Una desalinizadora de agua en un submarino nuclear convierte el agua de mar en agua dulce para el consumo de la tripulación y para determinados servicios técnicos. Su funcionamiento se integra con la planta energética del buque: el reactor nuclear produce calor, el calor puede transformarse en vapor y electricidad, y esa energía alimenta bombas, sistemas de tratamiento y equipos de separación de sales.
La desalinización es especialmente importante en los submarinos nucleares porque la autonomía de la nave no está limitada principalmente por el combustible, sino por la resistencia del personal, la disponibilidad de alimentos, el mantenimiento y la capacidad de producir agua potable. La propulsión nuclear permite permanecer sumergido durante largos periodos sin consumir aire atmosférico, mientras que la desalinizadora reduce la necesidad de almacenar grandes cantidades de agua.
Por qué un submarino nuclear necesita producir agua dulce
Durante los siglos posteriores, la desalinización del agua del mar se usó sobre todo en barcos y submarinos para proveer de agua dulce a la tripulación durante largas travesías. Sin embargo, este proceso no estuvo disponible a gran escala hasta la revolución industrial y, sobre todo, hasta el desarrollo de las plantas desalinizadoras.
El agua es uno de los recursos más preciados del planeta y, según la ONU, su escasez afecta ya a más del 40 % de la población mundial. Un dato que ha hecho saltar las alarmas y que impulsa la búsqueda de soluciones. Una de ellas, y no precisamente nueva, es la desalinización, que consiste en eliminar los minerales (mayoritariamente sal) del agua del mar mediante procesos físicos y químicos.
La desalinización es el proceso por el cual se eliminan las sales minerales disueltas en el agua. En la actualidad, dicho proceso, aplicado al agua del mar, es uno de los más usados para obtener agua dulce para el consumo humano o agrícola.
En un submarino, el objetivo es más específico: obtener agua adecuada para beber, cocinar, mantener la higiene y cubrir algunas necesidades de la maquinaria. El agua del mar no puede utilizarse directamente porque contiene sales disueltas y otros componentes que pueden ser perjudiciales para las personas y corrosivos para los equipos.
La relación entre la propulsión nuclear y la desalación
La gran ventaja que ofrece la propulsión nuclear para los submarinos es que en principio pueden permanecer en inmersión un tiempo ilimitado, y, como son sistemas anaeróbicos, este tiempo no está limitado más que por la resistencia del personal de tripulación. Su discreción, su velocidad y su cota de inmersión los hace menos detectables en inmersión; debido a su autonomía pueden realizar misiones independientes; y su trimado no varía con el consumo de combustible, como sí ocurre con la propulsión convencional.
Los submarinos nucleares son una de las formas más avanzadas de tecnología naval moderna. Están equipados con una planta nuclear que les permite generar energía a partir de combustible nuclear. Esto les permite a los submarinos sumergirse y navegar bajo el agua por períodos prolongados sin la necesidad de resurface para reabastecerse de combustible.
La planta nuclear se encuentra en el interior del submarino y es responsable de generar energía para alimentar todas las funciones del submarino. Dicha energía se utiliza para mover el submarino a través del agua, así como para alimentar todos los sistemas eléctricos y electrónicos del submarino.
El reactor no produce directamente agua potable. Su función principal es producir calor, que se utiliza para generar vapor y electricidad. Esa energía permite mantener en funcionamiento los sistemas de circulación, filtrado, presurización y tratamiento necesarios para obtener agua dulce a partir del agua de mar.
Cómo funciona la planta nuclear de un submarino
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 energía que usa para moverse.
En el corazón de cada átomo hay un núcleo 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.
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.
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 nuclear en cadena". La energía se emite en forma de calor, que se puede utilizar para impulsar turbinas que generan electricidad para el submarino.
¿Pero qué hace este reactor? Pues lo que hacen todos: producir calor que, en el caso de estas embarcaciones, se usa para generar vapor. El vapor mueve unas turbinas que impulsan un eje, que a su vez hace girar una hélice. Esta hélice es la que propulsa al submarino por el agua.
Todos estos reactores utilizan como refrigerante el agua a presión, y con una potencia en las primeras unidades de 70 MWt.
