Padesátá léta minulého století byla obdobím rychlého rozvoje jaderné technologie. Velmoci stavěly svůj jaderný arzenál, stavěly jaderné elektrárny, ledoborce, ponorky a válečné lodě s jadernými elektrárnami. Nové technologie byly velkým příslibem. Například jaderná ponorka neměla žádná omezení cestovního dosahu v ponořené poloze a „tankování“elektrárny bylo možné provádět každých několik let. Jaderné reaktory měly samozřejmě také nevýhody, ale jejich inherentní výhody více než kompenzovaly všechny náklady na bezpečnost. Časem vysoký potenciál jaderných energetických systémů zajímal nejen velení námořnictva, ale i vojenské letectví. Letadlo s reaktorem na palubě by mohlo mít mnohem lepší letové vlastnosti než jeho benzínové nebo petrolejové protějšky. Armádu v první řadě zaujal teoretický dolet takového bombardéru, transportního letadla nebo protiponorkového letadla.
Koncem čtyřicátých let se z bývalých spojenců ve válce s Německem a Japonskem - USA a SSSR - rázem stali zahořklí nepřátelé. Geografické rysy vzájemné polohy obou zemí vyžadovaly vytvoření strategických bombardérů s mezikontinentálním doletem. Stará technologie již nebyla schopna zajistit dodávku atomové munice na jiný kontinent, což vyžadovalo vytvoření nových letadel, vývoj raketové technologie atd. Už ve čtyřicátých letech zrála v myslích amerických inženýrů myšlenka instalace jaderného reaktoru na letadlo. Výpočty té doby ukázaly, že letadlo srovnatelné hmotností, velikostí a letovými parametry s bombardérem B-29 dokázalo strávit ve vzduchu nejméně pět tisíc hodin při jednom tankování jaderného paliva. Jinými slovy, dokonce i s tehdejšími nedokonalými technologiemi by jaderný reaktor na palubě s jediným tankováním mohl poskytnout letadlu energii po celou dobu jeho životnosti.
Druhou výhodou tehdejších hypotetických atomikoletů byly teploty dosahované reaktorem. Při správném návrhu jaderné elektrárny by bylo možné stávající proudové motory vylepšit zahříváním pracovní látky pomocí reaktoru. Bylo tedy možné zvýšit energii proudových plynů motoru a jejich teplotu, což by vedlo k významnému zvýšení tahu takového motoru. V důsledku všech teoretických úvah a výpočtů se letadla s jadernými motory v některých hlavách proměnila v univerzální a neporazitelné doručovací vozidlo pro atomové bomby. Další praktická práce však zchladila zápal takových „snílků“.
Program NEPA
V roce 1946 nově vytvořené americké ministerstvo obrany zahájilo projekt NEPA (Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft). Cílem tohoto programu bylo studium všech aspektů pokročilých jaderných elektráren pro letadla. Fairchild byl jmenován hlavním dodavatelem programu NEPA. Byla instruována, aby studovala vyhlídky strategických bombardérů a vysokorychlostních průzkumných letadel vybavených jadernými elektrárnami a také aby formovala jejich vzhled. Zaměstnanci Fairchildu se rozhodli zahájit práce na programu s nejnaléhavějším problémem: bezpečností pilotů a personálu údržby. Za tímto účelem byla kapsle s několika gramy radia umístěna do nákladního prostoru bombardéru používaného jako létající laboratoř. Místo části pravidelné posádky se experimentálních letů zúčastnili zaměstnanci společnosti „vyzbrojení“Geigerovými pulty. Navzdory relativně malému množství radioaktivního kovu v nákladním prostoru záření pozadí přesahovalo přípustnou úroveň ve všech obytných objemech letadla. V důsledku těchto studií se zaměstnanci Fairchild museli dostat k výpočtům a zjistit, jakou ochranu bude reaktor potřebovat k zajištění řádné bezpečnosti. Již předběžné výpočty jasně ukázaly, že letadlo B-29 jednoduše nebude schopno nést takovou hmotnost a objem stávajícího nákladního prostoru neumožní umístění reaktoru bez demontáže stojanů s pumami. Jinými slovy, v případě B-29 by si člověk musel vybrat mezi dlouhým doletem (a dokonce i ve velmi vzdálené budoucnosti) a alespoň nějakým užitečným zatížením.
