Päťdesiate roky minulého storočia boli obdobím rýchleho rozvoja jadrovej technológie. Veľmoci budovali svoj jadrový arzenál, cestou stavali jadrové elektrárne, ľadoborce, ponorky a vojnové lode s jadrovými elektrárňami. Nové technológie boli veľkým prísľubom. Napríklad jadrová ponorka nemala žiadne obmedzenia cestovného dosahu v ponorenej polohe a „tankovanie“elektrárne bolo možné vykonávať každých niekoľko rokov. Jadrové reaktory mali samozrejme aj nevýhody, ale ich inherentné výhody viac ako vyvážili všetky náklady na bezpečnosť. V priebehu času sa vysoký potenciál jadrových energetických systémov zaujímal nielen o velenie námorných síl, ale aj o vojenské letectvo. Lietadlo s reaktorom na palube by mohlo mať oveľa lepšie letové vlastnosti ako jeho benzínové alebo petrolejové obdoby. Armádu v prvom rade upútal teoretický dolet takého bombardéra, dopravného lietadla alebo protiponorkového lietadla.
Koncom štyridsiatych rokov minulého storočia sa z bývalých spojencov vo vojne s Nemeckom a Japonskom - USA a ZSSR - zrazu stali trpkí nepriatelia. Geografické vlastnosti vzájomnej polohy oboch krajín si vyžiadali vytvorenie strategických bombardérov s medzikontinentálnym doletom. Stará technológia už nedokázala zabezpečiť dodávku atómovej munície na iný kontinent, čo si vyžadovalo vytvorenie nových lietadiel, vývoj raketovej technológie atď. Už v štyridsiatych rokoch bola v mysliach amerických inžinierov zrelá myšlienka inštalácie jadrového reaktora na lietadlo. Vtedajšie výpočty ukázali, že lietadlo porovnateľné hmotnosťou, veľkosťou a letovými parametrami s bombardérom B-29 dokázalo pri jednom tankovaní jadrového paliva stráviť vo vzduchu najmenej päťtisíc hodín. Inými slovami, aj pri vtedajších nedokonalých technológiách by mohol jadrový reaktor na palube s jediným tankovaním poskytovať lietadlu energiu počas celej jeho životnosti.
Druhou výhodou vtedajších hypotetických atomikoletov boli teploty dosahované reaktorom. Pri správnej konštrukcii jadrovej elektrárne by bolo možné zlepšiť existujúce prúdové motory zahrievaním pracovnej látky pomocou reaktora. Tak bolo možné zvýšiť energiu prúdových plynov motora a ich teplotu, čo by viedlo k významnému zvýšeniu ťahu takého motora. V dôsledku všetkých teoretických úvah a výpočtov sa lietadlá s jadrovými motormi v niektorých hlavách zmenili na univerzálne a neporaziteľné dodávkové vozidlo pre atómové bomby. Ďalšia praktická práca však ochladila horlivosť takýchto „snílkov“.
Program NEPA
V roku 1946 novovytvorené americké ministerstvo obrany otvorilo projekt NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). Cieľom tohto programu bolo študovať všetky aspekty moderných jadrových elektrární pre lietadlá. Fairchild bola vymenovaná za vedúceho dodávateľa programu NEPA. Bola poverená študovať perspektívy strategických bombardérov a vysokorýchlostných prieskumných lietadiel vybavených jadrovými elektrárňami, ako aj formovať ich vzhľad. Zamestnanci spoločnosti Fairchild sa rozhodli začať pracovať na programe s najaktuálnejším problémom: bezpečnosť pilotov a personálu údržby. Za týmto účelom bola kapsula s niekoľkými gramami rádia umiestnená do nákladného priestoru bombardéra používaného ako lietajúce laboratórium. Experimentálnych letov sa namiesto časti pravidelnej posádky zúčastnili zamestnanci spoločnosti „vyzbrojení“Geigerovým pultom. Napriek relatívne malému množstvu rádioaktívnych kovov v nákladnom priestore žiarenie pozadia prekročilo prípustnú úroveň vo všetkých obytných objemoch lietadla. V dôsledku týchto štúdií sa zamestnanci Fairchild museli dostať k výpočtom a zistiť, akú ochranu bude reaktor potrebovať na zaistenie riadnej bezpečnosti. Už predbežné výpočty jasne ukázali, že lietadlo B-29 jednoducho nebude schopné uniesť takú hmotnosť a objem existujúceho nákladného priestoru neumožní umiestniť reaktor bez demontáže stojanov s bombami. Inými slovami, v prípade B-29 by si človek musel vybrať medzi dlhým letovým dosahom (a dokonca aj vtedy, vo veľmi vzdialenej budúcnosti) a aspoň nejakým druhom užitočného zaťaženia.
