Naves nucleares rusas II

Por Daniel Marín, el 6 noviembre, 2009. Categoría(s): Astronáutica • Historias de la Cosmonáutica • Marte • Rusia ✎ 17

La semana pasada discutimos los planes para desarrollar naves de propulsión nuclear en la próxima década recientemente anunciados por la agencia espacial rusa Roskosmos. Comentaremos ahora algunos detalles de este nuevo proyecto.

Como dijimos en su momento, no se trata de una decisión impulsiva de Roskosmos, sino del resultado de la experiencia de décadas en el estudio y empleo de reactores nucleares en misiones espaciales. El jefe de Roskosmos, Anatoli Pérminov, también desveló que sería el Centro Keldish el encargado de coordinar el proyecto para desarrollar una nueva generación de reactores espaciales. El Instituto Keldish no es ni mucho menos un recién llegado a este campo, pues lleva años trabajando con proyectos relacionados con el uso de la energía nuclear en el espacio.

El proyecto de Roskomos propone el desarrollo de un reactor nuclear con una potencia eléctrica útil superior a un megavatio, todo un desafío para la ingeniería rusa si tenemos en cuenta que la potencia de los reactores Buk (BES-5) y TEU-5 (TOPAZ-1) lanzados al espacio era de unos 6 kW solamente. Sin embargo, diferentes empresas y organismos de la URSS diseñaron reactores espaciales con potencias mucho mayores, como es el caso de RKK Energía y sus pruebas con reactores de 100-550 kW.


Diseño de reactor nuclear espacial de RKK Energía de 10-14 toneladas, 100-550 kW, refrigerado por litio y una vida útil de 3-5 años (RKK Energía).



Detalle de un reactor BES-5 Buk (Roskosmos).

Por otro lado, no debemos olvidar que también se construyeron reactores compactos operativos dentro del marco del programa del motor nuclear térmico RD-0410 (11B91) con potencias muy elevadas. En principio, los motores nucleares térmicos (YaRD) no formarían parte del nuevo programa iniciado por Roskosmos, ya que se favorece el uso de la energía eléctrica nuclear para alimentar sistemas de propulsión eléctricos. Sin embargo, a largo plazo se podrían aplicar algunas de las tecnologías creadas para el RD-0410 en el nuevo programa, especialmente aquellas que combinan el uso mixto de los reactores para producir propulsión térmica nuclear y como fuente de energía eléctrica para los sistemas de la nave y/o un sistema de propulsión eléctrico.


El motor nuclear térmico RD-0410 (Roskosmos).

La prioridad a la hora de diseñar la nueva generación de reactores espaciales rusos es aumentar su potencia sin que la masa del reactor se dispare. Una de las características de la propulsión eléctrica (iónica o de plasma) es que cuanto mayor sea la relación entre la potencia suministrada (vía reactor nuclear o paneles solares) y la masa de la nave, mayores velocidades se obtienen para el vehículo. Aunque esto pueda parecer una obviedad, hay que tener en cuenta que si usamos propulsión eléctrica, a partir de una cierta velocidad de escape de los gases del motor la velocidad del vehículo disminuye en vez de aumentar. Es decir, la eficiencia del sistema eléctrico es fundamental en este tipo de propulsión.



El futuro de los rectores nucleares espaciales pasa por aumentar su eficiencia y su potencia (Roskosmos).

Los reactores nucleares lanzados al espacio hasta la fecha han sido muy poco eficientes, en parte por limitaciones tecnológicas y en parte por motivos de seguridad y robustez del diseño (no es muy buena idea instalar una turbina en un reactor espacial). El Instituto Keldish lleva años estudiando modelos de reactores más potentes y eficientes, algunos de los cuales podemos ver en la siguiente tabla:

