Propulsión marina nuclear - Nuclear marine propulsion

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 naval se utiliza específicamente dentro de los buques de guerra navales como los supercarriers . Se ha construido un pequeño número de buques nucleares civiles experimentales.

En comparación con los barcos que funcionan con petróleo o carbón, la propulsión nuclear ofrece las ventajas de intervalos de operación muy largos antes de repostar. Todo el combustible está contenido dentro del reactor nuclear, por lo que el combustible no ocupa espacio de carga o suministros, ni las chimeneas de escape o las tomas de aire de combustión. Sin embargo, el bajo costo del combustible se compensa con los altos costos operativos y la inversión en infraestructura, por lo que casi todas las embarcaciones de propulsión nuclear son militares.

Cuando el Arktika clase 50 Let Pobedy de propulsión nuclear se puso en servicio en 2007, se convirtió en el rompehielos más grande del mundo .

Plantas de energía

Operación básica de buque de guerra o submarino

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. 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 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 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 por agua de mar y vuelve a su forma líquida. El agua se bombea de regreso al generador de vapor y continúa el ciclo. El agua perdida en el proceso se puede compensar con agua de mar desalada añadida al agua de alimentación del generador de vapor.

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 de guía fijas. El eje de salida de la turbina se puede conectar 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 de la embarcación. 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 ).

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 estadounidenses y soviéticas han diseñado buques de guerra propulsados por reactores refrigerados por metal líquido .

Diferencias con las centrales eléctricas terrestres

Los reactores de tipo marino se diferencian de los reactores de energía eléctrica comerciales terrestres en varios aspectos.

Mientras que los reactores terrestres de las centrales nucleares producen hasta alrededor de 1600 megavatios de energía eléctrica, un reactor de propulsión marino típico no produce más de unos pocos cientos de megavatios. Las consideraciones espaciales dictan que un reactor marino debe ser físicamente pequeño, por lo que debe generar una 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 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 parada del reactor 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 por agua salada es un problema adicional que complica el mantenimiento.

Un elemento de combustible nuclear para el carguero NS  Savannah . El elemento contiene cuatro haces de 41 barras de combustible. El óxido de uranio está enriquecido con un 4,2 y un 4,6 por ciento de U-235.

Como el núcleo de un reactor de alta mar 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 altamente enriquecido (es decir, contiene una concentración más alta de 235 U frente a 238 U) que la utilizada en una planta de energía nuclear terrestre, lo que aumenta la probabilidad de fisión al 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 el 20% 235 U hasta el 96% 235 U que se encuentra en los submarinos estadounidenses , en los que el núcleo más pequeño resultante es más silencioso en funcionamiento (una gran ventaja para un submarino). El uso de combustible más altamente 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 presenta un mayor riesgo de proliferación nuclear que el combustible menos enriquecido.

Una planta de propulsión nuclear marina debe diseñarse para ser altamente confiable y autosuficiente, requiriendo un mantenimiento y reparaciones mínimos, que podrían tener que realizarse a muchos miles de millas de su puerto de origen. Una de las dificultades técnicas en el diseño de elementos combustibles para un reactor nuclear en alta mar es la creación de elementos combustibles que resistirán una gran cantidad de daños 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 UO 2 cerámico ( dióxido de uranio ) que se utiliza a menudo en los reactores terrestres. Los reactores marinos están diseñados para una vida útil prolongada del núcleo, gracias al enriquecimiento relativamente alto de uranio y al incorporar un " veneno consumible " 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, alargando así la vida útil del combustible. La vida útil de la vasija de presión del reactor compacto se extiende al proporcionar un escudo de neutrones interno , que reduce el daño al acero por el bombardeo constante de neutrones.