Další práce na vytvoření předběžného návrhu leteckého reaktoru narážely na nové a nové problémy. Po nepřijatelných parametrech hmotnosti a velikosti se objevily potíže s řízením reaktoru za letu, účinnou ochranou posádky a konstrukce, přenosem energie z reaktoru na vrtule atd. Nakonec se ukázalo, že i při dostatečně závažné ochraně může záření z reaktoru negativně ovlivnit výkonovou sestavu letadla a dokonce i mazání motorů, nemluvě o elektronickém vybavení a posádce. Podle výsledků předběžných prací měl program NEPA do roku 1948 i přes vynaložených deset milionů dolarů velmi pochybné výsledky. V létě 48 se na Massachusettském technologickém institutu konala uzavřená konference na téma vyhlídky na jaderné elektrárny pro letadla. Po řadě sporů a konzultací dospěli inženýři a vědci účastnící se akce k závěru, že v zásadě bylo možné vytvořit atomové letadlo, ale jeho první lety byly přičítány pouze polovině šedesátých let nebo dokonce ještě později datum.
Na konferenci na MIT bylo oznámeno vytvoření dvou konceptů pro pokročilé jaderné motory, otevřených a uzavřených. „Otevřený“jaderný proudový motor byl jakýmsi konvenčním proudovým motorem, ve kterém se přiváděný vzduch ohřívá pomocí horkého jaderného reaktoru. Horký vzduch byl vyhozen tryskou a současně otáčel turbínou. Ten dal do pohybu oběžná kola kompresoru. Okamžitě se diskutovalo o nevýhodách takového systému. Kvůli potřebě kontaktu vzduchu s topnými částmi reaktoru způsobovala jaderná bezpečnost celého systému zvláštní problémy. Navíc pro přijatelné uspořádání letadla musel být reaktor takového motoru velmi, velmi malý, což ovlivnilo jeho výkon a úroveň ochrany.
Podobně musel fungovat i uzavřený jaderný proudový motor s tím rozdílem, že vzduch uvnitř motoru by se zahřál při kontaktu se samotným reaktorem, ale ve speciálním výměníku tepla. Přímo z reaktoru bylo v tomto případě navrženo ohřátí určité chladicí kapaliny a vzduch musel získat teplotu při kontaktu s chladiči primárního okruhu uvnitř motoru. Turbína a kompresor zůstaly na svém místě a fungovaly úplně stejně jako na proudových nebo otevřených jaderných motorech. Motor s uzavřeným okruhem neuložil žádná zvláštní omezení rozměrů reaktoru a umožnil výrazně snížit emise do životního prostředí. Na druhou stranu byl zvláštním problémem výběr chladicí kapaliny pro přenos energie reaktoru do vzduchu. Různé chladicí kapaliny neposkytovaly správnou účinnost a kovové vyžadovaly předehřátí před spuštěním motoru.
Během konference bylo navrženo několik původních metod pro zvýšení úrovně ochrany posádky. Nejprve se týkaly vytvoření nosných prvků vhodné konstrukce, které by nezávisle chránily posádku před zářením reaktoru. Méně optimističtí vědci navrhli neriskovat piloty nebo alespoň jejich reprodukční funkci. Proto byl předložen návrh na zajištění nejvyšší možné úrovně ochrany a nábor posádek ze starších pilotů. Nakonec se objevily nápady týkající se vybavení slibného atomového letadla systémem dálkového ovládání, aby lidé během letu vůbec neriskovali své zdraví. Při diskusi o poslední možnosti přišel nápad umístit posádku do malého kluzáku, který měl být vlečen za letadlem s atomovým pohonem na kabelu dostatečné délky.