Como vemos, el diseño de reactor más eficiente es el YaEU-400, de 7 toneladas y 500 kW. Este diseño haría uso de una aleación de litio como refrigerante, de forma similar a los estudiados por RKK Energía entre 1965 y 1982 (los Buk y TOPAZ usaban NaK). La diferencia más obvia entre los diseños estudiados es el uso de neutrones rápidos o moderados. Sin entrar en los detalles del funcionamiento de un reactor nuclear -algo demasiado complicado para abordar en un sólo artículo-, la principal diferencia entre ambos tipos es la proporción de uranio enriquecido empleada. Como sabemos, el uranio natural está compuesto por dos isótopos: el U238 y el U235. El U235 está presente con una proporción de sólo el 0,72%, pero es el que nos interesa para poder tener una reacción nuclear sostenida. Los núcleos de U238 pueden experimentar fisión por la acción de un neutrón incidente, pero la probabilidad es nula para neutrones con energías inferiores a 1,5 MeV. Por contra, neutrones de cualquier energía pueden causar fisión en los núcleos de U235, aunque la sección eficaz de la colisión es mayor a menores energías. Por lo tanto, no se puede alcanzar una reacción de fisión sostenida usando uranio natural sin más. Para conseguir la reacción de fisión se enriquece el contenido en U235 hasta los niveles deseados, un proceso complejo y costoso. Por eso, la inmensa mayoría de reactores no emplean U235 puro, sino una mezcla de ambos isótopos. Para evitar que la mayoría de neutrones resultantes de la fisión se pierdan en colisiones resonantes con los núcleos de U238 se debe disminuir su energía mediante el uso de un moderador (normalmente grafito). Cuanto mayor sea la proporción de U235, menor será la cantidad de combustible y de moderador necesario: son los reactores de neutrones rápidos. Por contra, el coste del proceso de enriquecimiento y el posible uso de este material para la fabricación de armas nucleares, entre otros factores, obliga al uso de uranio ligeramente enriquecido. Para su empleo en misiones espaciales, los reactores no estarían limitados por algunas de las normas de seguridad que se derivan de su uso en la Tierra, ya que la radiación natural espacial debida al viento solar y a los rayos cósmicos es, a partir de cierta distancia de cualquier reactor, mucho mayor. Además, el riesgo del empleo del material fisible en programas militares es nulo (nadie va a ir a Marte a recoger el uranio).

Como hemos visto, la principal aplicación de este tipo de reactores sería alimentar sistemas de propulsión eléctrica. Rusia tiene amplia experiencia en el diseño y operaciones con motores de plasma de Efecto Hall (algo que veremos en una entrada posterior), aunque para cualquier nave que haga uso de esta nueva generación de reactores deberán construirse nuevos motores más eficientes y potentes. No es éste un requisito baladí, ya que el diseño de motores de plasma de gran tamaño presenta una serie de dificultades técnicas y teóricas considerables. En todo caso, se podrían usar grupos -hasta varias decenas- de motores de plasma para el sistema de propulsión. Para remolcadores de 20-50 toneladas podrían emplearse varios motores de 100 kW y 0,8 kgf, algo que entra dentro de las posibilidades de la tecnología rusa actual.


Algunos motores eléctricos (iónicos y de plasma) actuales. Habría que diseñar una nueva generación de estos sistemas para su uso en naves pesadas (Roskosmos).


Grupo de doce motores de plasma (diez primarios y dos de reserva) de 100 kW y 0,8 kgf cada uno para su uso en remolcadores orbitales (Roskosmos).

Una vez desarrollada esta nueva generación de reactores y motores eléctricos habría que buscarle un uso. Los primeros prototipos de remolcadores no tripulados con energía eléctrica nuclear podrían dedicarse a trayectos entre la órbita baja y la órbita geoestacionaria, o bien en misiones a los puntos de Lagrange o a la órbita lunar. Sin embargo, está claro que un programa de esta magnitud no justificaría su coste con estas misiones no tripuladas. Una aplicación a largo plazo sería su uso en sondas espaciales pesadas destinadas al Sistema Solar exterior (del tipo JIMO) o en misiones tripuladas, pero está claro que Rusia carece de los recursos económicos y materiales para afrontar este tipo de misiones en solitario.


