Pedesete godine prošlog stoljeća bile su razdoblje brzog razvoja nuklearne tehnologije. Supersile su izgradile svoje nuklearne arsenale, usput gradeći nuklearne elektrane, ledolomce, podmornice i ratne brodove. Nove tehnologije dale su velika obećanja. Na primjer, nuklearna podmornica nije imala nikakvih ograničenja za domet krstarenja u potopljenom položaju, a "punjenje gorivom" elektrane moglo se obaviti svakih nekoliko godina. Naravno, nuklearni reaktori imali su i nedostatke, ali njihove inherentne prednosti više nego nadoknađuju sve troškove sigurnosti. S vremenom je veliki potencijal sustava nuklearne energije zainteresirao ne samo zapovjedništvo mornarica, već i vojno zrakoplovstvo. Zrakoplov s reaktorom na brodu mogao bi imati mnogo bolje letne karakteristike od svojih kolega iz benzina ili petroleja. Prije svega, vojsku je privukao teoretski domet takvog bombardera, transportnog zrakoplova ili protupodmorničkog zrakoplova.
Krajem 1940 -ih, bivši saveznici u ratu s Njemačkom i Japanom - SAD i SSSR - odjednom su postali ogorčeni neprijatelji. Geografske značajke međusobnog položaja obje zemlje zahtijevale su stvaranje strateških bombardera s međukontinentalnim dometom. Stara tehnologija već nije mogla osigurati isporuku atomskog streljiva na drugi kontinent, što je zahtijevalo stvaranje novih zrakoplova, razvoj raketne tehnologije itd. Već u četrdesetima ideja američkog inženjera o ugradnji nuklearnog reaktora u zrakoplov bila je zrela. Proračuni tog vremena pokazali su da bi zrakoplov usporediv po težini, veličini i parametrima leta s bombarderima B-29 mogao provesti najmanje pet tisuća sati u zraku pri jednom punjenju nuklearnim gorivom. Drugim riječima, čak i uz nesavršene tehnologije tog vremena, nuklearni reaktor na brodu sa samo jednim punjenjem goriva mogao bi zrakoplovu osigurati energiju tijekom cijelog njegova vijeka trajanja.
Druga prednost tadašnjih hipotetičkih atomikoleta bila je temperatura koju je reaktor dosegao. Pravilnim projektiranjem nuklearne elektrane bilo bi moguće poboljšati postojeće turboreaktivne motore zagrijavanjem radne tvari uz pomoć reaktora. Tako je postalo moguće povećati energiju mlaznih plinova motora i njihovu temperaturu, što bi dovelo do značajnog povećanja potiska takvog motora. Kao rezultat svih teoretskih razmatranja i proračuna, zrakoplovi s nuklearnim motorima u nekim glavama pretvorili su se u univerzalno i nepobjedivo vozilo za dostavu atomskih bombi. Međutim, daljnji praktični rad ohladio je žar takvih "sanjara".
NEPA program
Davne 1946. godine novoosnovano Ministarstvo obrane SAD -a otvorilo je projekt NEPA (Nuklearna energija za pogon zrakoplova). Cilj ovog programa bio je proučiti sve aspekte naprednih nuklearnih elektrana za zrakoplove. Fairchild je imenovan za glavnog izvođača radova za program NEPA. Upućena je da prouči izglede za strateške bombardere i izviđačke zrakoplove velikih brzina opremljene nuklearnim elektranama, kao i da oblikuje izgled potonjih. Zaposlenici tvrtke Fairchild odlučili su započeti rad na programu s najhitnijim pitanjem: sigurnošću pilota i osoblja za održavanje. Za to je kapsula s nekoliko grama radija stavljena u teretni prostor bombardera koji se koristio kao leteći laboratorij. Umjesto dijela redovne posade, u eksperimentalnim letovima sudjelovali su zaposlenici tvrtke, "naoružani" Geigerovim šalterima. Unatoč relativno maloj količini radioaktivnog metala u teretnom prostoru, pozadinsko zračenje premašilo je dopuštenu razinu u svim nastanjivim prostorima zrakoplova. Kao rezultat ovih studija, zaposlenici tvrtke Fairchild morali su pristupiti izračunima i saznati kakvu će zaštitu reaktor trebati kako bi se osigurala odgovarajuća sigurnost. Već su preliminarni izračuni jasno pokazali da zrakoplov B-29 jednostavno neće moći nositi takvu masu, a volumen postojećeg teretnog prostora neće dopustiti postavljanje reaktora bez demontaže nosača bombi. Drugim riječima, u slučaju B-29 morao bi se birati između dugog doleta leta (pa čak i tada, u vrlo dalekoj budućnosti) i barem neke vrste nosivosti.
