Američki rani programi NEPA i ANP pokazali su da je lako riješiti teoretski dio razvoja nuklearnog pogona za avione, no da će znatno veći problem biti tehnologije. Dvije skupine koje su tražile rješenje predlagale su različite pogone, s otvorenim odnosno zatvorenim ciklusom

Američko ratno zrakoplovstvo pokrenulo je razvoj nuklearnog pogona otprilike u isto vrijeme kad i ratna mornarica. No kako je mornarički program bio uspješan te je okončan podmornicom USS Nautilus (SSN-571), a zrakoplovni nije, o tom se drugom u javnosti danas zna vrlo malo. Najpoznatije ime vezano uz nuklearnu energiju i mornaricu do dandanas ostalo je ono admirala Hymana G. Rickovera (1900. – 1986.). Neizostavno se pojavljuje uz svaku vijest vezanu uz Nautilus. Istodobno, za Donalda J. Keirna (1905. – 1980.) čuli su samo rijetki, čak i unutar američkih oružanih snaga. Taj časnik, koji će biti promican do čina general-bojnika, bio je stručnjak za zrakoplovne pogone i veliki zagovornik uvođenja novih tehnologija. Ponajviše zahvaljujući njemu, prvo službeno spominjanje mogućnosti razvoja nuklearnog pogona za avione datira još iz prosinca 1945. U njemu se predlaže da razvoj nuklearnog pogona za avione dobije jednak status kao i razvoj nuklearnog oružja. Zbog specifičnosti uporabe, predlaže se i zasebni razvoj nuklearnih reaktora isključivo namijenjenih avionima. Oni bi davali čak 500 posto više toplinske energije u odnosu na nuklearne reaktore koji su se trebali početi razvijati za uporabu na podmornicama. Naravno, tako “pregrijani” reaktori imali su puno veću mogućnost izazivanja nesreće, a u dokumentu se spominjala i mogućnost da reaktor rastopi sam sebe. Stoga se predlagao ubrzani razvoj novih materijala otpornih na vrlo visoke temperature. I sve je to trebalo ukomponirati u što kompaktniji reaktor. U usporedbi s reaktorom za USS Nautilus, koji je za jednu konjsku snagu trebao više od 150 funti (68 kg) mase, reaktor za avion trebao je, prema tom dokumentu, davati jednu KS na samo četiri funte (1,8 kg) mase.

Iako su izazovi bili golemi, prvi program razvoja nuklearnog pogona za avione američkog zrakoplovstva (koje je do 18. rujna 1947. još bilo u sastavu kopnene vojske) zvao se Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft (NEPA) i pokrenut je 28. svibnja 1946. godine. NEPA je zapravo više bila studija izvedivosti koja je prije svega trebala razraditi teoretske postavke razvoja nuklearnog pogona za avione te procijeniti jesu li dostupne tehnologije dostatne za takav projekt. NEPA-u su činili stručnjaci iz zrakoplovstva i skupina tvrtki koju je predvodila Fairchild Engine and Airplane Corporation.

Državne i privatne institucije

NEPA je u početku bila isključivo pod nadzorom ratnog zrakoplovstva, no dvije godine kasnije nadzor nad njom zatražila je državna Komisija za atomsku energiju (Atomic Energy Commission – AEC). Predsjednik Harry S. Truman (1884. – 1972.) osnovao je 1. kolovoza 1946. godine AEC kao krovnu organizaciju koja će nadzirati sve civilne i vojne projekte vezane uz nuklearnu energiju SAD-a. Komisija je nadzor nad projektom NEPA dodijelila skupini znanstvenika i inženjera koju je organizirao glasoviti tehnološki institut MIT (Massachusetts Institute of Technology). Danas je poznata pod imenom Lexington Group. U rujnu 1948. objavljeno je Lexingtonovo izvješće sa zaključcima da je razvoj nuklearnog pogona za avione moguć, da se može dovršiti u roku od 15 godina te da će troškovi razvoja iznositi oko milijardu dolara (oko 11 milijardi u današnjoj vrijednosti). Bilo je to točno ono što su željeli čuti u Pentagonu, američkim strateškim snagama i ratnom zrakoplovstvu. Međutim, vrijeme će pokazati da su procjene bile preoptimistične i nerealne.

Ponajviše zahvaljujući izvješću, NEPA je u svibnju 1951. zamijenjena programom ANP (Aircraft Nuclear Propulsion), koji su zajednički provodili tad već samostalno Američko ratno zrakoplovstvo i AEC. Za razliku od programa NEPA, ANP više nije bio usmjeren na teoretska razmatranja, nego je pokrenut kako bi se razvio konkretan nuklearni pogon za avione, prije svega strateške bombardere. Izravan nadzor nad ANP-om preuzeo je državni laboratorij ORNL (Oak Ridge National Laboratory) uz sudjelovanje velikih tvrtki kao što su General Electric, Pratt & Whitney, Lockheed i Convair.