Modelo de remolcador nuclear de 74 m de longitud con radiadores en paneles (Roskosmos).


Modelo de remolcador nuclear con radiadores al «estilo soviético» (Roskosmos).


Remolcador nuclear de RKK Energía (RKK Energía).


Funcionamiento del sistema de propulsión eléctrico-nuclear (Roskosmos).


El uso de reactores nucleares de nueva generación promete reducir la masa útil de una posible nave a Marte y, dependiendo del diseño, el tiempo de vuelo (Zakirov et al.).

La colaboración internacional sería imprescindible para sacar adelante estos ambiciosos proyectos, pero no es evidente cómo. Rusia, consciente del temor de las sociedades occidentales hacia la energía nuclear, ya intentó en los años 90 ofrecer a los EEUU esta tecnología para su programa espacial. El trato era algo así como «nosotros nos ocupamos de la parte ‘sucia’ -la energía nuclear- y ustedes del resto del proyecto». Pero las cosas no salieron como se esperaba y los Estados Unidos comenzaron a desarrollar por su cuenta sus propios programas de reactores nucleares espaciales de nueva generación, dejando a Rusia al margen. Pese a todo, ninguno de estos programas logró llegar a buen puerto. Tampoco la ESA mostró interés en una sonda nuclear conjunta a Júpiter y Europa usando esta tecnología. No hay motivo para pensar que a día de hoy la situación internacional haya cambiado drásticamente y una misión nuclear internacional esté más cerca de hacerse realidad.


Sonda nuclear eléctrica para el estudio de Europa (usando un radar) y Júpiter diseñada en Rusia en los 90 (Roskosmos).

Tampoco está claro por qué Rusia ha decidido embarcarse precisamente ahora en este proyecto. Es cierto que puede tratarse de una mera declaración de intenciones que no se traduzca en una financiación real. Al fin y al cabo, Rusia se enfrenta a varios desafíos espaciales mucho más críticos para su futuro que el desarrollo de reactores nucleares espaciales, como son el cosmódromo de Vostochni, la nueva nave tripulada PPTS y los lanzadores Angará y Rus-M. Tampoco es evidente el grado de colaboración con el Instituto Keldish por parte de otros organismos y empresas con experiencia en este campo, como son el Instituto Kurchatov, NPO Luch, NPO Krásnaia Zvezdá, RKK Energía o NIKIET, entre otros. Obviamente, de tratarse de un esfuerzo conjunto, las posibilidades de este proyecto serían mucho mayores.

En cualquier caso, está claro que Rusia posee la tecnología para diseñar una nueva generación de reactores nucleares espaciales. El futuro dirá si las intenciones se traducen en hechos.

Referencias:

  • Aktualnie Zadachi v Kosmonavtiki XXI veka, A. S. Koroteiev (director del Centro Keldish).
  • Russian Nuclear Rocket Engine Design for Mars Exploration, Vadim Zakirov y Vladimir Pavshook (Tsinghua Science snd Technology, volumen 12, número 3, junio 2007.
  • Yadernaia Energuetika v kosmose-2005, A. Gafarov (Novosti Kosmonavtiki, mayo 2005).
  • Rocket and Spacecraft Propulsion, Marin J. L. Turner (Springer-Praxis, 2009).


17 Comentarios

  1. Los rusos siempre son «atrasados» segun la version noreteamericana pero terminan logrando proezas tecnologicas. No llegaron con tripulacion a la luna, pero construyeron la MIR. Supuestamente solo tenian soyuz anticuadas, pero construyeron el Buran. Quien sabe si ahora, mientras todos pierden el tiempo con tecnologia de cohetes anticuadas, ellos no logren «sorprendernos» una vez mas… Por supuesto, solo seria sorpresa para quienes los menosprecian.

