Petdeseta leta prejšnjega stoletja so bila obdobje hitrega razvoja jedrske tehnologije. Velesile so z jedrskimi elektrarnami zgradile svoje jedrske arzenale, zgradile jedrske elektrarne, ledolomilce, podmornice in vojne ladje. Nove tehnologije so obetale veliko. Na primer, jedrska podmornica ni imela nobenih omejitev za doseg križarjenja v potopljenem položaju, "polnjenje" elektrarne pa je bilo mogoče opraviti vsakih nekaj let. Seveda so imeli jedrski reaktorji tudi pomanjkljivosti, vendar njihove inherentne prednosti več kot izravnajo vse stroške varnosti. Sčasoma je velik potencial jedrskih sistemov zanimal ne le poveljstvo mornarice, ampak tudi vojaško letalstvo. Letalo z reaktorjem na krovu bi lahko imelo veliko boljše lastnosti letenja kot bencinski ali kerozinski kolegi. Najprej je vojsko pritegnilo teoretično območje letenja takega bombnika, transportnega letala ali protipodmorniškega letala.
Konec štiridesetih let prejšnjega stoletja so nekdanji zavezniki v vojni z Nemčijo in Japonsko - ZDA in ZSSR - nenadoma postali hudi sovražniki. Geografske značilnosti vzajemne lege obeh držav so zahtevale izdelavo strateških bombnikov z medcelinskim dosegom. Stara tehnologija že ni mogla zagotoviti dostave atomskega streliva na drugo celino, kar je zahtevalo ustvarjanje novih letal, razvoj raketne tehnologije itd. Že v štiridesetih letih je ideja o namestitvi jedrskega reaktorja na letalo dozorela v glavah ameriških inženirjev. Izračuni tistega časa so pokazali, da bi lahko letalo, primerljivo po teži, velikosti in parametrih letenja z bombnikom B-29, pri enem polnjenju z jedrskim gorivom preživelo najmanj pet tisoč ur v zraku. Z drugimi besedami, tudi z nepopolnimi tehnologijami tistega časa bi lahko jedrski reaktor na krovu z enim samim polnjenjem zrakoplova oskrboval z energijo skozi celotno življenjsko dobo.
Druga prednost takratnih hipotetičnih atomikolet je bila temperatura, ki jo je dosegel reaktor. S pravilno zasnovo jedrske elektrarne bi bilo mogoče izboljšati obstoječe turboreaktivne motorje s segrevanjem delovne snovi s pomočjo reaktorja. Tako je bilo mogoče povečati energijo curkov plinov motorja in njihovo temperaturo, kar bi privedlo do občutnega povečanja potiska takega motorja. Zaradi vseh teoretičnih premislekov in izračunov so se letala z jedrskimi motorji v nekaterih glavah spremenila v univerzalno in nepremagljivo dostavno vozilo za atomske bombe. Vendar je nadaljnje praktično delo ohladilo gorečnost takšnih "sanjačev".
Program NEPA
Leta 1946 je novo ustanovljeno obrambno ministrstvo ZDA odprlo projekt NEPA (Jedrska energija za pogon letal). Cilj tega programa je bil preučiti vse vidike naprednih jedrskih elektrarn za letala. Fairchild je bil imenovan za glavnega izvajalca programa NEPA. Naročeno ji je bilo preučiti možnosti strateških bombnikov in hitrih izvidniških letal, opremljenih z jedrskimi elektrarnami, ter oblikovati videz slednjih. Zaposleni v Fairchildu so se odločili, da bodo začeli z delom na programu z najbolj perečim vprašanjem: varnostjo pilotov in vzdrževalnega osebja. V ta namen je bila v tovorni prostor bombnika, ki se je uporabljal kot leteči laboratorij, nameščena kapsula z več grami radija. Namesto dela redne posadke so se poskusnih letov udeležili zaposleni v družbi, "oboroženi" z Geigerjevimi števci. Kljub relativno majhni količini radioaktivnih kovin v tovornem prostoru je sevanje v ozadju preseglo dovoljeno raven v vseh bivalnih prostorninah letala. Kot rezultat teh študij so se morali zaposleni v Fairchildu lotiti izračunov in ugotoviti, kakšno zaščito bi reaktor potreboval, da bi zagotovil ustrezno varnost. Že predhodni izračuni so jasno pokazali, da letalo B-29 preprosto ne bo moglo prenašati take mase, prostornina obstoječega tovornega prostora pa ne bo dovolila namestitve reaktorja brez razstavljanja nosilcev bomb. Z drugimi besedami, v primeru B-29 bi morali izbirati med dolgim dosegom letenja (in tudi takrat, v zelo oddaljeni prihodnosti) in vsaj nekakšno nosilnostjo.
