El Submarino Híbrido Argentino - Una propuesta real para ser continuada

por Ricardo Burzaco y Diego Díaz

En el invierno de 2018, científicos del Instituto Balseiro expusieron ante las comisiones de Defensa y de Ciencia y Tecnología de la Cámara de Diputados ante un pedido de “Informes al Poder Ejecutivo sobre los estudios realizados y concluidos en el Centro Atómico de Bariloche, Provincia de Río Negro, para instalar una planta de propulsión nuclear en un submarino Tipo TR 1700”

Como medio especializado, fuimos invitados a presenciar la exposición de ingeniero mecánico PhD del MIT José Converti del Instituto Balseiro y el ingeniero industrial Humberto Vinante de la UTN en la cual se explicó el estado de desarrollo de las investigaciones de un reactor nuclear compacto con posibilidad de instalarse en un submarino de la Clase TR 1700.

Las investigaciones se iniciaron en 2010 a instancias de la entonces Ministro de Defensa Nilda Garré y se delegó en la Comisión Nacional de Energía Atómica el estudio pertinente. Fue en el Centro Atómico Bariloche en el que se formó un grupo interdisciplinario de especialistas compuesto por: 

2 ingenieros nucleares

2 ingenieros mecánicos

2 ingenieros navales

1 ingeniero industrial

1 ingeniero electricista

2 ingenieros químicos

1 licenciado en física

Unos años más tarde con los estudios en pleno desarrollo y presupuesto asegurado, el Poder Ejecutivo puso freno al proyecto del submarino nuclear a instancias de Ministro de Relaciones Exteriores Dr. Jorge Taiana, quien aconsejó que no era el momento apropiado para las relaciones internacionales de aquel momento. No obstante el equipo científico continuó trabajando dado el nivel de desarrollo alcanzado hasta finalizar con toda la documentación.

Antecedentes del submarino convencional y nuclear

Generalmente se define como sumergible al buque diseñado para navegar en tránsito por la superficie del mar hasta posicionarse tácticamente y poder sumergirse para atacar a sus blancos. Las líneas de un buque para navegar con eficiencia en superficie, no son las más apropiadas para navegar en inmersión (rápido en superficie/lento en inmersión).

Por el contrario el buque con líneas para navegar con eficiencia en inmersión no es marinero para hacerlo en superficie, a estos se los denomina submarinos (rápido en inmersión/lento en superficie).

Los sumergibles durante la mayor parte de la 2da Guerra sólo podían cargar la batería mientras navegaban en superficie y su capacidad de navegación en inmersión no era ágil ni muy silenciosa.

Avanzada la 2da Guerra Mundial, los Aliados comienzan a presionar en el Atlántico Norte a los sumergibles alemanes que azolaron por mucho tiempo los abastecimientos que intentaban llegar a Gran Bretaña y, en menor medida, a la Unión Soviética. Cuando la tecnología permitió la instalación de radares a bordo de aviones de patrulla marítima y los sonares de las naves de escolta se fueron haciendo cada vez más eficaces, las pérdidas de estos buques alemanes se incrementaron notablemente a partir de 1943.

Como primera medida, para disminuir la permanencia del sumergible en superficie, la Armada alemana hizo adaptar un tubo para conectar el interior del sumergible con la superficie, cuando el buque se encontraba en inmersión a profundidad de periscopio a fin de recargar su batería. A este ingenio, recuperado de la armada holandesa, se lo denominó "snorkel". Además se lograron técnicas para pasar a inmersión de manera muy rápida, menos de un minuto, si el vigía divisaba un avión.

  

Sin embargo, los sumergibles eran muy lentos en inmersión en comparación con los buques de escolta y su eficacia fue disminuyendo sensiblemente avanzado el conflicto. Con el empleo del snorkel, los diseñadores alemanes crearon los primeros submarinos verdaderos, denominados Tipo 21, 23 y 26 (este último con propulsión independiente del aire Walter), aunque llegaron muy tarde y no alcanzaron a entrar en combate. El Tipo 26 estaba en etapa experimental aún.