El reactor de agua a presión y el suministro térmico
Una de las líneas de estudio iniciadas fue adjudicada a General Electric, que consiguió un contrato para desarrollar y construir un reactor refrigerado por sodio líquido, el prototipo de este tipo de reactor, el S1G fue instalado en el centro de West Milton (New York), comenzó a operar en 1955, y concluyó con el desarrollo del reactor S2G, que fue instalado en el submarino estadounidense Seawolf, que comenzó su operación en 1957 y que se mantuvo durante dos años en servicio.
Sin embargo, a causa de la incompatibilidad básica del sodio en un ambiente marino ante un eventual accidente de reactividad por reacción del sodio y del agua de mar, este concepto fue abandonado para su uso para la propulsión naval, y fue sustituido el reactor por uno de agua a presión.
El otro camino iniciado fue el del desarrollo por Westinghouse de los reactores de agua a presión, y el proyecto fue conocido como el Submarine Thermal Reactor (STR). Ya en 1949, se definieron las características básicas del PWR y se decidió construir dos reactores: el S1W, un prototipo en tierra de la estación de pruebas de Idaho, y su gemelo el S2W para ser instalado en el submarino Nautilus.
El 30 de marzo de 1953, el SRT, fue llevado a potencia por primera vez, y la era de la propulsión nuclear naval nació. El Nautilus fue construido en Groton y botado en 1954. Fue el primer submarino que por la ruta del Ártico pasó del Pacífico al Atlántico en 1957.
En los reactores de agua a presión, el circuito primario permanece a una presión elevada para evitar que el agua hierva dentro del núcleo. El calor pasa mediante intercambiadores a un circuito secundario, donde se genera vapor. El vapor puede utilizarse para la propulsión y para producir electricidad, mientras que el calor residual puede aprovecharse en sistemas térmicos auxiliares.
Este esquema es relevante para la desalinización porque permite disponer de dos formas de energía: electricidad para procesos de membrana y calor para procesos térmicos. La elección depende del diseño del submarino, de la potencia disponible, del espacio y de las necesidades de agua.
Principales procesos de desalinización aplicables a submarinos
Ósmosis inversa
Es el proceso más usado y consume menos energía que el resto al basarse en el uso de membranas semipermeables que dejan pasar el agua, pero no la sal.
El agua de mar se impulsa a alta presión contra una membrana. Las moléculas de agua atraviesan el material, mientras que la mayor parte de las sales, partículas y otros contaminantes quedan retenidos en una corriente concentrada.
Dichas membranas son de poliamida ultrafina, que se pueden contaminar con bacterias y por ese motivo el agua debe pasar un tratamiento.
En un submarino, la ósmosis inversa resulta atractiva por su tamaño relativamente compacto y por su menor consumo energético frente a la destilación. Necesita, no obstante, bombas de alta presión, pretratamiento del agua de alimentación y mantenimiento de las membranas.
Destilación térmica
La destilación, consistente en hacer hervir el agua de mar en un alambique, recoger el vapor y condensarlo para obtener agua dulce, es el método más evidente para eliminar la sal, pero no el más efectivo ya que consume grandes cantidades de energía.
En las instalaciones navales pueden utilizarse variantes de destilación adaptadas al calor disponible en la planta energética. El agua se evapora, las sales quedan en la corriente concentrada y el vapor se condensa como agua dulce.
Destilación flash multietapa
Antes de la década de 1980, el 84 % del agua desalada en el mundo se producía mediante la tecnología multi stage flash (destilación flash multietapa, o MSF) y la tecnología multi effect (multiefecto, o ME), y posteriormente se desarrolló la tecnología de membranas, como la ósmosis inversa.
La MSF utiliza una serie de etapas con presiones progresivamente menores. El agua caliente puede evaporarse rápidamente al entrar en cada etapa, y el vapor producido se condensa para recuperar agua dulce.
Este método puede aprovechar el calor de baja o media temperatura, pero requiere intercambiadores, cámaras, control de incrustaciones y una circulación constante de agua de mar.
Destilación multiefecto
Inicialmente se empleó MSF, pero se ha descubierto que MED (Destilación Múltiple Efecto) y RO son más eficientes allí.