Program ANP
Konference na MIT, která sloužila jako druh brainstormingového sezení, měla pozitivní vliv na další průběh programu na výrobu letadel s atomovým pohonem. V polovině roku 1949 zahájila americká armáda nový program s názvem ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Pracovní plán tentokrát zahrnoval přípravy na vytvoření plnohodnotného letadla s jadernou elektrárnou na palubě. Kvůli dalším prioritám byl změněn seznam podniků zapojených do programu. Lockheed a Convair byli tedy najati jako vývojáři draku slibného letadla a General Electric a Pratt & Whitney měly za úkol pokračovat ve Fairchildově práci na jaderném proudovém motoru.
V raných fázích programu ANP se zákazník více soustředil na bezpečnější uzavřený motor, ale společnost General Electric prováděla „dosah“vojenských a vládních úředníků. Zaměstnanci General Electric tlačili na jednoduchost a v důsledku toho na levnost otevřeného motoru. Podařilo se jim přesvědčit odpovědné osoby a v důsledku toho byl směr jízdy programu ANP rozdělen na dva nezávislé projekty: „otevřený“motor vyvinutý společností General Electric a motor s uzavřeným obvodem od společnosti Pratt & Whitney. General Electric se brzy podařilo prosadit svůj projekt a dosáhnout pro něj zvláštní priority a v důsledku toho dodatečného financování.
V průběhu programu ANP byl k již existujícím možnostem jaderného motoru přidán další. Tentokrát bylo navrženo vyrobit motor, který svou strukturou připomíná jadernou elektrárnu: reaktor ohřívá vodu a výsledná pára pohání turbínu. Ten přenáší energii na vrtuli. Takový systém, který má ve srovnání s ostatními nižší účinnost, se ukázal být nejjednodušší a nejvhodnější pro nejrychlejší výrobu. Přesto se tato verze elektrárny pro letadla s atomovým pohonem nestala tou hlavní. Po několika porovnáních se klient a dodavatelé ANP rozhodli pokračovat ve vývoji „otevřených“a „uzavřených“motorů, přičemž parní turbína zůstala jako záložní.
První vzorky
V letech 1951-52 se program ANP přiblížil možnosti stavby prvního prototypu letadla. Jako základ pro to byl vzat v té době vyvíjený bombardér Convair YB-60, což byla hluboká modernizace B-36 se šípovým křídlem a proudovými motory. Elektrárna P-1 byla speciálně navržena pro YB-60. Jeho základem byla válcová jednotka s reaktorem uvnitř. Jaderné zařízení poskytovalo tepelný výkon asi 50 megawattů. K reaktoru byly prostřednictvím potrubního systému připojeny čtyři proudové motory GE XJ53. Po kompresoru motoru prošel vzduch trubkami kolem jádra reaktoru a zahřátý tam byl vyhozen tryskou. Výpočty ukázaly, že samotný vzduch nebude na chlazení reaktoru stačit, proto byly do systému zavedeny nádrže a potrubí pro roztok bóru. Všechny systémy elektrárny připojené k reaktoru byly naplánovány tak, aby byly namontovány v zadním nákladním prostoru bombardéru, co nejdále od obyvatelných objemů.
Prototyp YB-60
Stojí za zmínku, že bylo také plánováno ponechat původní proudové motory na letadle YB-60. Faktem je, že jaderné motory s otevřeným okruhem znečišťují životní prostředí a nikdo by nedovolil, aby se to dělo v bezprostřední blízkosti letišť nebo osad. Kromě toho měla jaderná elektrárna kvůli technickým vlastnostem špatnou odezvu na plyn. Proto bylo jeho použití pohodlné a přijatelné pouze pro dlouhé lety cestovní rychlostí.
Dalším preventivním opatřením, ale jiného charakteru, bylo vytvoření dalších dvou létajících laboratoří. První z nich, označený NB-36H a vlastním jménem Crusader („Crusader“), měl prověřit bezpečnost posádky. Na sériový B-36 byla instalována dvanáctitunová sestava kokpitu sestavená ze silných ocelových desek, olověných panelů a 20cm skla. Pro dodatečnou ochranu byla za kabinou vodní nádrž s bórem. V ocasní části křižáku byl ve stejné vzdálenosti od kokpitu jako na YB-60 instalován experimentální reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) s výkonem asi jednoho megawattu. Reaktor byl chlazen vodou, která přenášela teplo jádra do výměníků tepla na vnějším povrchu trupu. Reaktor ASTR neplnil žádný praktický úkol a fungoval pouze jako experimentální zdroj záření.