Estos desarrollos de apuro y necesidad dieron paso en los años posteriores a la 2da Guerra, a que las armadas aliadas echaran mano a los submarinos Tipo XXI alemanes, generando, por ejemplo, modificaciones en los sumergibles de la Flota de la US Navy de las clases Balao, Tench y Tang, llevados a un estándar intermedio entre el submarino y el sumergible que se los denominó Guppy. Los tipo 21 y 23 también dieron nacimiento de nuevas clases de submarinos convencionales por parte de astilleros de Gran Bretaña y la Unión Soviética. A los astilleros alemanes en la posguerra les fue permitido construir inicialmente submarinos de hasta 900 Tn y concretaron las exitosas clases 205, 206, 207 y 209 en su mayoría para la exportación.

Mientras los Guppy fueron una vanguardia en la primera etapa de la Guerra Fría, la US Navy apostó fuertemente al desarrollo de propulsión nuclear seguida de cerca por la Unión Soviética, países con capacidad económica para afrontar sus enormes costos.

El submarino nuclear (SSN) se propulsa merced al calor que se genera a partir de un reactor atómico que se comporta como una olla a presión donde se genera agua caliente a presión, en un segundo equipo llamado generador de vapor se transforma en vapor el cual al pasar por una turbina entrega la energía mecánica para accionar el eje de la hélice. La mayor parte de los SSN construidos, especialmente los de US Navy, han necesitado de una caja reductora de revoluciones entre la turbina de vapor y el eje de la hélice. Este mecanismo era "ruidoso" para los requerimientos de un submarino, pero con el correr de los años, la tecnología fue logrando disminuir sensiblemente tales emisiones sonoras. Esto se logró por medio de una turbina de acción directa sin reductor, más silenciosa pero de mayores dimensiones y que gira a las revoluciones de la hélice.

Otra manera de aprovechar la energía del reactor y reducir el ruido irradiado, es hacer pasar el vapor por generadores de electricidad y con estos alimentar un motor eléctrico de propulsión y el resto de los sistemas del submarino. La US Navy empleó unos pocos buques con este sistema con la finalidad de emplearlos como "hunter killer", los cuales aunque exitosos por su discreción, sus dimensiones, velocidad y habitabilidad no eran apropiados para singladuras de muchas semanas. La armada francesa optó por esta solución para sus submarinos de la clase Rubís y su evolución la clase Amethyste, de concepción mucho más económica que los norteamericanos y soviéticos. En la actualidad Alemania, Japón, Brasil y Corea tienen proyectos con este sistema de propulsión, y se esta pensando en volver a ella para los submarinos nucleares de la 5ta generación actualmente en diseño en Estados Unidos y Rusia, donde una de las opciones es utilizar propulsión eléctrica de corriente alterna.

Dada la enorme cantidad de energía entregada por su reactor, el submarino nuclear no tiene necesidad de hacer snorkel y sus únicas limitaciones residen en la capacidad de transportar alimentos y la resistencia psicológica de la tripulación de permanecer mucho tiempo confinado dentro del casco resistente sin contacto con el exterior.

En términos generales se reconocen por su capacidad militar, dos tipos de submarinos nucleares: los de ataque o hunter killer (SSN) equipados con torpedos y misiles tácticos y, los de bombardeo estratégico, equipados con misiles balísticos (SLBM) de cabezas múltiples nucleares (MIRV). No obstante en la actualidad se están incorporando nuevas siglas para submarinos que lanzan misiles tácticos dado su alcance, velocidad y empleo.

TIS - Tasa de Indiscreción en Superficie

El submarino convencional de propulsión diesel-eléctrica cada cierto período de tiempo, debe pasar a plano de periscopio con el fin de poder asomar el Snorkel (SNK) sobre la superficie y poner en marcha sus motores atmosféricos los que a su vez activarán los generadores con la finalidad de recargarla batería. El intenso flujo de aire proveniente de la atmósfera exterior que requieren los motores Diesel se aprovecha también, a través de ductos de derivación, para ventilar el interior del buque. En los momentos que se hace SNK el submarino se pone indiscreto, ya sea por el ruido que ocasionan los motores atmosféricos, por el incremento de la temperatura en su entorno debido a la salida de los gases de escape (registro térmico), como a la propia exposición del tubo del SNK.

Por lo expuesto, se denomina como Tasa de Indiscreción en Superficie (TIS) el porcentaje de tiempo que un submarino emplea haciendo SNK en función del tiempo total navegado.