En la destilación multiefecto, el vapor producido en un efecto se utiliza para calentar el siguiente, que opera a una presión menor. De este modo se reutiliza parte de la energía térmica y se reduce el consumo específico respecto a una destilación simple.
Nanofiltración
Es un proceso que emplea membranas de nanotubos de mayor permeabilidad que las de la ósmosis inversa, lo que permite procesar más agua en menos espacio usando menos energía.
Dichas membranas se fabrican con compuestos sulfonados que, además de la sal, eliminan trazas de contaminantes.
Electrodiálisis
Consiste en mover el agua salada a través de membranas cargadas eléctricamente que atrapan los iones de sal disueltos en el agua, permitiendo extraer agua dulce.
Existen diversas variantes de la electrodiálisis, como la convencional y la inversa.
Formación de hidratos gaseosos
Los hidratos gaseosos son cristales sólidos que se forman al combinar el agua con un gas, por ejemplo, propano, a alta presión y baja temperatura. Durante el proceso desaparecen todas las sales e impurezas presentes en el agua y al elevar la temperatura se puede recuperar el gas quedando el agua dulce.
Este procedimiento tiene interés tecnológico, aunque la ósmosis inversa y los procesos térmicos son los métodos que cuentan con una aplicación más consolidada en sistemas de producción de agua dulce.
Etapas de una desalinizadora submarina
Una desalinizadora instalada en un submarino necesita funcionar dentro de un espacio reducido, con vibraciones, cambios de inclinación, restricciones acústicas y disponibilidad limitada de mantenimiento. Por eso, el sistema se organiza en varias etapas.
- Captación: el agua de mar entra mediante tomas diseñadas para reducir la entrada de organismos, sedimentos y partículas.
- Pretratamiento: se eliminan sólidos suspendidos y sustancias que podrían obstruir o degradar las membranas y los intercambiadores de calor.
- Separación de sales: el agua pasa por membranas de ósmosis inversa, por un proceso electroquímico o por una etapa de evaporación y condensación.
- Postratamiento: el agua obtenida se acondiciona para conseguir una composición adecuada para el consumo y para evitar efectos corrosivos.
- Almacenamiento: el agua dulce se conserva en depósitos internos para compensar las variaciones entre producción y consumo.
- Gestión de la salmuera: la corriente concentrada se devuelve al mar mediante un sistema que limita su acumulación en las proximidades del casco.
El agua producida por una desalinizadora no debe confundirse automáticamente con agua potable lista para beber. La separación de sales es una etapa esencial, pero la calidad final depende también del pretratamiento, la desinfección, el acondicionamiento químico y la vigilancia de los depósitos.
Producción, almacenamiento y consumo de agua a bordo
La desalinización permite reducir el volumen de agua que el submarino debe transportar al iniciar una misión. Esto libera espacio y masa para otros sistemas, aunque no elimina completamente la necesidad de contar con reservas.
El consumo de agua depende del número de tripulantes, la duración de la misión, la actividad a bordo y las necesidades de los equipos. La producción debe mantenerse suficientemente estable para evitar que los depósitos se vacíen durante periodos de alta demanda.
El agua dulce puede emplearse para beber, preparar alimentos, higiene personal, limpieza y determinados servicios técnicos. Una parte también puede destinarse a circuitos auxiliares, siempre que el tratamiento requerido sea compatible con la instalación.
La producción de agua dulce también ayuda a conservar el equilibrio de masas del submarino. El consumo de agua, la descarga de residuos y la incorporación de agua de mar pueden modificar la distribución de pesos, por lo que el control del agua forma parte de la gestión general del trimado.
El vapor, la propulsión y los sistemas auxiliares
El vapor generado por el reactor nuclear se utiliza principalmente en la cadena energética que conduce a la propulsión. Pero el vapor también se usa para otro fin: controlar la profundidad del submarino.
El submarino tiene unos tanques llamados lastres, que se pueden llenar de agua o de aire. Cuando estos tanques se llenan de agua, el submarino se hace más pesado y se hunde. Cuando se llenan de aire, se hace más ligero y sube.
Es el vapor generado por el reactor nuclear el que se usa para expulsar el agua de los lastres y sustituirla por aire, o viceversa.
