La propulsión nuclear

Barcos, submarinos y demás ingenios marítimos.

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La propulsión nuclear

Notapor minoru genda el Jue 19 Ene 2006 17:43

Como todos sabemos la propulsión nuclear fue y aún es usada para algunos buques de superficie pero principalmente fue aplicada a los submarinos el presente tópico pretende explicar de un modo superficial como funciona una planta propulsora de energía nuclear.
Vamos primero con un dibujo y una lista de componentes
Imagen

Descripción de marcas

1.- Barras de combustible (uranio U-235)
2.- Reactor nuclear
3.- Barras de control (metal inerte, boro, cadmio ó hafnio)
4.- Circuito primario (líquido moderador y refrigerante a elevada temperatura)
5.- Bomba de circulación
6.- Depósito presurizador
7.- Alimentación de líquido moderador y refrigerador
8.- Caldera ó intercambiador de calor
9.- Circuito secundario (vapor)
10.- Turbina y reductor de engranajes
11.- Condensador
12.- Circuito enfriador
13.- Entrada de agua de mar procedente del colector de las tomas de mar
14.- Salida de agua de mar
15.- Acoplamiento y embrague
16.- Motor eléctrico
17.- Colector y escobillas
18.- Conductores eléctricos hacia baterías y turbina auxiliar por cuadro eléctrico de control
19.- Eje intermedio
20.- Sujección del polin de la chumacera de empuje a la quilla
21.- Chumacera de empuje
22.- Eje de cola
23.- Hacia la hélice


La combustión dentro de un reactor nuclear (2) se produce por lo que se llama una reacción en cadena. El proceso comienza cuando dos cargas de combustible suman entre ambas lo que se llama masa crítica, como material fisionable se usa en el caso que nos ocupa uranio U-235 pero también se puede usar uranio U-233 o plutonio Pu-239. El combustible, que puede encontrarse en estado líquido es frecuente usarlo en estado sólido con forma de barras o varillas cilíndricas (1).
Dichas barras se introducen dentro del reactor en forma de red perfectamente estudiada, dejando espacio para introducir entre ellas el moderador (que actúa también como refrigerante) y los elementos de control (3) varillas de un metal inerte (hafnio, cadmio ó boro).
Los neutrones producidos por la fisión tienen una energía muy elevada lo que haría perderse un buen número de ellos que dejarían de producir nuevas fisiones y es por ello por lo que se emplea un moderador
La misión del moderador-refrigerador es reducir la energía de los neutrones para permitir que sean capturados más fácilmente por los núcleos fisionables dicho moderador-refrigerador debe tener una masa reducida utilizándose como tal el agua, agua pesada, grafito, berilo y óxido de berilio, por lo general en los submarinos nucleares es usada el agua.
Una vez comenzada la reacción en cadena se produce energía a una velocidad acelerada por lo cual se hace necesario regular el flujo de neutrones para mantener la producción de energía a un nivel equilibrado, para ello se emplean varillas de control (3) tal y como dijimos de un metal inerte elementos capacitados para capturar electrones. Cuando el reactor pasa a un estado altamente crítico las varillas de control absorben el exceso de neutrones y obligan al reactor a trabajar a energía constante. A medida que el exceso de combustible va experimentando fisión se retiran las varillas para reducir el número de neutrones absorbidos durante el proceso llega un momento en que las varillas no pueden ser sacadas más y entonces para que el reactor no pase a un estado crítico muy bajo se añade más materia fisionable y se comienza a repetir el ciclo.
Líquido refrigerante y moderador circulan por el circuito primario (4) gracias a la actuación de la bomba de circulación (5) a través de la caldera ó intercambiador de calor (8) dentro del cual se produce el vapor que a través del circuito secundario (9) mueve la turbina y los reductores (10) el vapor usado por la turbina sigue su camino de retorno hacia la caldera a través del condensador (11) tras ser enfriado por el haz de tubos (12). El depósito presurizado (6) mantiene una presión constante dentro del circuito primario (4) evitando que se produzcan burbujas y por tanto se desgasten de un modo anormal las varillas de uranio (1) por el efecto de cavitación.
El giro de la turbina impulsa a través del embrague (15) y por medio de los sucesivos ejes a la hélice que a su vez transmite el empuje al buque o submarino por medio de la chumacera de empuje (21) y la quilla y polin (20)
Si por cualquier circunstancia se requiere parar el reactor o la turbina principal la propulsión se lleva a cabo por medio del motor eléctrico (16) bien alimentado por las baterías en ambos casos o por medio de un generador eléctrico acoplado a una turbina auxiliar en el segundo caso (parada de la turbina principal)
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minoru genda
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Re: La propulsión nuclear