Ďalšie práce na vytvorení predbežného návrhu leteckého reaktora narážali na nové a nové problémy. Po neprijateľných parametroch hmotnosti a veľkosti sa objavili ťažkosti s ovládaním reaktora za letu, účinnou ochranou posádky a štruktúry, prenosom energie z reaktora na vrtule a podobne. Nakoniec sa ukázalo, že aj pri dostatočne serióznej ochrane môže žiarenie z reaktora negatívne ovplyvniť výkonovú zostavu lietadla a dokonca aj mazanie motorov, nehovoriac o elektronickom zariadení a posádke. Podľa výsledkov predbežných prác mal program NEPA do roku 1948 napriek vynaloženým desiatim miliónom dolárov veľmi pochybné výsledky. V lete 48 sa v Massachusettskom technologickom inštitúte konala uzavretá konferencia na tému perspektívy jadrových elektrární pre lietadlá. Po niekoľkých sporoch a konzultáciách prišli inžinieri a vedci, ktorí sa zúčastnili na tejto udalosti, k záveru, že v zásade bolo možné vytvoriť atómové lietadlo, ale jeho prvé lety boli pripísané iba v polovici šesťdesiatych rokov alebo dokonca ešte neskôr dátum.
Na konferencii na MIT bolo oznámené vytvorenie dvoch konceptov pre pokročilé jadrové motory, otvorených a uzavretých. „Otvorený“jadrový prúdový motor bol druhom konvenčného prúdového motora, v ktorom sa vstupujúci vzduch ohrieva pomocou horúceho jadrového reaktora. Horúci vzduch bol vyhodený von cez dýzu a súčasne otáčal turbínu. Ten uviedol do pohybu obežné kolesá kompresora. O nevýhodách takéhoto systému sa okamžite diskutovalo. Vzhľadom na potrebu kontaktu vzduchu s vykurovacími časťami reaktora spôsobovala jadrová bezpečnosť celého systému špeciálne problémy. Navyše, pre prijateľné usporiadanie lietadla musel byť reaktor takéhoto motora veľmi, veľmi malý, čo ovplyvnilo jeho výkon a úroveň ochrany.
Podobným spôsobom musel fungovať aj uzavretý jadrový prúdový motor s tým rozdielom, že vzduch vo vnútri motora by sa zahrial pri kontakte so samotným reaktorom, ale v špeciálnom výmenníku tepla. Priamo z reaktora bolo v tomto prípade navrhnuté ohriať určité chladivo a vzduch musel získať teplotu pri kontakte s radiátormi primárneho okruhu vo vnútri motora. Turbína a kompresor zostali na svojom mieste a fungovali úplne rovnako ako na prúdových alebo otvorených jadrových motoroch. Motor s uzavretým okruhom neukladal žiadne zvláštne obmedzenia na rozmery reaktora a umožnil výrazne znížiť emisie do životného prostredia. Na druhej strane zvláštnym problémom bol výber chladiva na prenos energie reaktora do vzduchu. Rôzne chladiace kvapaliny a kvapaliny neposkytovali správnu účinnosť a kovové chladenie pred štartom motora vyžadovalo predohrev.
Počas konferencie bolo navrhnutých niekoľko pôvodných metód na zvýšenie úrovne ochrany posádky. V prvom rade sa týkali vytvorenia nosných prvkov vhodnej konštrukcie, ktoré by nezávisle chránili posádku pred žiarením reaktora. Menej optimistickí vedci navrhli neriskovať pilotov alebo aspoň ich reprodukčnú funkciu. Preto bol predložený návrh na zabezpečenie najvyššej možnej úrovne ochrany a nábor posádok zo starších pilotov. Nakoniec sa objavili nápady týkajúce sa vybavenia nádejného atómového lietadla systémom diaľkového ovládania tak, aby ľudia počas letu vôbec neriskovali svoje zdravie. Pri diskusii o poslednej možnosti prišiel nápad umiestniť posádku do malého vetroňa, ktorý mal byť vlečený za lietadlom s atómovým pohonom na kábli dostatočnej dĺžky.