Además de la propulsión y el control de los lastres, la energía nuclear puede alimentar bombas de circulación, sistemas de ventilación, equipos de navegación, sensores, comunicaciones, iluminación, refrigeración y desalación.
Convección natural y reducción del ruido
El reactor S5G fue un prototipo que funcionó tanto, en modo de flujo de circulación del refrigerante en forma forzada, o por convección natural. La planta había dos circuitos de refrigeración, con sus dos generadores de vapor.
Su objetivo era probar si el refrigerante podía circular sin depender continuamente de grandes bombas. La circulación natural puede reducir el ruido mecánico y mejorar la discreción acústica del submarino durante determinados regímenes de operación.
Las bombas del circuito de refrigeración del primario del reactor, son una de las principales fuentes de ruido de los submarinos, además de los engranajes de la caja de reducción, y la cavitación de la hélice.
El USS Narwhal tenía la planta de reactor más silenciosa de la flota naval de EE.UU. Su reactor con una potencia térmica de 90 MWth fue ligeramente más potente que las de otros submarinos nucleares de ataque de EE.UU. de esa época, como el S3G (tercera generación) y la S5W (quinta generación).
El S5G también fue equipado con bombas para el circuito primario, que se necesitan sólo en casos de emergencia o para alcanzar alta potencia y velocidad. Por consiguiente, las bombas de refrigerante eran más pequeñas y más silenciosos que los utilizados por los competidores principales S5W,(un diseño Westinghouse).
En una desalinizadora submarina, la reducción del ruido también puede influir en la elección de bombas, válvulas y regímenes de operación. El equipo debe proporcionar presión y caudal suficientes sin introducir vibraciones que puedan transmitirse al casco.
Funcionamiento del Reactor Nuclear PWR 1080p
Integración compacta de los circuitos
Los de la última generación llevan un diseño compacto tipo Block en el que el circuito primario queda reducido a una longitud mas pequeña pero de diámetro mayor, mejorando la transmisión del calor generado en el núcleo.
Un diseño integrado reúne en un volumen compacto varios elementos del circuito primario. Esto permite reducir la longitud de las tuberías, limitar el número de conexiones y facilitar la disposición de la planta dentro del casco resistente.
La misma compactación beneficia a la desalación porque deja espacio para bombas, depósitos, sistemas de filtración y equipos de control. Sin embargo, también aumenta la importancia de la accesibilidad, la inspección y la gestión térmica.
La marina de los Estados Unidos tiene actualmente gran parte de su armada basada en la propulsión nuclear. Todos los submarinos con un reactor PWR de Westinghouse, excepto los de la clase Ohio, Los Angeles, Seawolf y Virginia con un reactor PWR de General Electric, de diseño integrado (S8G ó S9G).
Agua de mar, membranas y control de incrustaciones
La ósmosis inversa necesita que el agua de alimentación sea acondicionada antes de llegar a las membranas. Las partículas, microorganismos, materia orgánica y precipitados pueden bloquear los poros o modificar la superficie activa.
Dichas membranas son de poliamida ultrafina, que se pueden contaminar con bacterias y por ese motivo el agua debe pasar un tratamiento.
En los procesos térmicos, el problema equivalente es la formación de incrustaciones en las superficies calientes. Las sales pueden precipitar cuando aumenta la temperatura o cuando el agua se concentra, reduciendo la transferencia de calor y elevando el consumo energético.
La planta MSF utiliza materiales de construcción más económicos y emplea una química de agua de mar cuidadosamente controlada.
El control químico debe equilibrar la protección contra depósitos, la compatibilidad de los materiales y la calidad del agua producida. En un submarino, estas exigencias se combinan con la necesidad de minimizar el almacenamiento de reactivos y los residuos.
Salmuera y gestión de residuos
El proceso de desalación del agua no está libre de impacto, ya que el residuo resultante del proceso es la salmuera, agua residual con una alta concentración de sal y contaminantes, que en muchos casos se vierte al mar y afecta a los ecosistemas.
En un submarino, la salmuera se produce en cantidades mucho menores que en una planta costera, pero sigue siendo necesario controlar su descarga. La corriente concentrada puede presentar una salinidad superior a la del agua circundante y contener restos de productos utilizados durante el tratamiento.