Desmantelamiento

El desmantelamiento de los submarinos de propulsión nuclear se ha convertido en una tarea importante para las armadas de Estados Unidos y Rusia. Después del vaciado de combustible, la práctica estadounidense es cortar la sección del reactor de la vasija para su disposición en un entierro poco profundo como desechos de baja actividad (ver el programa de reciclaje de barcos y submarinos ). En Rusia, los recipientes enteros, o las secciones selladas del reactor, generalmente permanecen almacenadas 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.

Diseños futuros

Rusia construyó una planta de energía 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 rompehielos (con repostaje cada cuatro años). Algunos buques de la armada rusa se han utilizado para suministrar electricidad para uso doméstico e industrial en ciudades remotas del Lejano Oriente y Siberia.

En 2010, Lloyd's Register estaba investigando la posibilidad de propulsión marina nuclear civil y reescribiendo el borrador de las reglas (ver texto en Buques mercantes ).

Responsabilidad civil

El seguro de buques nucleares no es como el seguro de buques convencionales. Las consecuencias de un accidente podrían traspasar las fronteras nacionales y la magnitud de los posibles daños supera la capacidad de las aseguradoras privadas. Un acuerdo internacional especial, el Convenio de Bruselas sobre la responsabilidad de los explotadores de buques nucleares , desarrollado en 1962, habría hecho responsables a los gobiernos nacionales signatarios de los accidentes causados ​​por buques nucleares bajo su pabellón, pero nunca fue ratificado debido a un desacuerdo sobre la inclusión de buques de guerra en la Convención. Los reactores nucleares bajo jurisdicción de los Estados Unidos están asegurados por las disposiciones de la Ley Price-Anderson .

Buques nucleares militares

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.

USS  Nautilus en el puerto de Nueva York, 25 de agosto de 1958. Nautilus había completado recientemente un viaje polar bajo el hielo del Ártico.
El submarino francés de propulsión nuclear  Saphir regresa a Toulon , su puerto base , después de la Misión Héraclès .

Bajo la dirección del Capitán de la Armada de los Estados Unidos (más tarde Almirante) Hyman G. Rickover , 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 fue construido y probado en la Instalación de Reactores Navales en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores en Idaho (ahora llamado Laboratorio Nacional de Idaho ) en 1953.

Submarinos

El primer submarino nuclear , USS  Nautilus  (SSN-571) , se hizo a la mar en 1955 (SS era una designación tradicional para los submarinos estadounidenses, mientras que SSN denotaba el primer submarino "nuclear").

La Unión Soviética también desarrolló submarinos nucleares. Los primeros tipos desarrollados fueron el Proyecto 627, clase de noviembre designada por la OTAN con dos reactores refrigerados por agua, el primero de los cuales, K-3 Leninskiy Komsomol , estaba en marcha con energía nuclear en 1958.

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, por períodos ilimitados, dependiendo solo 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.

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 Triton , y luego los submarinos de la clase Skate , propulsados ​​por un solo reactores, y un crucero, USS  Long Beach , en 1961, propulsado por dos reactores.

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 procedió por separado.

Después de los buques 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 Royal Navy , y finalmente desarrolló una versión modificada de los suyos, el PWR-2 ( reactor de agua a presión ).

Los submarinos nucleares más grandes jamás construidos son la clase Typhoon ruso 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.

Portaaviones

Estados Unidos y Francia han construido portaaviones nucleares .

El portaaviones Charles de Gaulle de la Armada francesa
El portaaviones USS Nimitz de la Armada de los Estados Unidos
  • El único ejemplo de portaaviones nuclear francés es Charles de Gaulle , encargado en 2001 (está previsto un segundo portaaviones ).
  • La Marina de los Estados Unidos tiene una experiencia mucho más amplia. USS  Enterprise , en servicio 1962-2012, propulsado por ocho unidades de reactores, sigue siendo el único portaaviones que alberga más de dos reactores nucleares, y cada reactor A2W ocupa el lugar de una de las calderas convencionales en construcciones anteriores. Los buques estadounidenses recientes incluyen las clases Nimitz y sucesora Gerald R. Ford .