Program ANP
Konferencia na MIT, ktorá slúžila ako druh stretnutia brainstormingu, mala pozitívny vplyv na ďalší priebeh programu výroby lietadiel s atómovým pohonom. V polovici roku 1949 spustila americká armáda nový program s názvom ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Pracovný plán tentokrát zahŕňal prípravy na vytvorenie plnohodnotného lietadla s jadrovou elektrárňou na palube. Z dôvodu ďalších priorít bol zmenený zoznam podnikov zapojených do programu. Lockheed a Convair boli teda najatí ako vývojári draku sľubného lietadla a General Electric a Pratt & Whitney mali za úlohu pokračovať vo Fairchildovej práci na jadrovom prúdovom motore.
V počiatočných fázach programu ANP sa zákazník viac zameral na bezpečnejší uzavretý motor, ale spoločnosť General Electric uskutočnila „kontakt“s vojenskými a vládnymi predstaviteľmi. Zamestnanci spoločnosti General Electric tlačili na jednoduchosť a v dôsledku toho na lacnosť otvoreného motora. Podarilo sa im presvedčiť zodpovedných a v dôsledku toho bol smer jazdy programu ANP rozdelený na dva nezávislé projekty: „otvorený“motor vyvinutý spoločnosťou General Electric a motor s uzavretým okruhom od spoločnosti Pratt & Whitney. General Electric sa čoskoro podarilo presadiť svoj projekt a dosiahnuť preň osobitnú prioritu, a v dôsledku toho aj dodatočné financovanie.
V priebehu programu ANP bol k už existujúcim možnostiam jadrového motora pridaný ďalší. Tentoraz bolo navrhnuté vyrobiť motor, ktorý by sa svojou štruktúrou podobal jadrovej elektrárni: reaktor ohrieva vodu a výsledná para poháňa turbínu. Ten prenáša silu na vrtuľu. Ukázalo sa, že taký systém, ktorý má nižšiu účinnosť v porovnaní s ostatnými, je najrýchlejší a najpohodlnejší pre najrýchlejšiu výrobu. Napriek tomu sa táto verzia elektrárne pre lietadlá s atómovým pohonom nestala tou hlavnou. Po niekoľkých porovnaniach sa klient a dodávatelia ANP rozhodli pokračovať vo vývoji „otvorených“a „uzavretých“motorov, pričom parnú turbínu ponechali ako záložnú.
Prvé vzorky
V rokoch 1951-52 sa program ANP priblížil k možnosti postaviť prvé prototypové lietadlo. Ako základ pre to bol vzatý v tom čase vyvíjaný bombardér Convair YB-60, ktorým bola hlboká modernizácia B-36 so zdvihnutým krídlom a prúdovými motormi. Elektráreň P-1 bola špeciálne navrhnutá pre YB-60. Jeho základ tvorila valcová jednotka s reaktorom vo vnútri. Jadrové zariadenie poskytovalo tepelný výkon asi 50 megawattov. K reaktoru boli prostredníctvom potrubného systému pripojené štyri prúdové motory GE XJ53. Po kompresore motora prešiel vzduch potrubím okolo jadra reaktora a po zahriatí bol vyhodený von cez dýzu. Výpočty ukázali, že samotný vzduch na chladenie reaktora nebude stačiť, preto boli do systému zavedené nádrže a potrubia na roztok bórovej vody. Všetky systémy elektrárne napojené na reaktor boli plánované namontovať do zadného nákladného priestoru bombardéra, pokiaľ možno od obývateľných objemov.
Prototyp YB-60
Stojí za zmienku, že sa plánovalo aj opustenie pôvodných prúdových motorov v lietadle YB-60. Faktom je, že jadrové motory s otvoreným okruhom znečisťujú životné prostredie a nikto by nedovolil, aby sa to robilo v bezprostrednej blízkosti letísk alebo osád. Atómová elektráreň mala navyše kvôli technickým vlastnostiam zlú odozvu na plyn. Preto bolo jeho použitie pohodlné a prijateľné iba pre dlhé lety cestovnou rýchlosťou.
Ďalším preventívnym opatrením, ale iného charakteru, bolo vytvorenie dvoch ďalších lietajúcich laboratórií. Prvý z nich, označený ako NB-36H a vlastným menom Crusader („Crusader“), mal skontrolovať bezpečnosť posádky. Na sériový B-36 bola nainštalovaná dvanásťtonová zostava kokpitu zostavená z hrubých oceľových plechov, olovených panelov a 20-cm skla. Pre dodatočnú ochranu bola za kabínou nádrž na vodu s bórom. V chvostovej časti Crusaderu, v rovnakej vzdialenosti od kokpitu ako na YB-60, bol nainštalovaný experimentálny reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) s výkonom asi jeden megawatt. Reaktor bol chladený vodou, ktorá prenášala teplo jadra na výmenníky tepla na vonkajšom povrchu trupu. Reaktor ASTR nevykonával žiadnu praktickú úlohu a fungoval iba ako experimentálny zdroj žiarenia.