La descarga debe realizarse de manera compatible con la seguridad del buque, la protección de los equipos y la reducción de efectos locales sobre el medio marino. La gestión depende de la configuración de la nave y de sus procedimientos operativos.
Manzoor Qadir, coautor del estudio, propone "convertir un problema ambiental en una oportunidad económica". Y en el estudio se citan algunas de ellas: utilizar la salmuera para la acuicultura, para generar electricidad o para recuperar los metales contenidos en ella, como el magnesio, el yeso, el calcio, el potasio, el cloro o el litio.
Las posibilidades de aprovechamiento de la salmuera que pueden considerarse en instalaciones terrestres no se trasladan automáticamente a un submarino, porque el espacio, la duración de la misión y la necesidad de evitar procesos adicionales limitan la recuperación de subproductos.
Seguridad de la planta nuclear y de la desalinizadora
Una de las principales ventajas de usar este tipo de tecnología para generar calor es que no necesita oxígeno para funcionar, algo extremadamente importante cuando se navega bajo el mar, como si lo necesita un motor de combustión.
Esto significa que el submarino puede permanecer bajo el agua durante mucho tiempo, sin tener que salir a la superficie para ‘respirar’. De hecho, el único límite es la cantidad de comida y agua potable que puede llevar a bordo.
Mantener la seguridad, tanto para la tripulación como para el entorno natural, es fundamental a bordo de cualquier barco marítimo.
Actualmente, estos barcos tienen varios sistemas de seguridad que evitan que se produzca una fuga radiactiva o una explosión. El reactor está rodeado de una gruesa capa de acero y agua que lo protege de los impactos y las radiaciones.
Además, esta agua también sirve para enfriar el reactor y evitar que se sobrecaliente, algo muy común en los reactores nucleares que suministran energía a muchas ciudades.
La desalinizadora también requiere sistemas de seguridad propios: control de presión, detección de fugas, aislamiento de circuitos, protección contra sobretemperatura y supervisión de la calidad del agua. Una avería en la planta de agua no debe comprometer la integridad del reactor ni la habitabilidad del submarino.
Autonomía y límites reales
Una gran ventaja de los submarinos de propulsión nuclear es que no requieren de una recarga de combustible. Cuando uno de ellos entra en servicio, se pone operativo 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 tradicionales.
Es más, a diferencia de la combustión 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 permanecer de incógnito y permite viajes más largos y remotos.
La desalinizadora reduce la dependencia de las reservas de agua, pero no elimina todos los límites de una misión. El consumo de alimentos, el almacenamiento de residuos, el mantenimiento, el desgaste de las membranas, la disponibilidad de repuestos y la resistencia de la tripulación siguen siendo factores determinantes.
La desventaja es su gran costo. El costo de la construcción de cada submarino nuclear suele ser de varios miles de millones de dólares y requiere una mano de obra altamente calificada con experiencia en ciencia nuclear.
Desalinización nuclear en instalaciones terrestres
La primera instalación de desalinización adjunta a una central de energía nuclear fue construida por la Unión Soviética en 1973 en el emplazamiento de Aktau (hoy en territorio kazajo), hasta su clausura.
La primera planta de desalinización nuclear en el mundo fue el reactor rápido BN-350 en Aktau, Kazajistán. Su ubicación costera resultó estratégica ya que proporcionaba acceso directo a la materia prima para la desalinización en un área conocida por su clima árido y la falta de fuentes de agua dulce.
Su principal objetivo fue proporcionar agua dulce potable para la región de Mangystau, aunque también generaba electricidad como subproducto del proceso de desalinización.
Hasta 1999, durante 27 años de operación, la planta de Aktau suministró hasta 135 MWe mientras producía 80,000 m³/d de agua potable. Alrededor del 60% de su energía se utilizó para calor y desalinización y aunque la planta se diseñó para 1000 MWt, nunca operó a más allá de los 750 MWt.
Este proyecto estableció la viabilidad y confiabilidad de las plantas de cogeneración, representando un ejemplo de éxito en la aplicación de la energía nuclear para la desalinización en una región que se enfrenta la escasez de agua.