Notapor Weltkrieg el Mié 01 Dic 2010 2:12

Muy interesante tema, Minoru. Se que el tema es muy viejo, pero leyéndolo me surgió unas cuantas dudas.
1º: el liquido moderador. Por lo que entendi, este liquido es el que transporta el calor del reactor (la energia) hacia un intercambiador donde la transmite a un deposito de agua, en donde se genera vapor. Mi duda es: Si este moderador es agua, ¿Como se logra que vuelva vapor al otro deposito, si el mismo liquido siquiera llega a ese estado?¿ La temperatura del reactor nunca sobrepasa los 100º C?
2º: el deposito presurizado. Por lo que entiendo, solo mantiene la presión del circuito primario igual siempre. ¿No es un "recargador" de liquido moderador, no?
3º: el agua utilizado en los 3 circuitos. En el primario es el liquido moderador (bastante especial, por la radiactividad), ¿El del circuito secundario es agua llevada en un deposito por el submarino?¿ O se recarga con agua de mar previo tratamiento en el submarino?. En el tercer circuito (el refrigerante) si es agua de mar.
Si por ahí son preguntas muy básicas, recuerden que soy un novato con estas cosas. :-&

Saludos
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Re: La propulsión nuclear

Notapor LSanzSal el Mié 01 Dic 2010 21:17

El agua del circuito primario se mantiene a presión muy elevada, por lo que permanece líquida a temperatura muy superior a los 100 grados. Minoru sabe mucho más de esto, pero la temperatura de estos circuitos puede alcanzar, en los reactores de alta presión (bastante delicados de manejar), más de 500 grados, aunque en la mayoría de los reactores la temperatura del circuito primario ronda los 300 grados. En el circuito secundario la presión es menor por lo que hierve a menor temperatura produciendo el vapor.

A mayor temperatura del primario el sistema resulta más eficiente (termodinámicamente), lo que permite diseñar equipos que a igual potencia tienen menor peso y volumen. Pero esos equipos de alta presión resultan muy delicados y, por lo que sé, no se emplean en buques.

Otra alternativa, mucho menos usada, es que el refrigerante del circuito primario no sea agua sino metal: sodio, con una temperatura de fusión baja, y que por tener una temperatura de ebullición muy elevada no requiere tanta presurización. Pero estos reactores tienen problemas de otro tipo muy graves, por lo que se han abandonado. Algún submarino nuclear norteamericano experimental llevó plantas de este tipo, y se usaron en los submarinos soviéticos clase Alfa.

El agua del secundario, por lo que sé, es agua dulce. Si fuese agua salada daría problemas enormes (al precipitar la sal disuelta en el intercambiador de calor).

Saludos
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Re: La propulsión nuclear

Notapor Weltkrieg el Jue 02 Dic 2010 18:19

El agua del secundario, por lo que sé, es agua dulce. Si fuese agua salada daría problemas enormes (al precipitar la sal disuelta en el intercambiador de calor).


Muchas gracias por tus respuestas LSanzSal. Me imagine que la sal arruinaría el sistema, pero quería saber si no hay algún dispositivo desalinizador a bordo de estos buques.

