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¿Cómo funcionan los submarinos nucleares? Un científico nuclear explica

Nuclear submarines

El gobierno australiano acaba de declarar un acuerdo de defensa histórico con los Estados Unidos y el Reino Unido que verá una nueva flota de submarinos de propulsión nuclear patrullar nuestras costas y aguas circundantes.

La investigación sobre la propulsión nuclear de embarcaciones marinas comenzó en la década de 1940 con los albores de la “era nuclear”. Desde entonces, solo seis naciones han poseído y operado submarinos nucleares: China, Francia, India, Rusia, Reino Unido y Estados Unidos.

Teniendo en cuenta que Australia acaba de romper un contrato de 90.000 millones de dólares australianos para construir un nuevo arsenal de submarinos convencionales, el anuncio de ayer probablemente sorprenderá a muchos.

Entonces, ¿qué tiene de “nuclear” un submarino nuclear? Lo primero que hay que decir es que un submarino de propulsión nuclear no es un arma nuclear.

En la superficie, se parecen a cualquier otro submarino. La diferencia clave radica en la forma en que se alimentan.

En los primeros días de la investigación atómica, los científicos se dieron cuenta rápidamente de que las enormes cantidades de energía liberadas al “dividir el átomo” se pueden aprovechar para generar electricidad. Los reactores nucleares dentro de las centrales eléctricas han estado alimentando hogares e industrias en todo el mundo durante 70 años. Del mismo modo, cada submarino nuclear extrae energía de su propio reactor nuclear en miniatura a bordo.

El primer ministro Scott Morrison anunció la nueva flota de submarinos como parte de un nuevo pacto de seguridad trilateral con el Reino Unido y Estados Unidos.

En el corazón de cada átomo hay un núcleo atómico, hecho de protones y neutrones. El número de protones define a qué elemento químico pertenece ese átomo; los núcleos con el mismo número de protones pero un número variable de neutrones se denominan isótopos de ese elemento.

Algunos núcleos muy pesados ​​son muy susceptibles a un proceso conocido como fisión nuclear, mediante el cual se dividen en dos núcleos más ligeros con una masa total menor que el núcleo original. El resto se convierte en energía.

La cantidad de energía liberada es inmensa, como podemos ver en la famosa ecuación de Einstein, E = mc², lo que nos dice que la energía es igual al cambio de masa multiplicado por el cuadrado de la velocidad de la luz.

Los reactores de un submarino de propulsión nuclear normalmente se alimentan con uranio. El uranio natural extraído del suelo consiste principalmente en un isótopo llamado uranio-238, mezclado con pequeñas cantidades (0,7%) del isótopo clave uranio-235.

Para que el reactor funcione, el combustible de uranio debe estar “enriquecido” para que contenga la proporción deseada de uranio-235. Para los submarinos, esto suele ser aproximadamente el 50%. El grado de enriquecimiento del combustible es un factor crucial para mantener una reacción en cadena que proporcione un nivel de producción de energía constante y seguro.

Dentro del reactor, el uranio-235 es bombardeado con neutrones, lo que hace que algunos de los núcleos sufran fisión nuclear. A su vez, se liberan más neutrones y el proceso continúa en la llamada “reacción en cadena nuclear”. La energía se emite en forma de calor, que se puede utilizar para impulsar turbinas que generan electricidad para el submarino.

¿Cuáles son los pros y los contras de volverse nuclear?

Una gran ventaja de los submarinos de propulsión nuclear es que no requieren repostaje. Cuando uno de ellos entre en servicio, se pondrá en servicio con suficiente combustible de uranio para durar más de 30 años.

La alta eficiencia de la energía nuclear también permite que estos submarinos operen a alta velocidad durante períodos más largos que los submarinos diesel-eléctricos convencionales. Además, a diferencia de la combustión de combustible convencional, las reacciones nucleares no requieren aire. Eso significa que los submarinos nucleares pueden permanecer sumergidos a grandes profundidades durante meses, lo que les brinda mejores capacidades de sigilo y permite despliegues más largos y remotos.

La desventaja es el costo deslumbrante. La construcción de cada submarino nuclear suele costar varios miles de millones de dólares y requiere una mano de obra altamente calificada con experiencia en ciencia nuclear. Con sus programas de capacitación dedicados ofrecidos por universidades de clase mundial y agencias gubernamentales, Australia está bien situada para satisfacer las crecientes demandas en este espacio, y también se beneficiará de la experiencia existente en el Reino Unido y los EE. UU. A través del nuevo pacto de seguridad trilateral.

En esta etapa, los detalles sobre dónde se obtendría el combustible no están claros. Si bien Australia tiene un amplio suministro de uranio en el suelo, carece de la capacidad para enriquecer o fabricar el combustible del reactor, que podría obtenerse del extranjero.

¿Qué pasará con el combustible gastado? La Comisión Real del Ciclo del Combustible Nuclear de 2015 encontró viabilidad comercial para las instalaciones de almacenamiento y eliminación de desechos radiactivos a largo plazo en Australia del Sur. Si esto ocurre, sin duda estará sujeto a deliberaciones a nivel del gobierno local y federal en los próximos años.

Conceptos erróneos populares

Lo diré de nuevo. Este no es un llamado de Australia para desplegar armas nucleares en nuestras aguas. Para que el uranio sea designado como “grado de armamento”, debe enriquecerse hasta en más del 90% de uranio-235; el combustible para un submarino de propulsión nuclear no se acerca.

En cualquier caso, Australia nunca ha producido un arma nuclear y es parte en tratados de no proliferación nuclear y regímenes internacionales de control de exportaciones, incluido el Tratado sobre la no proliferación de armas nucleares y la Iniciativa de no proliferación y desarme.

La ventaja táctica de los submarinos proviene de su sigilo y capacidad para localizar objetivos en secreto sin ser detectados.

Mantener la seguridad, tanto para la tripulación como para el entorno natural, es fundamental a bordo de cualquier barco marítimo. Películas de Hollywood como K19: The Widowmaker, en la que un submarino nuclear falla en su viaje inaugural, juegan con nuestras emociones y nuestro miedo instintivo a la radiación nuclear.

Pero los avances en los controles y procedimientos de seguridad modernos significan que, con suerte, los accidentes de reactores en submarinos ahora quedarán relegados al pasado.

Los resultados estratégicos y geopolíticos de esta decisión política aún están por verse. Pero una cosa ya está clara: la última aventura de política exterior de Australia es también una firme aceptación de la ciencia nuclear.

Por AJ Mitchell Becario de investigación de la Universidad Nacional de Australia.