Experiencias de India y Japón
Es un proyecto que tiene como objetivo establecer una planta híbrida de desalinización con una capacidad de 6,300 metros cúbicos al día utilizando tecnologías de Destilación Flash Multietapa (MSF) y Ósmosis Inversa (RO).
El propósito de la planta es demostrar la producción segura y económica de agua de buena calidad a través de la desalinización de agua de mar, comprendiendo una planta MSF de 4,500 m³/d y una planta RO de 1,800 m³/d.
Parte del agua purificada por el proceso MSF se suministra a la Estación de Energía Atómica de Madras para sus necesidades de alimentación de calderas.
Actualmente Japón es el que tiene mayor número de plantas desaladoras de agua de mar (once unidades) acopladas a reactores de agua ligera tipo PWR (Pressurized Water Reactor).
Estas plantas producen unos 14.000 m 3 /d de agua potable, y se han acumulado más de 100 años-reactor de experiencia.
La planta de generación eléctrica Ohi fue el primer gran proyecto de desalación nuclear de Japón.
Comparación de tecnologías de desalación
| Tecnología | Principio de funcionamiento | Característica principal |
|---|---|---|
| Ósmosis inversa | Membranas semipermeables que dejan pasar el agua, pero no la sal | Menor consumo energético que muchos procesos térmicos |
| MSF | Evaporación rápida en etapas de presión decreciente | Puede aprovechar energía térmica |
| MED | Evaporación y condensación sucesivas en varios efectos | Reutiliza parte del vapor producido |
| Nanofiltración | Membranas de nanotubos de mayor permeabilidad | Procesa más agua en menos espacio usando menos energía |
| Electrodiálisis | Membranas cargadas eléctricamente que atrapan iones de sal | Separa sales mediante un campo eléctrico |
Ventajas de la desalinizadora en un submarino nuclear
- Reduce la cantidad de agua potable que debe almacenarse antes de la misión.
- Amplía la autonomía logística del submarino.
- Utiliza la electricidad y el calor disponibles en la planta nuclear.
- Permite mantener operaciones prolongadas sin salir a la superficie para reabastecerse.
- Puede integrarse con sistemas de recuperación y tratamiento de aguas.
- Contribuye a gestionar el peso y el trimado del submarino.
- La ósmosis inversa puede ofrecer una solución compacta para la producción de agua dulce.
- La destilación puede aprovechar energía térmica que de otro modo sería residual.
Desventajas y dificultades técnicas
- La ósmosis inversa necesita bombas de alta presión y membranas sensibles a la contaminación.
- Los procesos térmicos requieren superficies de intercambio y control de incrustaciones.
- La salmuera debe gestionarse sin afectar excesivamente al entorno marino.
- Los equipos ocupan espacio dentro de un casco donde cada volumen es limitado.
- Las bombas y válvulas pueden producir ruido y vibraciones.
- El mantenimiento debe realizarse durante una misión sin acceso sencillo a instalaciones externas.
- La producción de agua depende de la disponibilidad de energía eléctrica y térmica.
- Una avería puede afectar a la habitabilidad, aunque no implique un fallo del reactor.
- La planta necesita sistemas de control, sensores y procedimientos específicos para operar con seguridad.
Consumo energético y sostenibilidad
El uso de agua y el tratamiento de aguas residuales precisan electricidad para su suministro, distribución y transporte. Según un estudio de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), estas operaciones representaron aproximadamente el 4 % del consumo eléctrico mundial en 2014.
La AIE estima que en 2040 el consumo eléctrico en el sector del agua se habrá duplicado.
La AIE prevé que el consumo de electricidad para la desalinización aumentará a unos 345 TWh en 2040, en comparación con los 40 TWh de 2014.
La energía nuclear puede proporcionar electricidad con bajas emisiones durante largos periodos, pero la sostenibilidad de la desalación también depende de la eficiencia de los equipos, la gestión de la salmuera, la durabilidad de las membranas y el control de los residuos.
Además, muchos procesos de desalinización requieren calentar el agua, presurizarla o ambas cosas, lo que tiene un elevado coste energético.
La solución en este caso consiste en emplear energías renovables, como la solar, para reducir el consumo de las desalinizadoras.