Daljnji rad na izradi idejnog projekta zrakoplovnog reaktora naišao je na nove i nove probleme. Nakon neprihvatljivih parametara težine i veličine, pojavile su se poteškoće s kontrolom reaktora u letu, učinkovitom zaštitom posade i strukture, prijenosom snage iz reaktora na propelere itd. Na kraju se pokazalo da čak i uz dovoljno ozbiljnu zaštitu zračenje iz reaktora može negativno utjecati na skup snage zrakoplova, pa čak i na podmazivanje motora, a da ne govorimo o elektroničkoj opremi i posadi. Prema rezultatima preliminarnih radova, program NEPA -e do 1948., unatoč potrošenih deset milijuna dolara, imao je vrlo sumnjive rezultate. U ljeto 48. godine na Tehnološkom institutu u Massachusettsu održana je zatvorena konferencija na temu izgleda nuklearnih elektrana za zrakoplove. Nakon niza sporova i konzultacija, inženjeri i znanstvenici koji su sudjelovali na događaju došli su do zaključka da je u načelu moguće stvoriti atomski zrakoplov, no njegovi prvi letovi pripisani su tek sredinom šezdesetih ili čak kasnije datum.
Na konferenciji na MIT -u najavljeno je stvaranje dva koncepta za napredne nuklearne motore, otvorene i zatvorene. "Otvoreni" nuklearni mlazni motor bio je svojevrsni konvencionalni turboreaktivni motor, u kojem se ulazni zrak zagrijava vrućim nuklearnim reaktorom. Vrući zrak izbačen je kroz mlaznicu, istovremeno rotirajući turbinu. Potonji je pokrenuo radna kola kompresora. Odmah se raspravljalo o nedostacima takvog sustava. Zbog potrebe za kontaktom zraka s grijaćim dijelovima reaktora, nuklearna sigurnost cijelog sustava izazvala je posebne probleme. Osim toga, za prihvatljiv raspored zrakoplova, reaktor takvog motora morao je biti vrlo, vrlo mali, što je utjecalo na njegovu snagu i razinu zaštite.
Na sličan način morao je raditi i nuklearni mlazni motor zatvorenog tipa, s tom razlikom što bi se zrak unutar motora zagrijavao u dodiru sa samim reaktorom, ali u posebnom izmjenjivaču topline. U ovom slučaju, izravno iz reaktora, predloženo je zagrijavanje određene rashladne tekućine, a zrak je morao dobiti temperaturu pri dodiru s radijatorima primarnog kruga unutar motora. Turbina i kompresor ostali su na mjestu i radili su na potpuno isti način kao i na turbo-mlaznicama ili nuklearnim motorima otvorenog tipa. Motor zatvorenog kruga nije nametnuo nikakva posebna ograničenja na dimenzije reaktora i omogućio je značajno smanjenje emisija u okoliš. S druge strane, poseban problem bio je odabir rashladnog sredstva za prijenos energije reaktora u zrak. Različite rashladne tekućine i tekućine nisu osigurale odgovarajuću učinkovitost, a metalne su zahtijevale predgrijavanje prije pokretanja motora.
Tijekom konferencije predloženo je nekoliko izvornih metoda za povećanje razine zaštite posade. Prije svega, ticali su se stvaranja nosivih elemenata odgovarajuće izvedbe, koji bi samostalno štitili posadu od zračenja reaktora. Manje optimistični znanstvenici sugerirali su da ne riskiraju pilote ili barem njihovu reproduktivnu funkciju. Stoga je došlo do prijedloga da se osigura najviša moguća razina zaštite, te da se regrutiraju posade od starijih pilota. Konačno, pojavile su se ideje o opremanju perspektivnog atomskog zrakoplova sustavom daljinskog upravljanja kako ljudi tijekom leta uopće ne bi riskirali svoje zdravlje. Tijekom rasprave o posljednjoj opciji došla je ideja da se posada smjesti u mali jedrilica, koja je trebala biti vučena iza zrakoplova na atomski pogon na kabel dovoljne duljine.