Armada francesa

La Armada francesa opera un portaaviones equipado con catapultas y pararrayos . El Charles de Gaulle es un portaaviones de propulsión nuclear de 42.000 toneladas, encargado en 2001 y 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 de combate , así como electrónica moderna y misiles Aster .

Marina de Estados Unidos

La Marina de los Estados Unidos opera 11 portaaviones, todos de propulsión nuclear:

  • Clase Nimitz : diez portaaviones de flota de 101.000 toneladas y 1.092 pies de eslora, el primero de los cuales se puso en servicio en 1975. Un portaaviones de la clase Nimitz funciona con dos reactores nucleares que suministran vapor a cuatro turbinas de vapor y tiene una longitud de 333 m (1.092 pies).
  • Clase Gerald R. Ford , un portaaviones de flota de 110,000 toneladas y 1,106 pies de largo. El líder de la clase Gerald R. Ford , entró en servicio en 2017, con otros nueve previstos.

Destructores y cruceros

Armada rusa

El buque insignia ruso Pyotr Veliky

La clase Kirov , denominación 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 un portaaviones o un buque de asalto anfibio). ) en funcionamiento 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 de misiles guiados de propulsión nuclear pesada" (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.

Marina de Estados Unidos

La Armada de los Estados Unidos en un momento tenía 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 . Un año después, fue seguida por el USS Bainbridge (DLGN-25) . Mientras que Long Beach fue diseñado y construido como un crucero, Bainbridge comenzó su vida como una fragata , aunque en ese momento la Armada estaba usando el código de casco "DLGN" para " líder destructor , misil guiado , nuclear ".

Los últimos cruceros de propulsión nuclear que producirían los estadounidenses serían la clase Virginia de cuatro barcos . El USS  Virginia  (CGN-38) se puso en servicio en 1976, seguido del 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, todos estos barcos resultó ser demasiado costoso de mantener y todos fueron retirados entre 1993 y 1999.

Otros barcos militares

Barcos de comunicación y mando

Buque de mando y comunicaciones SSV-33 Ural

El SSV-33 Ural ( ССВ-33 Урал ; nombre de informe de la OTAN : Kapusta [en ruso para " repollo "]) era un buque naval de mando y control operado por la Armada Soviética . SSV-33 ' s casco se deriva de la de los de propulsión nuclear Kirov battlecruisers -class con propulsión marina nuclear. SSV-33 sirvió en inteligencia electrónica , rastreo de misiles, rastreo espacial y funciones de retransmisión de comunicaciones. Debido a los altos costos operativos, el SSV-33 se instaló.

El SSV-33 solo 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 Igla cuádruples.

UUV de propulsión nuclear

El Poseidon (en ruso : Посейдон , " Poseidon ", 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 nuclear y armas nucleares que está siendo desarrollado por Rubin Design. Bureau , capaz de entregar cargas útiles tanto convencionales como nucleares . Según la televisión estatal rusa, es capaz de lanzar una bomba de cobalto termonuclear de hasta 200 megatoneladas (cuatro veces más potente que el dispositivo más poderoso jamás detonado, la Tsar Bomba , y el doble de su rendimiento teórico máximo) contra los puertos navales de un enemigo y ciudades costeras.

Buques nucleares civiles

Hombrera de ingeniero de Savannah

Los siguientes son barcos que son o estuvieron en uso comercial o civil y tienen propulsión marina nuclear.

Barcos mercantes

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 , 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 era demasiado comprometido, ya que no era un carguero eficiente ni un transatlántico de pasajeros viable. El Otto Hahn , un buque de carga e instalación de investigación de fabricación alemana , navegó unas 650.000 millas náuticas (1.200.000 km) en 126 viajes durante 10 años sin ningún problema técnico. Sin embargo, resultó demasiado caro de operar y se convirtió a diesel. El mutsu japonés se vio afectado por problemas técnicos y políticos. Su reactor tenía una fuga de radiación significativa y los pescadores protestaron contra el funcionamiento del buque. Todos 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 que se puso en servicio en 1988. A partir de 2021, es el único buque mercante de propulsión nuclear en servicio.