En un submarino nuclear, la energía renovable no sustituye a la planta principal porque el buque necesita una fuente compacta, continua y de alta disponibilidad. Sin embargo, la eficiencia energética sigue siendo importante para reducir la carga de los sistemas auxiliares y las necesidades de refrigeración.
Desalinización y escasez mundial de agua
El agua cubre el 70 % de nuestro planeta y es fácil pensar que hay más que suficiente. Sin embargo, el agua dulce es escasa en el mundo -solo lo es el 3 %- y dos tercios no están disponibles, ya que se encuentran en forma de hielo o son inaccesibles.
Unos 1.100 millones de personas en todo el mundo carecen de acceso a agua dulce y unos 2.700 millones sufren escasez durante al menos un mes al año.
En el mundo hay aproximadamente 16.000 plantas desaladoras en funcionamiento, que en conjunto producen unos 95 millones de m3 de agua desalada al día.
Se da la paradoja de que muchas de las zonas afectadas por la escasez de agua dulce tienen el mar muy cerca y ahí es donde la desalinización puede ayudar.
El agua dulce es un bien muy preciado. Muchos países sufren carencia porque las precipitaciones en su superficie son insuficientes. El crecimiento de la población global obliga a buscar nuevas fuentes de agua, por lo que los métodos de desalación del agua de mar son cada día más importantes.
Esto provocará nuevas necesidades energéticas que se pueden cubrir de manera efectiva con la energía nuclear.
Desalinización nuclear y usos civiles
Según el OIEA, la desalación nuclear es una opción viable para satisfacer la creciente demanda de agua potable.
Este organismo pone a disposición de sus Estados Miembros interesados programas de cálculo para ayudarles a evaluar el valor de la desalación nuclear.
Con estos programas pueden realizar análisis económicos y termodinámicos del acoplamiento de diferentes recursos energéticos con diversos procesos de desalación.
Posteriormente, varios países como India, Japón y Pakistán comenzaron a utilizar unidades nucleares para desalar el agua de mar, además de producir electricidad.
Otros países como Arabia Saudí, Argentina, China, Corea del Sur, Egipto y Rusia cuentan con proyectos de construcción de centrales de desalación nuclear.
La experiencia de estas instalaciones terrestres permite estudiar la integración entre reactores, intercambiadores de calor, sistemas de membranas, redes de agua y tratamiento de salmuera. En un submarino, los mismos principios deben adaptarse a un entorno mucho más pequeño, móvil y exigente.
Diferencia entre un submarino nuclear y un arma nuclear
Lo primero que hay que destacar es que un submarino de propulsión nuclear no es un arma nuclear.
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.
Para que el uranio sea designado como de "grado de armamento", debe enriquecerse a más del 90% de uranio 235. El combustible para un submarino de propulsión nuclear no se acerca a ese valor.
La característica nuclear del submarino se refiere a su fuente de energía y no implica necesariamente que el buque transporte armas nucleares. Los submarinos nucleares pueden cumplir misiones de vigilancia, ataque convencional, disuasión estratégica o apoyo, según su clase y configuración.
Tipos de submarinos nucleares
Así, aprovechando las ventajas de la propulsión nuclear, se han desarrollado dos tipos de submarinos nucleares, los de ataque (SSN) y los balísticos boomers (SSBN), susceptibles de mantener velocidades muy elevadas en inmersión a gran profundidad, del orden de más de 30 nudos y más de 400 m. de cota de inmersión, constituyendo hoy día la base fundamental de las armadas de las grandes potencias.
Los submarinos nucleares de ataque SSN están armados con tubos lanzatorpedos. Los submarinos de ataque construidos más recientemente también pueden ir armados con misiles crucero como los Tomahawk.
Actualmente Rusia, además tiene un tipo de submarinos portadores de misiles crucero SSGN, aunque también disponen de misiles crucero que pueden ser lanzados desde los tubos lanzatorpedos de los submarinos de ataque SSN.
La desalinizadora puede ser necesaria en cualquiera de estas categorías porque la producción de agua dulce está relacionada con la habitabilidad y la autonomía, no con el tipo de armamento.
