseño era demasiado prolijo, ya que no era ni un carguero eficiente ni un transatlántico viable. El Otto Hahn , construido en Alemania , un buque de carga e instalación de investigación terminado en 1968, navegó unos 650.000 millas náuticas (1.200.000 km) en 126 viajes durante 10 años sin ningún problema técnico. Resultó demasiado caro de operar y se convirtió a diésel. El Mutsu japonés , terminado en 1972, estuvo plagado de problemas técnicos y políticos. Su reactor tenía una fuga de radiación significativa y los pescadores protestaron contra la operación del buque. Los tres buques utilizaron uranio poco enriquecido . El Sevmorput , un portaaviones LASH soviético y posteriormente ruso con capacidad para romper el hielo, ha operado con éxito en la Ruta Marítima del Norte desde su puesta en servicio en 1988. A fecha de 2021, es el único buque mercante de propulsión nuclear en servicio.

Los buques nucleares civiles sufren los costes de la infraestructura especializada. El Savannah era caro de operar, ya que era el único buque que utilizaba su personal especializado en tierra y sus instalaciones de mantenimiento nuclear. Una flota más grande podría compartir los costes fijos entre más buques operativos, reduciendo así los costes de operación.

A pesar de ello, persiste el interés por 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 pequeños reactores modulares. La investigación tenía como objetivo desarrollar un diseño conceptual de buque tanque, 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 revisado su normativa para buques nucleares, que se refiere a la integración de un reactor certificado por un organismo regulador terrestre con el resto del buque. La lógica general del proceso de elaboración de normas parte de la premisa de que, a diferencia de la práctica actual en la industria marítima, donde el diseñador/constructor suele demostrar el cumplimiento de los requisitos reglamentarios, en el futuro los reguladores nucleares querrán garantizar que sea el operador de la planta nuclear quien demuestre la seguridad en la operación, además de la seguridad en el diseño y la construcción. Actualmente, los buques nucleares son responsabilidad de sus respectivos 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 nuclear marina comercial. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Estas publicaciones revisan trabajos pasados ​​y recientes en el área de propulsión nuclear marina y describen un estudio de diseño conceptual preliminar para un buque tanque Suezmax de 155 000  TPM que se basa en una forma de casco convencional con disposiciones alternativas para alojar una planta de propulsión nuclear de 70 MWt que entrega hasta 23,5 MW de potencia de eje a la potencia nominal continua máxima (promedio: 9,75 MW). Se considera el módulo de potencia Gen4Energy. Este es un pequeño reactor de neutrones rápidos que utiliza refrigeración eutéctica de plomo-bismuto y puede operar durante diez años a plena potencia antes de recargar combustible, y en servicio dura una vida útil 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.

La propulsión nuclear se ha propuesto nuevamente en la ola de descarbonización del transporte marítimo, que representa entre el 3 y el 4 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero. ^{[ 31 ]}

• USNS American Explorer ; buque tanque estadounidense, convertido a propulsión convencional durante su construcción.
• Mutsu , Japón (1970–1992); nunca transportó carga comercial, fue reconstruido como RV Mirai con motor diésel en 1996.
• Otto Hahn , Alemania (1968–1979); se le instaló un motor diésel en 1979.
• NS  Savannah , Estados Unidos (1962–1972)
• Sevmorput , Rusia (1988-presente), buque de transporte de gabarras de propulsión nuclear reforzadas para hielo(LASH)

En diciembre de 2023, el astillero Jiangnan, perteneciente a la Corporación Estatal de Construcción Naval de China, presentó oficialmente el diseño de un  buque portacontenedores de 24 000 TEU —conocido como KUN-24AP— en Marintec China 2023, una importante feria de la industria marítima celebrada en Shanghái . Se informó que el buque portacontenedores estaría propulsado por un reactor de sales fundidas a base de torio , lo que lo convertiría en el primer buque portacontenedores propulsado por torio y, de completarse, en el mayor buque portacontenedores de propulsión nuclear del mundo. ^{[ 32 ]} A modo de comparación, a partir de 2025, los mayores buques portacontenedores pueden transportar 24 346 TEU.

La propulsión nuclear ha demostrado ser técnica y económicamente viable para los rompehielos nucleares en el Ártico soviético y, posteriormente , ruso . Los buques de combustible nuclear operan durante años sin necesidad de repostar, y cuentan con potentes motores, idóneos para la tarea de romper el hielo.

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 le instalaron nuevos reactores en 1970). Dio lugar a una serie de rompehielos más grandes, la clase Arktika de 23.500 toneladas , compuesta por seis buques, botados a partir de 1975. Estos buques cuentan con dos reactores y se utilizan en aguas profundas del Ártico. El NS Arktika fue el primer buque de superficie en llegar al Polo Norte . ^{[ 33 ]}

Para su uso en aguas poco profundas, como estuarios y ríos, se construyeron en Finlandia rompehielos de la clase Taymyr de bajo calado, que posteriormente fueron equipados con su sistema de propulsión nuclear de reactor único en Rusia . Su construcción se realizó de conformidad con las normas internacionales de seguridad para buques nucleares. ^{[ 34 ]}

Todos los rompehielos de propulsión nuclear han sido encargados por la Unión Soviética o Rusia.

• Lenin (1959–1989; buque museo)
• Arktika (1975-2008; fuera de servicio)
• Sibir (1977–1992; desmantelado)
• Rossiya (1985–2013; desmantelada)
• Taymyr (1989-presente)
• Sovetskiy Soyuz (1989-2014; fuera de servicio)
• Vaygach (1990-presente)
• Yamal (1992–presente)
• 50 Let Pobedy (2007-presente)
• Arktika (2020-presente) ^{[ 35 ]}
• Sibir (2021-presente)
• Urales (2022–presente) ^{[ 36 ]}
• Yakutiya (2024–presente)

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