Saludos :Bravo
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Re: La propulsión nuclear

Notapor minoru genda el Vie 01 Jun 2018 12:16

minoru genda escribió:Como todos sabemos la propulsión nuclear fue y aún es usada para algunos buques de superficie pero principalmente fue aplicada a los submarinos el presente tópico pretende explicar de un modo superficial como funciona una planta propulsora de energía nuclear.
Vamos primero con un dibujo y una lista de componentes
Imagen

Descripción de marcas

1.- Barras de combustible (uranio U-235)
2.- Reactor nuclear
3.- Barras de control (metal inerte, boro, cadmio ó hafnio)
4.- Circuito primario (líquido moderador y refrigerante a elevada temperatura)
5.- Bomba de circulación
6.- Depósito presurizador
7.- Alimentación de líquido moderador y refrigerador
8.- Caldera ó intercambiador de calor
9.- Circuito secundario (vapor)
10.- Turbina y reductor de engranajes
11.- Condensador
12.- Circuito enfriador
13.- Entrada de agua de mar procedente del colector de las tomas de mar
14.- Salida de agua de mar
15.- Acoplamiento y embrague
16.- Motor eléctrico
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18.- Conductores eléctricos hacia baterías y turbina auxiliar por cuadro eléctrico de control
19.- Eje intermedio
20.- Sujección del polin de la chumacera de empuje a la quilla
21.- Chumacera de empuje
22.- Eje de cola
23.- Hacia la hélice


La combustión dentro de un reactor nuclear (2) se produce por lo que se llama una reacción en cadena. El proceso comienza cuando dos cargas de combustible suman entre ambas lo que se llama masa crítica, como material fisionable se usa en el caso que nos ocupa uranio U-235 pero también se puede usar uranio U-233 o plutonio Pu-239. El combustible, que puede encontrarse en estado líquido es frecuente usarlo en estado sólido con forma de barras o varillas cilíndricas (1).
Dichas barras se introducen dentro del reactor en forma de red perfectamente estudiada, dejando espacio para introducir entre ellas el moderador (que actúa también como refrigerante) y los elementos de control (3) varillas de un metal inerte (hafnio, cadmio ó boro).
Los neutrones producidos por la fisión tienen una energía muy elevada lo que haría perderse un buen número de ellos que dejarían de producir nuevas fisiones y es por ello por lo que se emplea un moderador
La misión del moderador-refrigerador es reducir la energía de los neutrones para permitir que sean capturados más fácilmente por los núcleos fisionables dicho moderador-refrigerador debe tener una masa reducida utilizándose como tal el agua, agua pesada, grafito, berilo y óxido de berilio, por lo general en los submarinos nucleares es usada el agua.
Una vez comenzada la reacción en cadena se produce energía a una velocidad acelerada por lo cual se hace necesario regular el flujo de neutrones para mantener la producción de energía a un nivel equilibrado, para ello se emplean varillas de control (3) tal y como dijimos de un metal inerte elementos capacitados para capturar electrones. Cuando el reactor pasa a un estado altamente crítico las varillas de control absorben el exceso de neutrones y obligan al reactor a trabajar a energía constante. A medida que el exceso de combustible va experimentando fisión se retiran las varillas para reducir el número de neutrones absorbidos durante el proceso llega un momento en que las varillas no pueden ser sacadas más y entonces para que el reactor no pase a un estado crítico muy bajo se añade más materia fisionable y se comienza a repetir el ciclo.
Líquido refrigerante y moderador circulan por el circuito primario (4) gracias a la actuación de la bomba de circulación (5) a través de la caldera ó intercambiador de calor (8) dentro del cual se produce el vapor que a través del circuito secundario (9) mueve la turbina y los reductores (10) el vapor usado por la turbina sigue su camino de retorno hacia la caldera a través del condensador (11) tras ser enfriado por el haz de tubos (12). El depósito presurizado (6) mantiene una presión constante dentro del circuito primario (4) evitando que se produzcan burbujas y por tanto se desgasten de un modo anormal las varillas de uranio (1) por el efecto de cavitación.
El giro de la turbina impulsa a través del embrague (15) y por medio de los sucesivos ejes a la hélice que a su vez transmite el empuje al buque o submarino por medio de la chumacera de empuje (21) y la quilla y polin (20)
Si por cualquier circunstancia se requiere parar el reactor o la turbina principal la propulsión se lleva a cabo por medio del motor eléctrico (16) bien alimentado por las baterías en ambos casos o por medio de un generador eléctrico acoplado a una turbina auxiliar en el segundo caso (parada de la turbina principal)
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