  2. Según parece el logro del motor Vasimir al conseguir una potencia de 200kW y una fuerza de aprox. 0.45Kgf ya había sido conseguido por los motores iónicos rusos:
    según este artículo 100kW y 0.8kgf.
    Por favor, corrígeme si estoy en un error.
    Un saludo

  3. estoy totalmente de acuerdo con tigo Anonimo….
    personalmente considero que los rusos llevan la delantera en ciertos puntos tecnologicos (en especial en cuanto a tecnologia espacial y militar)…

    Daniel: es tan costoso realizar estos proyectos como para que digas «que esta claro de que rusia carece de los recursos economicos y materiales para afrontar este proyecto»… yo pienso que esta tecnologia es mas barata que los cohetes quimico convencionales, de hecho son reutilizables por varios años de mision… solo que es una tecnologia que tiene que ponerse a punto… y considero que es eso lo que piensa hacer roscosmos…

    Por otro lado sonare repetitivo: pero tengo que felicitarte una ves mas por lo estupendo de tus entradas, saludos!!!

  4. otra cosa Daniel: en la pag. 19 del enlace que pusiste sobre el director de Keldish, aparece lo que parece ser una base lunar con cuatro zanjas en forma de «x»… llevo ya tiempo viendo esa imagen pero no entiendo su funcionabilidad (el de las zanjas en forma de «x»)!!!

    tambien en la pag. 22, aparece algo que se asemeja a un reactor con cuatro radiadores en forma de «cuatro petalos», en realidad no estoy seguro… si me lo puedes aclarar te lo agradeceria…

    la verdad es que no se nada de ruso (aunque me gustaria), un saludo!!!

  5. Interesantísimo artículo!
    Hay que reconocer el empeño por desarrollar tecnologías «revolucionarias» (aunque lleven décadas trabajando en ellas) de los rusos, una faceta de la astronáutica en la cual parecen aventajar a los norteamericanos en la actualidad.
    Evidentemente, están muy lastrados por la carencia de inversión, pero hay que ver el provecho que le sacan al presupuesto con el que cuentan…
    Ya quisieran esa capacidad para sí en la NASA.

    Aguardo impaciente el próximo artículo que prometes sobre este tema.
    Un saludo!

  6. Anónimo: los datos del motor VASIMR que comentas son correctos, pero son de un prototipo de muy poca potencia. Una versión práctica debería ser muuucho más potente.

    Julio: me refería a que Rusia carece de los medios para un viaje tripulado a Marte en solitario. Por supuesto que podría desarrollar esta tecnología, pero su uso en naves grandes es otro tema. La «X» de la diapositiva es un esquema de base lunar de cuatro módulos dispuestos en zanjas para mejorar el aislamiento térmico y la defensa contra la radiación. Efectivamente, la diapositiva 22 es un reactor con cuatro radiadores para una base lunar.

    Xerman: gracias. espero no defraudarte con el próximo 😉

    Saludos!

  7. Hola Ango,

    los radiadores sirven para disipar el tremendo calor generado por el reactor. Hay que tener en cuenta que un reactor espacial no puede usar turbinas u otros elementos más eficientes para convertir la energía térmica en eléctrica, por lo que por cada kilovatio de electricidad se generan muchos más en forma de calor. El vacío es un magnífico aislante, así que sin sistemas de disipación del calor se corre el riesgo de dañar sistemas de la nave, o que el propio reactor sufra daños estructurales graves y deje de funcionar. Los radiadores sirven además de escudos antirradiación para los sistemas de la nave (y una posible tripulación).

    Un saludo.

  8. No comprendo muy bien la utilidad que le pueden dar a estos reactores. Dices que servirían como fuente de energía para propulsión iónica hablando en términos mayores, ¿pero cuántas sondas de propulsión iónica se han enviado al espacio? Dawn, GOCE y algunas más pero creo que se cuentan con los dedos de la mano, y con muy poca potencia. La propulsión iónica aún no está bien desarrollada, o es muy cara no lo sé, ¿no habría que desarrollar antes bien esta tecnología?

  9. Sí, por supuesto, el desarrollo de motores iónicos/plasma de nueva generación debería ir parejo al desarrollo de nuevos reactores. Pero hay que tener en cuenta que, en teoría, resulta más fácil diseñar motores de plasma de 100 kW que reactores nucleares de 1 MW. En cierto modo, los motores iónicos no se han desarrollado adecuadamente porque necesitan de fuentes de energía muy potentes.