El tiempo utilizado para recargar la batería no es siempre el mismo y depende de muchas variables. Durante el tránsito el submarino navega más rápido y por ende consume mayor cantidad de electricidad que cuando navega lentamente en patrulla.

Si bien cada clase de submarino tiene su propio manual de funcionamiento, podemos ejemplificar que en general se procede a realizar SNK durante el tránsito cuando la reserva de energía de la batería ronda el 50% y se la carga hasta el 80%. Esta diferencia es más reducida en patrulla dependiendo de la situación táctica del buque.

También se puede indicar que un submarino navegando en SNK a 10 nudos tardará mucho más en recargar que si navega a 5 nudos, a 10 nudos consume 8 veces más energía que a 5 nudos. Otro elemento fundamental que varía la TIS, es el estado de la batería. Con el correr del tiempo y el uso, el contenido interno (electrolito) de los vasos que componen la batería se irá desgastando y la curva de carga se irá incrementando como así también se descargará más rápido. Otro inconveniente es que si las baterías se cargan demasiado rápido para reducir la tasa de indiscreción se corre el riesgo de generar hidrogeno el cual es explosivo. Del mismo modo si los motores atmosféricos se encuentran desgastados por el uso, no tendrán la misma potencia original y por ello los generadores no entregarán de manera eficiente la corriente para la carga de la batería.

El estado de la superficie del océano puede afectar asimismo la admisión de aire a través del SNK y con ello provocar intermitencia del funcionamiento de los motores atmosféricos.

A pesar que el empleo del SNK permitió convertir a los sumergibles en submarinos y debido al bajo nivel de ruido del motor eléctrico poseen firmas acústicas muy bajas, la tecnología va acotando la indiscutida discreción del submarino convencional en comparación con el nuclear.

Si bien los países que lideran en la construcción de submarinos convencionales (Alemania, Suecia, Francia, Japón) trabajan en sistemas para disminuir la TIS, hasta el momento la TIS=0 sólo es alcanzada por la propulsión nuclear en los submarinos oceánicos.

Submarino híbrido

A partir de los años 80, debido a las necesidades de la mayoría de las armadas del mundo que no pueden acceder a la propulsión nuclear, astilleros de Alemania, Suecia y Francia entre otros, trabajaron para desarrollar sistemas que pudieran generar electricidad con el submarino navegando a plano profundo, recuperando el espíritu del sistema Walter alemán de la 2da Guerra. Así en los albores del Siglo XXI aparecieron algunos sistemas AIP (Propulsión Independiente del Aire) que en la actualidad equipan a una veintena de submarinos. Los principales sistemas AIP son:

• Fuel Cell (celda de combustible): Clases 212 y 214, Alemania.
• Motor Stirling: Clase Gotland, Suecia y Soryu (1ra serie), Japón.
• Mesma: sistema francés para Clase Khalid, Paquistán.
• CCD (Circuito Cerrado Diesel): propuesta alemana económica para submarinos clase 209, ningún buque en servicio con este sistema.

Como los sistemas AIP entregan una limitada cantidad de energía, complementan la propulsión Diesel eléctrica. Esta última se la utiliza para la navegación en tránsito y se reserva la AIP para las patrullas a baja velocidad. Un submarino con AIP lleva la TIS a cero durante la patrulla y puede permanecer sumergido por más de una semana. Una vez consumido el combustible y el comburente que permite el funcionamiento del sistema AIP, el submarino continúa con la propulsión Diesel eléctrica con su TIS normal para el tránsito de regreso a su base de asiento o una eventual continuación de la patrulla.

Diesel eléctrica/nuclear

Una propuesta superior a las mencionadas es la propulsión Diesel eléctrica/nuclear. En ella se emplea un reactor compacto de baja potencia para alimentar el motor eléctrico de propulsión y para cargar la batería sin necesidad de hacer SNK, por lo que se obtiene una TIS=0 tanto para el tránsito como para la patrulla. De esta manera se obtiene una elevada y sostenida velocidad de tránsito en comparación con otros submarinos convencionales. Sin embargo por ser un reactor de baja potencia, para altas velocidades el buque sumará la energía de la batería para llevar al motor eléctrico de propulsión a su performance más alta. Rusia ha construido un submarino prototipo con esta configuración recientemente, el B-90 Sarov Proyecto 20120, sus características son secretas pero se especula que es muy silencioso e ideal para zonas litorales extensas.