ANP program
Konferencija na MIT-u, koja je poslužila kao neka vrsta brainstorminga, imala je pozitivan učinak na daljnji tijek programa za stvaranje zrakoplova na atomski pogon. Sredinom 1949. američka vojska pokrenula je novi program pod nazivom ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Ovaj put plan rada uključivao je pripreme za stvaranje punopravnog zrakoplova s nuklearnom elektranom na brodu. Zbog drugih prioriteta, popis poduzeća uključenih u program je izmijenjen. Tako su Lockheed i Convair angažirani kao programeri konstrukcije okvira obećavajućeg zrakoplova, a General Electric i Pratt & Whitney imali su zadatak nastaviti Fairchildov rad na nuklearnom mlaznom motoru.
U ranim fazama ANP programa, kupac se više usredotočio na sigurnije zatvorene motore, ali je General Electric proveo "dopiranje" do vojnih i državnih dužnosnika. Zaposlenici General Electric -a tražili su jednostavnost i, kao rezultat, jeftinost otvorenog motora. Uspjeli su uvjeriti odgovorne, pa je kao rezultat toga smjer vožnje programa ANP podijeljen u dva neovisna projekta: "otvoreni" motor koji je razvio General Electric i motor zatvorenog kruga iz tvrtke Pratt & Whitney. Ubrzo je General Electric uspio progurati svoj projekt i postići poseban prioritet za njega, a kao rezultat toga dodatno financiranje.
Tijekom ANP programa dodana je još jedna već postojećim opcijama nuklearnih motora. Ovaj put predloženo je napraviti motor koji po svojoj strukturi podsjeća na nuklearnu elektranu: reaktor zagrijava vodu, a nastala para pokreće turbinu. Potonji prenosi snagu na propeler. Takav se sustav, s nižom učinkovitošću u usporedbi s drugima, pokazao najjednostavnijim i najprikladnijim za najbržu proizvodnju. Ipak, ova verzija elektrane za zrakoplove na atomski pogon nije postala glavna. Nakon nekih usporedbi, naručitelj i izvođači ANP -a odlučili su nastaviti razvijati "otvorene" i "zatvorene" motore, ostavljajući parnu turbinu kao rezervnu.
Prvi uzorci
1951.-52. Program ANP-a približavao je mogućnost izgradnje prvog prototipa zrakoplova. Kao osnova za to je uzet bombarder Convair YB-60, koji se u to vrijeme razvijao, što je bila duboka modernizacija B-36 sa zamahnutim krilom i turboreaktivnim motorima. Elektrana P-1 posebno je dizajnirana za YB-60. Temeljila se na cilindričnoj jedinici s unutarnjim reaktorom. Nuklearna instalacija dala je toplinsku snagu od oko 50 megavata. Četiri turboreaktivna motora GE XJ53 spojena su na reaktor putem cjevovodnog sustava. Nakon kompresora motora, zrak je prošao kroz cijevi pored jezgre reaktora i zagrijavajući se tamo izbacio kroz mlaznicu. Proračuni su pokazali da sam zrak neće biti dovoljan za hlađenje reaktora, pa su u sustav uvedeni spremnici i cijevi za otopinu borove vode. Planirano je da se svi sustavi elektrana spojeni na reaktor montiraju u stražnji teretni prostor bombardera, što je moguće dalje od useljivih volumena.
Prototip YB-60
Vrijedi napomenuti da je planirano i ostavljanje domaćih turboreaktivnih motora na zrakoplovu YB-60. Činjenica je da nuklearni motori otvorenog kruga zagađuju okoliš i nitko to ne bi dopustio u neposrednoj blizini zračnih luka ili naselja. Osim toga, nuklearna elektrana je zbog tehničkih karakteristika imala loš odziv prigušivača gasa. Stoga je njegova uporaba bila prikladna i prihvatljiva samo za duge letove krstarećom brzinom.
Druga mjera opreza, ali drugačije prirode, bila je stvaranje dvaju dodatnih letećih laboratorija. Prvi od njih, označen s NB-36H i vlastitim imenom Crusader ("Crusader"), imao je za cilj provjeriti sigurnost posade. Na serijski B-36 ugrađen je kokpit od dvanaest tona, sastavljen od debelih čeličnih ploča, olovnih ploča i stakla od 20 cm. Za dodatnu zaštitu, iza kabine je bio spremnik za vodu s borom. U repnom dijelu Crusadera, na istoj udaljenosti od kokpita kao i na YB-60, instaliran je eksperimentalni ASTR reaktor (Aircraft Shield Test Reactor) kapaciteta oko jedan megavat. Reaktor je ohlađen vodom, koja je toplinu jezgre prenijela u izmjenjivače topline na vanjskoj površini trupa. Reaktor ASTR nije obavljao nikakve praktične zadatke i radio je samo kao eksperimentalni izvor zračenja.