    Un saludo.

  10. Hola LuisFer. Como no se pueden usar turbinas, los diseños clásicos (y los empleados en los Buk y TOPAZ) emplean sistemas de conversión termoeléctrica y termoiónica. Estos sistemas suelen tener unas eficiencias, muy bajas, del orden del 10% o menos, así que por eso se genera muchísimo calor en el reactor. Diseños más modernos podrían hacer uso de motores Stirling, pero eso es aún el futuro.

    Saludos.

  11. Hola Daniel.
    Si el rendimiento de estos motores electricos es tan bajo…
    ¿No será que falla algo en los modelos científicos actuales?
    Te recuerdo que aún no tenemos una teoría unificada de las fuerzas de la naturaleza.
    Si no hay una teoria unificada no será porque los modelos tienen que dar un paso hacia adelante.
    Siempre me «ralla» la baja eficiencia de centrales térmicas, estos motores, los motores de combustión interna, etc…. Artefactos tecnológicos que pierden la mayor parte de su energía irradiando calor.
    ¿No será que hay que investigar más en ciencias fundamentales?
    Para desarrollar tecnologías menos «derrochonas».

    ¿Como es posible que un motor de combustión interna, por poner un ejemplo, tenga un rendimiento del 20%?
    ¿Cómo es posible que un reactor electrico (de iones o plasma) tenga un rendimiento de un 10 %?

    Pienso, francamente, que se nos escapa algo en nuestros modelos científicos.
    ¿No habrá un cuarto principio de la termodinámica que nadie ha visto?

    Un abrazo.

  12. Aclaración: te comento estas ideas porque siempre pensé que todo científico de verdad tiene que tener imaginación.
    Es esa imaginación, junto al conocimiento adquirido con el estudio y la experiencia, la clave del futuro de la ciencia.
    Recuerdo a una amiga licenciada en ciencias físicas que solo me dijo un día:
    He aprendido a manejar ecuaciones. Me resultó muy triste y árido su comentario.
    Con franqueza, desde la mente de un amante de la ciencia ficción, el futuro requiere conocimiento e imaginación.
    !Requiere ambas cosas¡
    No hay futuro en la ciencia sin una imaginación apoyada en la ciencia actual; una imaginación que busque mejorar los modelos científicos actuales. De este punto saco lo del cuarto principio de la termodinámica de mi comentario anterior. Una rama de la física, (incluso químico-física), que no ha evolucionado mucho en los últimos doscientos años…
    Solo tiene dos perspectivas: tradicional o estadística…
    Y la estadística es el instrumento matemático más restringido y miserable entre todas las herramientas matemáticas que he conocido.
    Ej.: Tenemos un pollo para dos personas… la probabilidad de tener el pollo una u otra persona seria de medio pollo. En la realidad, estoy seguro, uno tendría un pollo y otro ninguno. Al menos en ciencias sociales sometidas a la estadística…

    Saludos de nuevo.

  13. Hola COnstantino: la ciencia es incompleta, por supuesto, pero es la mejor herramienta que tenemos a nuestra disposición. En cuanto al rendimiento de motores, etc, se podría mejorar en cierto grado, pero cuesta dinero.

    Creo que a la ciencia moderna no le falta imaginación: basta darse una vuelta por los artículos de física que diariamente aparecen en el Arxiv para ver el grado de creatividad de muchos científicos. Otra cosa es que el Universo se pliegue a nuestras esperanzas y deseos.

    Saludos.

  14. Visitaré con frecuencia Arxiv.org. Espero que se expresen en una linea divulgativa ,porque como sea muy matemática me perderé (de momento).

    Gracias.

    Esta claro que es una gran herramienta.
    Pero…¿Cómo se usa la INTUICIÓN científica?

    No respondas ,si no quieres. A tu educada discrección.

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Por Daniel Marín, publicado el 6 noviembre, 2009
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