Nadaljnje delo pri oblikovanju idejnega projekta letalskega reaktorja je naletelo na nove in nove težave. Po nesprejemljivih parametrih teže in velikosti so se pojavile težave z nadzorom reaktorja med letom, učinkovito zaščito posadke in strukture, prenosom moči iz reaktorja na propelerje itd. Končno se je izkazalo, da lahko tudi z dovolj resno zaščito sevanje iz reaktorja negativno vpliva na niz moči letala in celo na mazanje motorjev, da ne omenjam elektronske opreme in posadke. Glede na rezultate predhodnega dela je imel program NEPA do leta 1948 kljub porabljenim desetim milijonom dolarjev zelo dvomljive rezultate. Poleti 48 je na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu potekala zaprta konferenca na temo možnosti jedrskih elektrarn za letala. Po številnih sporih in posvetovanjih so inženirji in znanstveniki, ki so sodelovali na dogodku, prišli do zaključka, da je bilo načeloma mogoče ustvariti atomsko letalo, vendar so bili njegovi prvi leti pripisani šele sredi šestdesetih let ali celo pozneje datum.
Na konferenci na MIT je bilo napovedano ustvarjanje dveh konceptov za napredne jedrske motorje, odprtega in zaprtega. "Odprti" jedrsko -reaktivni motor je bil neke vrste običajen turboreaktivni motor, v katerem se dovodni zrak segreva z vročim jedrskim reaktorjem. Vroč zrak je bil izpuščen skozi šobo, hkrati pa je vrtil turbino. Slednji so sprožili rotorje kompresorja. Pomanjkljivosti takega sistema so bile takoj obravnavane. Zaradi potrebe po stiku zraka z grelnimi deli reaktorja je jedrska varnost celotnega sistema povzročila posebne težave. Poleg tega je moral biti za sprejemljivo postavitev letala reaktor takega motorja zelo, zelo majhen, kar je vplivalo na njegovo moč in raven zaščite.
Na podoben način je moral delovati jedrski reaktivni motor zaprtega tipa, s to razliko, da se je zrak v motorju segrel ob stiku z reaktorjem samim, vendar v posebnem izmenjevalniku toplote. Neposredno iz reaktorja je bilo v tem primeru predlagano segrevanje določene hladilne tekočine, zrak pa je moral ob stiku z radiatorji primarnega kroga v motorju narasti na temperaturo. Turbina in kompresor sta ostala na svojem mestu in sta delovala popolnoma enako kot pri turboreaktorjih ali jedrskih motorjih odprtega tipa. Motor z zaprtim krogom ni nalagal posebnih omejitev glede dimenzij reaktorja in je omogočil znatno zmanjšanje emisij v okolje. Posebna težava pa je bila izbira hladilne tekočine za prenos energije reaktorja v zrak. Različne hladilne tekočine in tekočine niso zagotavljale ustrezne učinkovitosti, kovinske pa so zahtevale predgretje pred zagonom motorja.
Med konferenco je bilo predlaganih več izvirnih metod za povečanje stopnje zaščite posadke. Najprej so se nanašali na izdelavo nosilnih elementov ustrezne zasnove, ki bi posadko neodvisno zaščitili pred sevanjem reaktorja. Manj optimistični znanstveniki so predlagali, da ne tvegajo pilotov ali vsaj njihove reproduktivne funkcije. Zato je bil predlagan zagotoviti najvišjo možno raven zaščite in zaposliti posadke starejših pilotov. Nazadnje so se pojavile ideje o opremljanju obetavnega atomskega letala s sistemom za daljinsko upravljanje, tako da ljudje med letom sploh ne bi tvegali svojega zdravja. Med razpravo o zadnji možnosti se je porodila ideja, da bi posadko postavili v majhno jadralno letalo, ki naj bi ga vleklo za letalom na atomski pogon po dovolj dolgem kablu.