NB-36H (X-6)
Zkušební lety laboratoře NB-36H vypadaly takto: piloti zvedli letadlo s tlumeným reaktorem do vzduchu, odletěli do testovací oblasti nad nejbližší poušť, kde probíhaly všechny experimenty. Na konci experimentů byl reaktor vypnut a letadlo se vrátilo na základnu. Spolu s křižákem odstartoval z letiště Carswell další bombardér B-36 s přístrojovým vybavením a transportem s parašutisty Marine. V případě havárie prototypu letadla měli námořníci přistát vedle trosek, kordonovat oblast a podílet se na odstraňování následků nehody. Naštěstí se všech 47 letů s fungujícím reaktorem obešlo bez vynuceného záchranného přistání. Zkušební lety ukázaly, že letadlo s jaderným pohonem nepředstavuje vážné ohrožení životního prostředí, samozřejmě při správném provozu a bez incidentů.
Druhá létající laboratoř, označená jako X-6, měla být také přestavěna z bombardéru B-36. Na toto letadlo se chystali nainstalovat kokpit, podobný jednotce „křižáka“, a uprostřed trupu namontovat jadernou elektrárnu. Ten byl navržen na základě jednotky P-1 a vybaven novými motory GE XJ39, vytvořenými na základě proudových motorů J47. Každý ze čtyř motorů měl tah 3100 kgf. Zajímavé je, že jaderná elektrárna byla monoblok určený k montáži na letadlo těsně před letem. Po přistání bylo plánováno najet X-6 do speciálně vybaveného hangáru, odstranit reaktor s motory a dát je do speciálního skladovacího zařízení. V této fázi práce byla také vytvořena speciální čisticí jednotka. Faktem je, že po odstavení kompresorů proudových motorů přestal být reaktor dostatečně účinně chlazen a byl vyžadován další prostředek k zajištění bezpečného odstavení reaktoru.
Předletová kontrola
Před zahájením letů letadel s plnohodnotnou jadernou elektrárnou se američtí inženýři rozhodli provést příslušný výzkum v pozemních laboratořích. V roce 1955 byla sestavena experimentální instalace HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiments). Padesátitunová jednotka byla sestavena na základě železniční plošiny. Před zahájením experimentů tedy mohl být lidem odebrán. Jednotka HTRE-1 používala stíněný kompaktní uranový reaktor s použitím berylia a rtuti. Na platformu byly také umístěny dva motory JX39. Byly spuštěny pomocí petroleje, poté motory dosáhly provozních otáček, načež byl na povel z ovládacího panelu vzduch z kompresoru přesměrován do pracovní oblasti reaktoru. Typický experiment s HTRE-1 trval několik hodin a simuloval dlouhý let bombardéru. V polovině roku 56 dosáhla experimentální jednotka tepelné kapacity přes 20 megawattů.
HTRE-1
Následně byla jednotka HTRE-1 přepracována v souladu s aktualizovaným projektem, po kterém dostala název HTRE-2. Nový reaktor a nová technická řešení poskytovaly výkon 14 MW. Druhá verze experimentální elektrárny však byla příliš velká pro instalaci do letadel. V roce 1957 proto začala konstrukce systému HTRE-3. Jednalo se o hluboce modernizovaný systém P-1, přizpůsobený pro práci se dvěma proudovými motory. Kompaktní a lehký systém HTRE-3 poskytoval 35 megawattů tepelného výkonu. Na jaře 1958 začaly zkoušky třetí verze komplexu pozemních zkoušek, které plně potvrdily všechny výpočty a hlavně vyhlídky na takovou elektrárnu.