NB-36H (X-6)
Probni letovi laboratorija NB-36H izgledali su ovako: piloti su podigli zrakoplov s prigušenim reaktorom u zrak, odletjeli na ispitno područje iznad najbliže pustinje, gdje su izvedeni svi pokusi. Na kraju pokusa reaktor je isključen, a avion se vratio u bazu. Uz Crusader, s uzletišta Carswell poletio je još jedan bombarder B-36 s instrumentacijom i transportom sa padobrancima Marine. U slučaju pada prototipa zrakoplova, marinci su trebali sletjeti pokraj olupine, kordoniti područje i sudjelovati u otklanjanju posljedica nesreće. Srećom, svih 47 letova s ispravnim reaktorom prošlo je bez prisilnog spasavanja. Testni letovi pokazali su da zrakoplovi s nuklearnim pogonom ne predstavljaju nikakvu ozbiljnu prijetnju okolišu, naravno, uz pravilan rad i bez incidenata.
Drugi leteći laboratorij, označen kao X-6, također je trebao biti prenamijenjen iz bombardera B-36. Namjeravali su na ovaj avion postaviti kokpit, sličan jedinici "Križara", i postaviti nuklearnu elektranu usred trupa. Potonji je dizajniran na temelju jedinice P-1 i opremljen novim motorima GE XJ39, nastalim na temelju turboreaktiva J47. Svaki od četiri motora imao je potisak od 3100 kgf. Zanimljivo je da je nuklearna elektrana bila monoblok dizajniran za postavljanje na zrakoplov neposredno prije leta. Nakon slijetanja planiralo se X-6 uvesti u posebno opremljeni hangar, izvaditi reaktor s motorima i staviti ih u posebno skladište. U ovoj fazi rada također je stvorena posebna jedinica za čišćenje. Činjenica je da je nakon gašenja kompresora mlaznih motora reaktor prestao hladiti s dovoljnom učinkovitošću, pa su bila potrebna dodatna sredstva za osiguranje sigurnog gašenja reaktora.
Provjera prije leta
Prije početka letova zrakoplova s punopravnom nuklearnom elektranom, američki inženjeri odlučili su provesti odgovarajuća istraživanja u zemaljskim laboratorijima. Godine 1955. sastavljena je pokusna instalacija HTRE-1 (pokusi s reaktorom prijenosa topline). Jedinica od pedeset tona sastavljena je na temelju željezničke platforme. Tako bi se, prije početka pokusa, mogao oduzeti ljudima. Jedinica HTRE-1 koristila je kompaktni reaktor sa zaštićenim uranom koji koristi berilij i živu. Također, na platformu su postavljena dva motora JX39. Pokrenuli su se pomoću petroleja, zatim su motori postigli radnu brzinu, nakon čega se, na naredbu s upravljačke ploče, zrak iz kompresora preusmjerio u radno područje reaktora. Tipičan eksperiment s HTRE-1 trajao je nekoliko sati, simulirajući dugi let bombardera. Do sredine 56. godine eksperimentalna jedinica dosegla je toplinski kapacitet od preko 20 megavata.
HTRE-1
Naknadno je jedinica HTRE-1 redizajnirana u skladu s ažuriranim projektom, po čemu je dobila ime HTRE-2. Novi reaktor i nova tehnička rješenja dali su snagu od 14 MW. Međutim, druga verzija eksperimentalne elektrane bila je prevelika za ugradnju u avione. Stoga je do 1957. započelo projektiranje sustava HTRE-3. Bio je to duboko modernizirani sustav P-1, prilagođen za rad s dva turboreaktivna motora. Kompaktni i lagani HTRE-3 sustav pružao je toplinsku snagu od 35 megavata. U proljeće 1958. započela su ispitivanja treće verzije kompleksa za ispitivanje tla, koja su u potpunosti potvrdila sve izračune i, što je najvažnije, izglede za takvu elektranu.