ANP program
Konferenca na MIT, ki je služila kot nekakšna seja možganskih viharjev, je pozitivno vplivala na nadaljnji potek programa za ustvarjanje letal na atomski pogon. Sredi leta 1949 je ameriška vojska začela nov program, imenovan ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Delovni načrt je tokrat vključeval priprave na izdelavo polnopravnega letala z jedrsko elektrarno na krovu. Zaradi drugih prednostnih nalog je bil spremenjen seznam podjetij, vključenih v program. Tako sta bila Lockheed in Convair zaposlena kot razvijalca letalskega okvirja obetavnega letala, General Electric in Pratt & Whitney pa sta imela nalogo, da nadaljujeta delo Fairchilda pri jedrsko -reaktivnem motorju.
V zgodnjih fazah programa ANP se je kupec bolj osredotočal na varnejši zaprt motor, vendar je General Electric izvedel "ozaveščanje" vojaških in vladnih uradnikov. Zaposleni v General Electricu so pritiskali na preprostost in posledično na poceni odprt motor. Uspeli so prepričati odgovorne, zato je bila smer vožnje programa ANP razdeljena na dva neodvisna projekta: "odprt" motor, ki ga je razvil General Electric, in motor z zaprtim krogom iz podjetja Pratt & Whitney. Kmalu je General Electric uspel potisniti svoj projekt in zanj doseči posebno prednost in posledično dodatno financiranje.
Med programom ANP je bila obstoječim možnostim jedrskih motorjev dodana še ena. Tokrat so predlagali izdelavo motorja, ki je po svoji strukturi podoben jedrski elektrarni: reaktor segreva vodo, nastala para pa poganja turbino. Slednji prenaša moč na propeler. Izkazalo se je, da je tak sistem z nižjo učinkovitostjo v primerjavi z drugimi najpreprostejši in najprimernejši za najhitrejšo proizvodnjo. Kljub temu ta različica elektrarne za letala na atomski pogon ni postala glavna. Po nekaj primerjavah so se naročnik in izvajalci ANP odločili, da bodo še naprej razvijali "odprte" in "zaprte" motorje, parno turbino pa pustili kot rezervno.
Prvi vzorci
V letih 1951–52 se je program ANP približal možnosti izdelave prvega prototipnega letala. Za osnovo je bil vzet bombnik Convair YB-60, ki se je takrat razvijal, to je bila globoka posodobitev B-36 z motorjem s pometenim krilom in turboreaktivnimi motorji. Elektrarna P-1 je bila posebej zasnovana za YB-60. Temeljila je na cilindrični enoti z reaktorjem v notranjosti. Jedrska naprava je zagotavljala toplotno moč približno 50 megavatov. Štirje turboreaktivni motorji GE XJ53 so bili priključeni na reaktor preko cevovodnega sistema. Po kompresorju motorja je zrak šel skozi cevi mimo jedra reaktorja in se tam, ko se je segreval, vrgel ven skozi šobo. Izračuni so pokazali, da samo zrak ne bo dovolj za hlajenje reaktorja, zato so v sistem vnesli rezervoarje in cevi za raztopino borove vode. Vsi sistemi elektrarn, povezani z reaktorjem, so bili načrtovani za namestitev v zadnji tovorni prostor bombnika, kolikor je to mogoče od bivalnih prostornin.
Prototip YB-60
Omeniti velja, da je bilo načrtovano tudi, da se na letalu YB-60 pustijo domači turboreaktivni motorji. Dejstvo je, da jedrski motorji z odprtim krogom onesnažujejo okolje in tega nihče ne bi dovolil v neposredni bližini letališč ali naselij. Poleg tega je imela jedrska elektrarna zaradi tehničnih lastnosti slab odziv na plin. Zato je bila njegova uporaba priročna in sprejemljiva le za dolge lete s potovalno hitrostjo.
Drug previdnostni ukrep, vendar drugačne narave, je bil ustanovitev dveh dodatnih letečih laboratorijev. Prvi med njimi, označen z NB-36H in lastnim imenom Crusader ("Crusader"), je bil namenjen preverjanju varnosti posadke. Na serijski B-36 je bil nameščen dvanajsttonski sklop pilotske kabine, sestavljen iz debelih jeklenih plošč, svinčenih plošč in 20-cm stekla. Za dodatno zaščito je bil za kabino rezervoar za vodo z borom. V repnem delu Crusaderja, na isti razdalji od pilotske kabine kot na YB-60, je bil nameščen poskusni reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor) z zmogljivostjo približno en megavat. Reaktor smo ohladili z vodo, ki je toploto jedra prenesla v toplotne izmenjevalce na zunanji površini trupa. Reaktor ASTR ni opravljal nobene praktične naloge in je deloval le kot poskusni vir sevanja.