Evolución histórica de la tecnología nuclear naval
Desde que el capitán de navío de los Estados Unidos, Hyman G. Rickover, tuvo la visión de reconocer las capacidades que darían los reactores nucleares para la propulsión naval y especialmente de los submarinos, y convenció a los inicialmente escépticos miembros de la marina estadounidense de que los submarinos con propulsión nuclear tendrían unas capacidades únicas, la tecnología nuclear para la propulsión naval ha tenido un desarrollo espectacular, siendo, como veremos, el tipo de propulsión que emplean en sus submarinos las grandes potencias militares del mundo.
El proyecto Rickover fue conocido como el Programa de Reactores Navales, y tenía el objetivo de desarrollar reactores compactos y de alta disponibilidad.
Así en el año 1948, año en que se aprobó el programa, se iniciaron dos líneas de estudio de conceptos de reactor nuclear para propulsión.
Así el S2W se convirtió en el primer reactor de una larga serie de reactores de propulsión naval para aplicación militar de la marina americana.
Los siguientes reactores desarrollados fueron los S3W y S4W, de dimensiones más reducidas y de mitad de potencia que el S2W, y fueron instalados en los submarinos clase Skate y en el Halibut.
El reactor S5W, un 30% mayor que el S2W, utiliza el combustible en forma de placas, y ha sido instalado en el submarino Skipjack, habiendo equipado también todos los submarinos nucleares balísticos o lanzamisiles (SSBN) y los submarinos nucleares de ataque (SSN) puestos en servicio desde 1960 hasta 1976 a excepción del Narwhal.
Desarrollo internacional
Han sido construidos cerca de 400 submarinos y buques nucleares militares entre EE.UU., Rusia, Gran Bretaña, Francia y China, algunos de los cuales ya han sido desmantelados o declarados inoperativos por terminar su vida útil o como consecuencia de la política de distensión.
De manera que el número de reactores nucleares de propulsión nuclear puestos en operación hasta la actualidad, (ya que algunos de los buques llevan dos reactores, ronda los 600, es decir, algo mayor que el número de reactores de producción de energía eléctrica que se han construido en el mundo, que son unos 500).
La marina rusa dispone desde 1960 de submarinos nucleares propulsados por una o dos hélices, y la forma de sus cascos son poco hidrodinámicas, limitándose su velocidad máxima en inmersión a aproximadamente 25 nudos, a excepción de los más modernos Alfa, Akula y Sierra.
En Europa, solamente las armadas francesa e inglesa han abordado programas de construcción de submarinos nucleares de características muy similares a las de los submarinos americanos SSN y SSBN.
En Francia, los primeros estudios comenzaron en 1954 y se realizó en Cadarache un prototipo de reactor del tipo S5W para SSBN con base en tierra (PAT), que empezó a operar en 1964.
En Inglaterra se llegó a un acuerdo con los Estados Unidos en 1958 para la realización de un prototipo de propulsión, y el submarino Dreadnought (SSN) fue puesto en operación en 1963.
Los submarinos de ataque más modernos de Rusia son los de la clase Akula, los Victor III, y los Sierra I/II.
Francia dispone de submarinos de ataque, como los de la clase Rubis, de diseño integrado y el más reciente Amethyste; y los portamisiles de la clase Le Redoutable, siendo los más recientes los de la clase Le Triomphant, que llevan también un reactor de diseño integrado.
Perspectivas tecnológicas
Las claves para los próximos años pasan por aumentar la capacidad de las desalinizadoras al tiempo que se reduce su impacto ambiental.
Otra posible vía para una desalinización sostenible consiste en emplear la biotecnología, por ejemplo, mediante cultivos de cianobacterias que son capaces de procesar el agua del mar formando a su alrededor un depósito de baja salinidad.
En los submarinos, las líneas de desarrollo más importantes se relacionan con la reducción del tamaño, el bajo consumo, la automatización, el control acústico, la mayor duración de las membranas y la recuperación de calor.
La integración entre un reactor compacto y una desalinizadora eficiente permite que el submarino produzca agua dulce durante largos periodos sin depender de instalaciones externas. El resultado es una plataforma con mayor autonomía logística, siempre que la planta energética, los sistemas de tratamiento y la gestión de residuos funcionen dentro de sus límites de diseño.
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