Obtížně uzavřený okruh
Zatímco společnost General Electric upřednostňovala motory s otevřeným okruhem, společnost Pratt & Whitney neztrácela čas vývojem vlastní verze uzavřené jaderné elektrárny. V Pratt & Whitney okamžitě začali zkoumat dvě varianty takových systémů. První předpokládala nejzjevnější strukturu a provoz zařízení: chladicí kapalina cirkuluje v jádru a přenáší teplo do odpovídající části proudového motoru. V druhém případě bylo navrženo rozemletí jaderného paliva a jeho umístění přímo do chladicí kapaliny. V takovém systému by palivo cirkulovalo po celém okruhu chladicí kapaliny, k jadernému štěpení by však docházelo pouze v jádru. Toho mělo být dosaženo pomocí správného tvaru hlavního objemu reaktoru a potrubí. V důsledku výzkumu bylo možné určit nejefektivnější tvary a velikosti takového systému potrubí pro cirkulaci chladicí kapaliny s palivem, což zajistilo efektivní provoz reaktoru a pomohlo zajistit dobrou úroveň ochrany před zářením.
Cirkulační palivový systém se zároveň ukázal jako příliš složitý. Další vývoj sledoval hlavně cestu „stacionárních“palivových článků omývaných kovovým chladivem. U posledně jmenovaných byly zvažovány různé materiály, ale potíže s korozní odolností potrubí a zajištění cirkulace tekutého kovu nám nedovolilo zůstat na kovové chladicí kapalině. V důsledku toho musel být reaktor navržen tak, aby používal vysoce přehřátou vodu. Podle výpočtů měla voda v reaktoru dosáhnout teploty asi 810-820 °. Aby byl udržován v kapalném stavu, bylo nutné v systému vytvořit tlak asi 350 kg / cm2. Systém se ukázal být velmi složitý, ale mnohem jednodušší a vhodnější než reaktor s kovovým chladivem. V roce 1960 společnost Pratt & Whitney dokončila práce na své jaderné elektrárně pro letadla. Začaly přípravy na testování hotového systému, ale nakonec tyto testy neproběhly.
Smutný konec
Programy NEPA a ANP pomohly vytvořit desítky nových technologií a také řadu zajímavých know-how. Jejich hlavního cíle - vytvoření atomového letadla - ani v roce 1960 však nebylo možné během několika příštích let dosáhnout. V roce 1961 se k moci dostal J. Kennedy, který se okamžitě začal zajímat o pokroky v jaderné technologii pro letectví. Protože nebyly dodrženy a náklady na programy dosáhly zcela obscénních hodnot, ukázal se osud ANP a všech letadel s atomovým pohonem jako velká otázka. Více než deset let a půl bylo vynaloženo více než miliarda dolarů na výzkum, návrh a konstrukci různých testovacích jednotek. Přitom stavba hotového letadla s jadernou elektrárnou byla stále otázkou daleké budoucnosti. Samozřejmě, že dodatečné výdaje na peníze a čas by mohly přinést atomové letadlo do praktického využití. Kennedyho administrativa však rozhodla jinak. Náklady na program ANP neustále rostly, ale nebyl žádný výsledek. Balistické střely navíc plně prokázaly svůj vysoký potenciál. V první polovině 61. podepsal nový prezident dokument, podle kterého měly být zastaveny veškeré práce na letadlech s atomovým pohonem. Stojí za zmínku, že krátce předtím, v 60. roce, učinil Pentagon kontroverzní rozhodnutí, podle kterého byla zastavena veškerá práce na otevřených elektrárnách a veškeré financování bylo přiděleno „uzavřeným“systémům.
Přes určitý úspěch v oblasti vytváření jaderných elektráren pro letectví byl program ANP považován za neúspěšný. Nějakou dobu, současně s ANP, byly vyvíjeny jaderné motory pro slibné rakety. Tyto projekty však nepřinesly očekávaný výsledek. Časem byly také zavřeny a práce ve směru jaderných elektráren pro letadla a rakety se zcela zastavily. Čas od času se různé soukromé společnosti pokusily provést takový vývoj z vlastní iniciativy, ale žádný z těchto projektů nezískal státní podporu. Americké vedení, které ztratilo víru v perspektivu letadel s atomovým pohonem, začalo vyvíjet jaderné elektrárny pro flotilu a jaderné elektrárny.