NB-36H (X-6)
Testni leti laboratorija NB-36H so izgledali tako: piloti so dvignili letalo z blaženim reaktorjem v zrak, odleteli na testno območje nad najbližjo puščavo, kjer so bili izvedeni vsi poskusi. Po koncu poskusov je bil reaktor izklopljen in letalo se je vrnilo v bazo. Skupaj z Crusaderjem je z letališča Carswell vzletel še en bombnik B-36 z instrumentacijo in prevozom s padalci. V primeru nesreče prototipa letala so morali marinci pristati ob razbitinah, odcepiti območje in sodelovati pri odpravljanju posledic nesreče. Na srečo je vseh 47 letov z delujočim reaktorjem minilo brez prisilnega reševalnega pristanka. Testni leti so pokazali, da letalo z jedrskim pogonom ob pravilnem delovanju in brez incidentov seveda ne predstavlja resne nevarnosti za okolje.
Drugi leteči laboratorij z oznako X-6 naj bi prav tako predelali iz bombnika B-36. Na to letalo so nameravali namestiti pilotsko kabino, podobno enoti "Crusaderja", in sredi trupa namestiti jedrsko elektrarno. Slednji je bil zasnovan na osnovi enote P-1 in opremljen z novimi motorji GE XJ39, ki so nastali na osnovi turboreaktorjev J47. Vsak od štirih motorjev je imel potisk 3100 kgf. Zanimivo je, da je bila jedrska elektrarna monoblok, zasnovan za vgradnjo na letalo tik pred letom. Po pristanku je bilo načrtovano zapeljati X-6 v posebej opremljen hangar, odstraniti reaktor z motorji in jih postaviti v posebno skladišče. Na tej stopnji dela je bila ustvarjena tudi posebna čistilna enota. Dejstvo je, da je po zaustavitvi kompresorjev reaktivnih motorjev reaktor prenehal hladiti z zadostno učinkovitostjo, zato so bila potrebna dodatna sredstva za varno zaustavitev reaktorja.
Preverjanje pred letom
Pred začetkom letov letal s polnopravno jedrsko elektrarno so se ameriški inženirji odločili za ustrezne raziskave v zemeljskih laboratorijih. Leta 1955 je bila sestavljena poskusna naprava HTRE-1 (Poskusi reaktorja za prenos toplote). Petdeset tonska enota je bila sestavljena na podlagi železniške ploščadi. Tako bi ga lahko pred začetkom poskusov odvzeli ljudem. Enota HTRE-1 je uporabljala zaščiteni kompaktni uranov reaktor z berilijem in živim srebrom. Na platformo sta bila postavljena tudi dva motorja JX39. Začeli so z uporabo petroleja, nato so motorji dosegli delovno hitrost, nato pa se je na ukaz z nadzorne plošče zrak iz kompresorja preusmeril v delovno območje reaktorja. Tipičen poskus z HTRE-1 je trajal nekaj ur in simuliral dolg let bombnika. Do sredine leta 56 je poskusna enota dosegla toplotno moč več kot 20 megavatov.
HTRE-1
Nato je bila enota HTRE-1 prenovljena v skladu s posodobljenim projektom, po katerem je dobila ime HTRE-2. Novi reaktor in nove tehnične rešitve so zagotavljale moč 14 MW. Druga različica poskusne elektrarne pa je bila prevelika za namestitev na letala. Zato se je do leta 1957 začelo načrtovanje sistema HTRE-3. To je bil globoko posodobljen sistem P-1, prilagojen za delo z dvema turboreaktivnima motorjema. Kompakten in lahek sistem HTRE-3 je zagotavljal 35 megavatov toplotne energije. Spomladi 1958 so se začeli preizkusi tretje različice zemeljskega preskusnega kompleksa, ki je v celoti potrdil vse izračune in, kar je najpomembneje, možnosti za takšno elektrarno.