NB-36H (X-6)
Testovacie lety laboratória NB-36H vyzerali takto: piloti zdvihli lietadlo s tlmeným reaktorom do vzduchu, odleteli do testovacej oblasti nad najbližšiu púšť, kde sa uskutočnili všetky experimenty. Na konci experimentov bol reaktor vypnutý a lietadlo sa vrátilo na základňu. Spolu s Crusaderom odštartoval z letiska Carswell ďalší bombardér B-36 s prístrojovým vybavením a transportom s výsadkármi Marine. V prípade havárie prototypu lietadla mali námorníci pristáť pri troskách, uzavrieť oblasť a podieľať sa na odstraňovaní následkov nehody. Našťastie všetkých 47 letov s fungujúcim reaktorom sa zaobišlo bez núteného záchranného pristátia. Testovacie lety ukázali, že lietadlo poháňané jadrovou energiou nepredstavuje žiadne vážne ohrozenie životného prostredia, samozrejme, pri správnej prevádzke a bez incidentov.
Druhé lietajúce laboratórium s označením X-6 malo byť tiež prestavané z bombardéra B-36. Na toto lietadlo sa chystali nainštalovať kokpit, podobný jednotke „križiackeho kríža“, a uprostred trupu namontovať jadrovú elektráreň. Ten bol navrhnutý na základe jednotky P-1 a vybavený novými motormi GE XJ39, vytvorenými na základe prúdových motorov J47. Každý zo štyroch motorov mal ťah 3100 kgf. Je zaujímavé, že jadrová elektráreň bola monoblok určený na montáž na lietadlo tesne pred letom. Po pristátí bolo v pláne odviezť X-6 do špeciálne vybaveného hangáru, odstrániť reaktor s motormi a dať ich do špeciálneho skladovacieho zariadenia. V tejto fáze práce bola tiež vytvorená špeciálna čistiaca jednotka. Faktom je, že po odstavení kompresorov prúdových motorov sa reaktor prestal chladiť s dostatočnou účinnosťou a boli potrebné ďalšie prostriedky na zaistenie bezpečného vypnutia reaktora.
Predletová kontrola
Pred začiatkom letov lietadiel s plnohodnotnou jadrovou elektrárňou sa americkí inžinieri rozhodli vykonať príslušný výskum v pozemných laboratóriách. V roku 1955 bola zostavená experimentálna inštalácia HTRE-1 (Experimenty s prenosom tepla). Päťdesiattonová jednotka bola zostavená na základe železničného nástupišťa. Pred začatím experimentov ho teda mohli vziať ľuďom. Jednotka HTRE-1 používala tienený kompaktný uránový reaktor s použitím berýlia a ortuti. Na platformu boli tiež umiestnené dva motory JX39. Začali sa používať petrolej, potom motory dosiahli prevádzkové otáčky, načo bol na príkaz z ovládacieho panela vzduch z kompresora presmerovaný do pracovnej oblasti reaktora. Typický experiment s HTRE-1 trval niekoľko hodín a simuloval dlhý let bombardéra. V polovici roku 56 dosiahla experimentálna jednotka tepelnú kapacitu viac ako 20 megawattov.
HTRE-1
Následne bola jednotka HTRE-1 prepracovaná podľa aktualizovaného projektu, po ktorom dostala názov HTRE-2. Nový reaktor a nové technické riešenia poskytovali výkon 14 MW. Druhá verzia experimentálnej elektrárne však bola príliš veľká na inštaláciu v lietadlách. Preto do roku 1957 začal návrh systému HTRE-3. Bol to hlboko modernizovaný systém P-1, prispôsobený na prácu s dvoma prúdovými motormi. Kompaktný a ľahký systém HTRE-3 poskytoval tepelný výkon 35 megawattov. Na jar 1958 sa začali testy tretej verzie komplexu pozemných skúšok, ktoré plne potvrdili všetky výpočty a hlavne vyhliadky na takúto elektráreň.