Reactor nuclear compacto para TR1700

En respuesta a un pedido del Poder Ejecutivo Nacional en 2010, se delegó en el Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) un estudio de propulsión nuclear para el submarino TR-1700. Ello se llevó a cabo en el Centro Atómico Bariloche entre el 2011 y la actualidad donde se desarrolló y completó la ingeniería conceptual de un Reactor Nuclear Compacto (RNC).

El RNC es apto para instalar en el casco de un TR-1700 u otro modelo de submarino con un casco resistente de similares dimensiones y garantiza una operación por más de 20 años usando Uranio de bajo enriquecimiento. El RNC opera todo un ciclo hasta la media vida del submarino, unos 20 años, sin requerir cambios de elementos combustibles. Esta característica es distintiva de los reactores de 4ª generación como las clases Seawolf y Virginia de la US Navy y Astute de la Royal Navy actualmente en construcción.

En la propuesta se prescinde de los cuatro motores Diesel MTU actualmente instalados, sus correspondientes generadores y la totalidad del sector de popa de la batería. No obstante está prevista la instalación de un par de motores diesel auxiliares de menores dimensiones y más modernos de gran confiabilidad y usados extensamente en submarinos como el MTUMB396.

Principales hitos y actividades

El equipo de ingenieros (nucleares, mecánicos, navales, etc) identificaron los desarrollos tecnológicos necesarios para lograr el RNC y sistemas asociados:

• Tecnología de Generadores de Vapor.
• Combustibles nucleares de alto rendimiento concebidos para mantener su integridad a pesar de la pérdida del submarino y que permitan cambios rápidos de potencia.
• Blindajes avanzados de radiación.
• Actuadores de barras de control.
• Integración naval.

Lineamientos generales para el RNC

• Reactor tipo PWR, espectro térmico, refrigerante y moderador de agua liviana.
• Potencia térmica: 10 MW.
• Potencia eléctrica: 1,5 – 2,0 MW (Ciclo Rankine) ampliable a 4 MW.
• Presión de primario: 120 bar, Secundario: 40 bar.
• Tiempo de operación a plena carga:+10 años (4.000 días).
• No está previsto el recambio de elementos combustibles.

Análisis preliminar

• El espacio debería ser suficiente para almacenar una planta de propulsión de entre 10Mwt y hasta unos 50Mwt.
• La planta debería pesar lo mismo que la actual 988 ton. (Incluye motores Diesel, generadores, Motor Eléctrico de Propulsión – MEP, 480 toneladas de baterías y combustible).

De esto corresponden, según Kormilitzin en su libro de diseño de submarinos: 

• NSSS 454 ton (Nuclear Steam Supply System corresponde con el reactor y generadores de vapor)
• Turbina de vapor, condensadores y planta de propulsión eléctrica 217 ton
• Blindaje 128 ton
• Eje propulsión y generadores Diesel de emergencia 79 ton
• Baterías 89 ton
• Márgenes a distribuir 30 ton.
• Se pueden recuperar además un tercio de las 380 toneladas de combustible y cargas variables llevándolas a 130 o150 toneladas, lo que devuelve un margen de 230 toneladas que pueden ser utilizadas en aumento de reserva de flotación (tanques de balasto internos), incremento del banco de baterías, u otros destinos según necesidad.
• Necesidad de construir al menos dos instalaciones nucleares Clase I según la Autoridad Regulatoria Nuclear, una en su base de asiento y mantenimiento y otra que es un prototipo en tierra de la planta de propulsión para estudios, ensayos y posterior entrenamiento delas tripulaciones.

Consideraciones

Todos los sistemas AIP emplean combustibles y/o comburentes de complicado manejo como el oxígeno a muy alta presión o el hidrógeno, que requiere recipientes especiales para ser transportado y plantas de producción cercanas a la base de asiento.

En la Argentina, por cuestiones de falta de requerimientos, no se manejan las tecnologías de AIP como para ser instalados en un submarino. Algunos de los centros tecnológicos, como CITEDEF por ejemplo, han trabajado las celdas de combustible a nivel experimental pero posiblemente más enfocados a una energía limpia para la actividad antártica que para una AIP. Por lo tanto, la tecnología de una fuente de energía de este tipo debe ser importada o comenzar un proceso de investigación y desarrollo que puede llevar muchos años.