Težko zaprto vezje
Medtem ko je General Electric dajal prednost motorjem z odprtim krogom, Pratt & Whitney ni izgubljal časa pri razvoju lastne različice zaprte jedrske elektrarne. V podjetju Pratt & Whitney so takoj začeli raziskovati dve različici takšnih sistemov. Prva je pomenila najbolj očitno strukturo in delovanje objekta: hladilno sredstvo kroži v jedru in prenaša toploto v ustrezen del reaktivnega motorja. V drugem primeru je bilo predlagano, da se jedrsko gorivo zmelje in postavi neposredno v hladilno tekočino. V takem sistemu bi gorivo krožilo po celotnem krogu hladilne tekočine, vendar bi se jedrska cepitev pojavila le v jedru. To naj bi dosegli s pomočjo pravilne oblike glavnega volumna reaktorja in cevovodov. Kot rezultat raziskave je bilo mogoče določiti najučinkovitejše oblike in velikosti takega sistema cevovodov za kroženje hladilne tekočine z gorivom, kar je zagotovilo učinkovito delovanje reaktorja in pomagalo zagotoviti dobro raven zaščite pred sevanjem.
Hkrati se je sistem za kroženje goriva izkazal za preveč zapletenega. Nadaljnji razvoj je v glavnem sledil poti "stacionarnih" gorivnih elementov, ki jih opere kovinsko hladilno sredstvo. Kot slednji so bili upoštevani različni materiali, vendar težave z odpornostjo proti koroziji cevovodov in zagotavljanjem kroženja tekočih kovin niso omogočile, da bi se zadržali na kovinskem hladilnem sredstvu. Posledično je bilo treba reaktor zasnovati za uporabo zelo pregrete vode. Po izračunih bi morala voda v reaktorju doseči temperaturo okoli 810-820 °. Za vzdrževanje v tekočem stanju je bilo treba v sistemu ustvariti tlak približno 350 kg / cm2. Izkazalo se je, da je sistem zelo zapleten, a veliko enostavnejši in primernejši od reaktorja s kovinsko hladilno tekočino. Do leta 1960 sta Pratt & Whitney zaključila dela na svoji jedrski elektrarni za letala. Začele so se priprave na preskušanje dokončanega sistema, vendar na koncu ti testi niso prišli.
Žalosten konec
Programa NEPA in ANP sta pomagala ustvariti na desetine novih tehnologij ter številna zanimiva znanja. Vendar njihovega glavnega cilja - ustvarjanja atomskega letala - niti leta 1960 ni bilo mogoče doseči v naslednjih nekaj letih. Leta 1961 je na oblast prišel J. Kennedy, ki se je takoj zanimal za napredek jedrske tehnologije v letalstvu. Ker teh niso upoštevali, stroški programov pa so dosegli povsem nespodobne vrednosti, se je usoda ANP in vseh letal na atomski pogon izkazalo za veliko vprašanje. V desetletju in pol je bilo za raziskave, načrtovanje in gradnjo različnih testnih enot porabljenih več kot milijardo dolarjev. Hkrati je bila gradnja dokončanega letala z jedrsko elektrarno še vedno stvar daljne prihodnosti. Seveda bi lahko dodatni stroški denarja in časa pripeljali atomsko letalo v praktično uporabo. Vendar se je Kennedyjeva uprava odločila drugače. Stroški programa ANP so nenehno rasli, rezultata pa ni bilo. Poleg tega so balistične rakete v celoti dokazale svoj velik potencial. V prvi polovici 61. je novi predsednik podpisal dokument, po katerem bi bilo treba vsa dela na letalih na atomski pogon ustaviti. Omeniti velja, da je Pentagon tik pred tem, v 60. letu, sprejel kontroverzno odločitev, po kateri so bila vsa dela na elektrarnah odprtega tipa ustavljena, vsa sredstva pa so bila dodeljena "zaprtim" sistemom.
Kljub nekaterim uspehom na področju ustvarjanja jedrskih elektrarn za letalstvo je bil program ANP neuspešen. Nekaj časa so hkrati z ANP razvijali jedrske motorje za obetavne rakete. Vendar ti projekti niso dali pričakovanega rezultata. Čez čas so jih tudi zaprli, dela v smeri jedrskih elektrarn za letala in rakete pa so se popolnoma ustavila. Občasno so različna zasebna podjetja na lastno pobudo poskušala izvesti tak razvoj, vendar nobeden od teh projektov ni dobil državne podpore. Ameriško vodstvo, ki je izgubilo vero v možnosti letal na atomski pogon, je začelo razvijati jedrske elektrarne za floto in jedrske elektrarne.