Los buques nucleares civiles sufren los costos de 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 esto, 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 (ahora Gen4 Energy ), con sede en EE. UU ., Y el operador naval griego Enterprises Shipping and Trading SA para investigar las aplicaciones marítimas prácticas para 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 en la propulsión nuclear, Lloyd's Register también ha reescrito sus 'reglas' para 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 asume 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 desearán asegurarse de que sea el operador de la planta nuclear. que demuestra 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 marina nuclear comercial. Estas publicaciones revisan el trabajo pasado y reciente en el área de la propulsión nuclear marina y describen un estudio de diseño de concepto preliminar para un petrolero Suezmax de 155,000  DWT que se basa en una forma de casco convencional con arreglos alternativos para acomodar una planta de propulsión nuclear de 70 MWt que entrega hasta 23.5 Potencia del eje de MW 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 puede funcionar durante diez años a plena potencia antes de repostar, y en servicio tiene una vida útil de 25 años del recipiente. Llegan a la conclusión de que el concepto es factible, pero que sería necesaria una mayor madurez de la tecnología nuclear y el desarrollo y armonización del marco reglamentario antes de que el concepto fuera viable.

La propulsión nuclear se ha propuesto nuevamente en la ola de descarbonización del transporte marítimo, que representa el 3-4% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.

Buques de carga mercante

  • Mutsu , Japón (1970-1992; nunca transportó carga comercial, reconstruido como RV Mirai con motor diéselen 1996)
  • Otto Hahn , Alemania (1968-1979; reacondicionado con motor diésel en 1979)
  • NS  Savannah , Estados Unidos (1962–1972)
  • Sevmorput , Rusia (1988-presente)

Rompehielos

La propulsión nuclear ha demostrado ser técnica y económicamente factible para los rompehielos de propulsión nuclear de la Unión Soviética , y más tarde Rusia , Ártico . Los barcos de combustible nuclear operan durante años sin repostar, y los barcos tienen motores potentes, muy adecuados 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 instalaron nuevos reactores en 1970). Condujo a una serie de rompehielos más grandes, la clase Arktika de seis buques de 23.500 toneladas , botados a partir de 1975. Estos buques tienen dos reactores y se utilizan en aguas árticas profundas. NS Arktika fue el primer buque de superficie en llegar al Polo Norte .

Para su uso en aguas poco profundas, como estuarios y ríos, se construyeron rompehielos de poca profundidad, de la clase Taymyr , en Finlandia y luego se equiparon con su sistema de propulsión nuclear de reactor único en Rusia . Fueron construidos para cumplir con las normas internacionales de seguridad para buques nucleares.

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

  • Lenin (1959-1989; barco museo)
  • Arktika (1975-2008; inactivo, dado de baja)
  • Sibir (1977-1992; descartado)
  • Rossiya (1985-2013; inactivo, dado de baja)
  • Yamal (1986-presente)
  • Taymyr (1989-presente)
  • Vaygach (1990-presente)
  • Sovetskiy Soyuz (1990-2014; dado de baja)
  • 50 Let Pobedy , anteriormente Ural (2007-presente)
  • Arktika (2020-presente)
  • Sibir (en construcción, está previsto que esté en servicio en 2021)
  • Ural (en construcción, está previsto que esté en servicio en 2022)

Ver también

Referencias

  • AFP, 11 de noviembre de 1998; en "Los submarinos nucleares proporcionan electricidad a la ciudad de Siberia", FBIS-SOV-98-315, 11 de noviembre de 1998.
  • ITAR-TASS, 11 de noviembre de 1998; en "Russian Nuclear Subs Supply Electricity to Town in Far East", FBIS-SOV-98-316, 12 de noviembre de 1998.
  • El plan de Harold Wilson BBC News story

enlaces externos