Por el contrario, la Argentina posee una sólida trayectoria y experiencia en tecnología nuclear a través de la Comisión Nacional de Energía Atómica, dependencias de investigación allegadas, la empresa estatal INVAP y un importante número de empresas privadas habitualmente proveedoras de insumos para la actividad.

Por el estado del desarrollo del proyecto RNC para submarinos TR 1700 y el prestigio indudable de la CNEA, las autoridades del Poder Ejecutivo deberían sin dudar retomar y continuar el financiamiento de las próximas etapas correspondientes.

Aplicaciones del concepto RNC.

Conclusiones

Sin el menor lugar a dudas el submarino con una propulsión híbrida, como la Diesel eléctrica/nuclear, satisface plenamente las soluciones necesarias en respuesta al planeamiento por capacidades, actualmente en vigencia en los planes de la defensa de Argentina. No obstante un desarrollo de este tipo no debe ser un fruto aislado. Por el contrario debe formar parte de un plan estratégico de construcciones navales militares que se requieren en el mediano y largo plazo para cumplimentar los requerimientos navales (buque polar, avisos de alta mar, transportes navales Roll On Roll Off, remolcadores, buque de proyección estratégica y ayuda humanitaria, dique flotante, etc.) Además dicho plan debe contemplar la recuperación de los medios existentes con posibilidad de extensión de su vida útil.

De ninguna manera puede interponerse como limitante al desarrollo mencionado, la situación actual de la economía del país, ya que si se espera a iniciar otra vez el proceso de investigación y desarrollo cuando la situación económica mejore, habremos perdido una preciosa cantidad de años. Se debe tener en cuenta que dentro de los costos ya se encuentra amortizada toda la investigación y desarrollo realizado hasta el día de la fecha y ello es algo que no nos debemos permitir que se pierda como en otras oportunidades (Pulqui II, proyecto Cóndor, patrulleras de alta mar -PAM).

Como ejemplo palmario exhortamos al poder político que observe y re elabore los decretos 768/74 y 956/74 para la comprensión de lo que es un plan estratégico de construcciones navales militares, los cuales permitieron a la Argentina la modernización integral de su Armada entre fines de los años 70 y principios de los 80. Es importante destacar que a pesar de la delicada coyuntura política y económica de mediados de los años 70, ello no impidió la elaboración y concreción de un plan maestro estratégico, el que se cumplió casi en su totalidad. Además hoy se requiere de la generación de puestos de mano de obra de toda calificación, de la recuperación de una industria naval, de la que el país fue el principal exponente en Latinoamérica, con diversos astilleros privados y estatales.

Llegados al 2024

Ya han pasado unos seis años desde aquella presentación y en ese transcurso de tiempo han ocurrido decisiones y opciones de gobierno, además de las novedades de los últimos conflictos globales:

1. La Armada Argentina decidió no continuar con ninguno de los dos submarinos TR-1700 que están en el Astillero.
2. Durante el gobierno del presidente Macri, influido por algún personaje, se “suspendió” el desarrollo del RNC.
3. Durante el gobierno del presidente Fernández se retomaron limitadamente los contactos entre la Armada y especialistas de la CNEA.
4. La Armada le indicó al MinDef que tanto la propuesta alemana como la francesa para la construcción de nuevos submarinos son acordes a los requerimientos del arma. El diámetro del casco resistente de las naves debe ser apto para incorporar en el futuro un RNC.
5. El nuevo submarino Peral de la Armada de España dispone un sistema AIP nacido en Argentina.
6. La evolución de los satélites, las aeronaves no tripuladas con sensores, entre otros elementos, indican de manera indudable que los tiempo del submarino Diesel sin sistemas de propulsión independiente del aire se acerca a su fin.
7. Desde ahora se deben prever nuevos lugares de apoyo logístico de unidades submarinas.

Finalmente creemos que este año tan especial podría ser el punto de apoyo de un nuevo impulso a este proyecto estratégico que requiere de varios lustros de concreción.

Agradecemos la colaboración del ingeniero mecánico PhD del MIT José Converti del Instituto Balseiro y ingeniero industrial Humberto Vinante de la UTN para la realización de esta nota.

Fuente: deyseg.com