Teško zatvoreno kolo
Dok je General Electric davao prednost motorima otvorenog kruga, Pratt & Whitney nije gubio vrijeme u razvoju vlastite inačice zatvorene nuklearne elektrane. U tvrtki Pratt & Whitney odmah su počeli istraživati dvije varijante takvih sustava. Prvi je podrazumijevao najočitiju strukturu i rad postrojenja: rashladna tekućina cirkulira u jezgri i prenosi toplinu u odgovarajući dio mlaznog motora. U drugom slučaju, predloženo je samljeti nuklearno gorivo i staviti ga izravno u rashladnu tekućinu. U takvom sustavu gorivo bi cirkuliralo duž cijelog kruga rashladne tekućine, međutim, nuklearna bi se fisija dogodila samo u jezgri. To je trebalo postići uz pomoć ispravnog oblika glavnog volumena reaktora i cjevovoda. Kao rezultat istraživanja bilo je moguće utvrditi najučinkovitije oblike i veličine takvog sustava cjevovoda za cirkulaciju rashladne tekućine s gorivom, što je osiguralo učinkovit rad reaktora i pomoglo u osiguravanju dobre razine zaštite od zračenja.
Istodobno, sustav cirkulacijskog goriva pokazao se kao previše složen. Daljnji razvoj uglavnom je slijedio put "stacionarnih" gorivnih elemenata opranih metalnom rashladnom tekućinom. Kao potonji, razmatrani su različiti materijali, međutim, poteškoće s otpornošću cjevovoda na koroziju i cirkulacijom tekućeg metala nisu nam omogućile da se zadržimo na metalnoj rashladnoj tekućini. Zbog toga je reaktor morao biti projektiran tako da koristi jako pregrijanu vodu. Prema proračunima, voda je u reaktoru trebala doseći temperaturu od oko 810-820 °. Za održavanje u tekućem stanju bilo je potrebno stvoriti tlak od oko 350 kg / cm2 u sustavu. Pokazalo se da je sustav vrlo složen, ali mnogo jednostavniji i prikladniji od reaktora s metalnom rashladnom tekućinom. Do 1960. Pratt & Whitney završili su radove na izgradnji nuklearne elektrane za zrakoplove. Počele su pripreme za testiranje gotovog sustava, no na kraju se ta ispitivanja nisu dogodila.
Tužan kraj
Programi NEPA i ANP pomogli su stvoriti desetke novih tehnologija, kao i niz zanimljivih znanja. Međutim, njihov glavni cilj - stvaranje atomskog zrakoplova - ni 1960. nije se mogao postići u sljedećih nekoliko godina. Godine 1961. na vlast je došao J. Kennedy, koji se odmah zainteresirao za napredak nuklearne tehnologije u zrakoplovstvu. Budući da oni nisu ispoštovani, a troškovi programa dosegli potpuno opscene vrijednosti, sudbina ANP-a i svih zrakoplova na atomski pogon pokazalo se velikim pitanjem. Više od desetljeća i pol, više od milijardu dolara potrošeno je na istraživanje, projektiranje i izgradnju različitih testnih jedinica. Istodobno je izgradnja gotovog zrakoplova s nuklearnom elektranom još uvijek bila stvar daleke budućnosti. Naravno, dodatni izdaci novca i vremena mogli bi atomske zrakoplove dovesti u praktičnu uporabu. Međutim, Kennedyjeva administracija odlučila je drugačije. Cijena ANP programa stalno je rasla, ali rezultata nije bilo. Osim toga, balističke rakete u potpunosti su dokazale svoj veliki potencijal. U prvoj polovici 61. novi predsjednik potpisao je dokument prema kojemu je trebalo prekinuti sve radove na zrakoplovima na atomski pogon. Vrijedi napomenuti da je malo prije, 60. godine, Pentagon donio kontroverznu odluku, prema kojoj su prestali svi radovi na elektranama otvorenog tipa, a sva su sredstva dodijeljena "zatvorenim" sustavima.
Unatoč određenim uspjesima na području stvaranja nuklearnih elektrana za zrakoplovstvo, program ANP ocijenjen je neuspješnim. Neko vrijeme, paralelno s ANP -om, razvijali su se nuklearni motori za perspektivne projektile. Međutim, ti projekti nisu dali očekivani rezultat. S vremenom su i zatvoreni, a radovi u smjeru nuklearnih elektrana za zrakoplove i projektile potpuno su prestali. S vremena na vrijeme, razne privatne tvrtke pokušale su na vlastitu inicijativu provesti takav razvoj događaja, ali niti jedan od tih projekata nije dobio državnu potporu. Američko vodstvo, izgubivši vjeru u izglede zrakoplova na atomski pogon, počelo je razvijati nuklearne elektrane za flotu i nuklearne elektrane.