Ťažký uzavretý okruh
Kým spoločnosť General Electric uprednostňovala motory s otvoreným okruhom, spoločnosť Pratt & Whitney nemrhala časom pri vývoji vlastnej verzie uzavretej jadrovej elektrárne. V spoločnosti Pratt & Whitney okamžite začali skúmať dva varianty takýchto systémov. Prvý naznačoval najzrejmejšiu štruktúru a prevádzku zariadenia: chladiaca kvapalina cirkuluje v jadre a prenáša teplo do zodpovedajúcej časti prúdového motora. V druhom prípade bolo navrhnuté mletie jadrového paliva a jeho umiestnenie priamo do chladiacej kvapaliny. V takom systéme by palivo cirkulovalo po celom okruhu chladiacej kvapaliny, k jadrovému štiepeniu by však došlo iba v jadre. Malo to byť dosiahnuté pomocou správneho tvaru hlavného objemu reaktora a potrubí. Výsledkom výskumu bolo, že bolo možné určiť najefektívnejšie tvary a veľkosti takého systému potrubí na cirkuláciu chladiacej kvapaliny s palivom, čo zaistilo efektívnu prevádzku reaktora a pomohlo poskytnúť dobrú úroveň ochrany pred žiarením..
Cirkulačný palivový systém sa zároveň ukázal ako príliš zložitý. Ďalší vývoj sledoval predovšetkým cestu „stacionárnych“palivových článkov omývaných kovovým chladivom. Ako posledne menované boli brané do úvahy rôzne materiály, ale ťažkosti s odolnosťou potrubí voči korózii a zabezpečením obehu tekutého kovu nám neumožnili zdržať sa kovového chladiva. Výsledkom bolo, že reaktor musel byť navrhnutý tak, aby používal vysoko prehriatu vodu. Podľa výpočtov mala voda v reaktore dosiahnuť teplotu asi 810-820 °. Aby bol udržaný v tekutom stave, bolo potrebné v systéme vytvoriť tlak asi 350 kg / cm2. Ukázalo sa, že systém je veľmi zložitý, ale oveľa jednoduchší a vhodnejší ako reaktor s kovovým chladivom. V roku 1960 spoločnosť Pratt & Whitney dokončila práce na svojej jadrovej elektrárni pre lietadlá. Začali sa prípravy na testovanie hotového systému, ale nakoniec tieto testy neprebehli.
Smutný koniec
Programy NEPA a ANP pomohli vytvoriť desiatky nových technológií a množstvo zaujímavých know-how. Ich hlavný cieľ - vytvorenie atómového lietadla - ani v roku 1960 sa však nepodarilo splniť v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov. V roku 1961 sa k moci dostal J. Kennedy, ktorý sa okamžite začal zaujímať o pokroky v jadrovej technológii pre letectvo. Pretože tieto neboli dodržané a náklady na programy dosiahli úplne obscénne hodnoty, ukázal sa osud ANP a všetkých lietadiel s atómovým pohonom ako veľká otázka. Viac ako desať a pol roka bolo na výskum, návrh a stavbu rôznych testovacích jednotiek vynaložených viac ako miliarda dolárov. Konštrukcia hotového lietadla s jadrovou elektrárňou bola zároveň stále otázkou ďalekej budúcnosti. Samozrejme, dodatočné výdavky na peniaze a čas by mohli atómové lietadlo prakticky využiť. Kennedyho administratíva sa však rozhodla inak. Náklady na program ANP neustále rástli, ale nedosiahol žiadny výsledok. Balistické rakety navyše naplno dokázali svoj vysoký potenciál. V prvej polovici 61. roka nový prezident podpísal dokument, podľa ktorého mali byť zastavené všetky práce na lietadlách s atómovým pohonom. Stojí za zmienku, že krátko predtým, v 60. roku, Pentagon urobil kontroverzné rozhodnutie, podľa ktorého boli zastavené všetky práce na elektrárňach otvoreného typu a všetky finančné prostriedky boli pridelené „uzavretým“systémom.
Napriek určitému úspechu v oblasti vytvárania jadrových elektrární pre letectvo bol program ANP považovaný za neúspešný. Na nejaký čas, súčasne s ANP, boli vyvinuté jadrové motory pre sľubné rakety. Tieto projekty však nepriniesli očakávaný výsledok. Postupom času boli tiež zatvorené a práce v smere jadrových elektrární pre lietadlá a rakety sa úplne zastavili. Čas od času sa rôzne súkromné spoločnosti pokúšali uskutočniť takýto vývoj z vlastnej iniciatívy, ale žiadny z týchto projektov nezískal vládnu podporu. Americké vedenie, ktoré stratilo dôveru v perspektívy lietadiel s atómovým pohonom, začalo s vývojom jadrových elektrární pre flotilu a jadrových elektrární.