Ubrzo se pokazalo da je teoretski dio razvoja nuklearnog pogona vrlo lako riješiti, no da će znatno veći problem biti tehnologije. Najteže je bilo napraviti materijale koji će moći izdržati vrlo visoke temperature, tlakove i razine radijacije, a da istodobno budu dostatno lagani za uporabu na avionima. Poseban problem bila je zaštita posade i zemaljskog osoblja od zračenja nuklearnog reaktora, a da pritom masa zaštitne ovojnice ne bude prevelika. Sasvim drugi problem bila je zaštita reaktora od oštećenja zbog pada ili obaranja bombardera. Pojavila su se i dva pristupa razvoju pogona. General Electric predlagao je pogon s otvorenim ciklusom nazvan Direct Air Cycle, a Pratt & Whitney sa zatvorenim ciklusom nazvan Indirect Air Cycle.

Ograničene informacije

Tehnička rješenja nastala tijekom projekta NEPA još uvijek su državna tajna te su dostupni materijali o njima vrlo ograničeni. Poznato je da je Direct Air Cycle tvrtke General Electric bio tehnološki vrlo jednostavan. Osnova mu je bio nuklearni reaktor i mlazni motori. Nuklearni reaktor stvarao bi veliku količinu energije koja bi služila za zagrijavanje zraka. Zrak bi se preko pumpi i plenumskih komora pod tlakom usmjeravao u reaktor. Na taj bi se način reaktor istodobno hladio i davao potrebnu energiju. Zagrijani bi se zrak potom slao u drugu plenumsku komoru te usmjeravao u prilagođeni mlazni motor. Sustav je potom poboljšan na način da su iz njega izbačene pumpe za zrak, a potrebnu količinu zraka davao bi kompresor mlaznog motora. Hladan zrak iz kompresora upuhivao bi se s gornje strane reaktora, prolazio kroz njegovu jezgru gdje bi se zagrijavao (ujedno i hladio reaktor) te bi se odvodio natrag u motor. Uklanjanjem pumpi cijeli je sustav pojednostavnjen i postao je lakši. No nastao je problem startanja motora kako bi se dobila početna količina zraka potrebnog za upuhivanje u reaktor. To je riješeno tako da bi se početno pokretanje motora obavljalo na klasičan način s pomoću vanjskog kompresora za zrak i avionskog goriva.

Motor je u osnovi bio turbomlazni, ali s uklonjenom komorom za izgaranje goriva. Umjesto toga, u motor bi se preko ventila upuhivao vrući zrak iz reaktora i tako pokretao turbinu, a ona bi pokretala kompresor. Na taj bi se način dobio potisak bez uporabe kerozina ili nekog drugog goriva. Snaga potiska motora pratila bi se preko ventila, dok bi se višak vrućeg zraka ispuštao u atmosferu, što bi omogućavalo da reaktor uvijek radi jednakom snagom. To bi rezultiralo pojednostavnjenim upravljanjem radom reaktora. Dobra je značajka bila jednostavna konstrukcija koja bi smanjivala mogućnost kvarova, a sustav bi bio lagan te jednostavan za upravljanje.

General Electric predlagao je da u drugoj fazi razvoja napravi turbomlazni motor čiji će sastavni dio biti nuklearni reaktor. Prijedlog je dobio oznaku XNJ140E i trebao je dovesti do demonstratora tehnologija za motor koji bi pokretao avione. Osnovu bi činio keramički nuklearni reaktor koji bi u središtu bio šupalj kako bi kroz njega prolazila osovina za prijenos snage s turbine na kompresor.

Za krstareće projektile vrlo velikog dometa predložen je razvoj nuklearnog protočno-mlaznog motora (ramjet). Motor bi omogućavao neograničen domet uz postizanje nadzvučnih brzina. Takav bi motor služio isključivo za projektile s nuklearnom bojnom glavom kad bi činjenica da bi se gorivo iz nuklearnog reaktora raspršilo tijekom eksplozije bila nebitna.

Puno složeniji prijedlog

Pristup tvrtke Pratt & Whitney razvoju nuklearnog pogona za avione bio je znatno konzervativniji. Njezin je prijedlog, pogon Indirect Air Cycle, u osnovi bio identičan sustavima koji se danas rabe u nuklearnim elektranama, s tom razlikom što se u nuklearnim elektranama za hlađenje reaktora rabi voda, dok je Pratt & Whitney za Indirect Air Cycle kao hladilo predlagao tekući metal.

Zanimljivo je da se u dostupnoj literaturi navode dva načina rada. Najčešće se spominje princip pri kojem bi se zagrijani tekući metal iz jezgre reaktora slao u izmjenjivač topline gdje bi zagrijavao zrak. Tako zagrijan zrak uvodio bi se u turbomlazni motor. Međutim, publikacija Naval War College Review opisuje cijeli proces nešto drukčije. Prema njoj, zagrijani tekući metal iz reaktora u izmjenjivaču topline nije zagrijavao zrak, nego ponovno tekući metal u sekundarnom krugu. Tako zagrijan metal upumpavao bi se u turbomlazni motor, preciznije u još jedan izmjenjivač topline koji bi zagrijavao zrak. Naknadno su projektanti tvrtke Pratt & Whitney pojednostavili sustav tako da bi tekući metal iz nuklearnog reaktora išao izravno u turbomlazni motor. Pritom bi izmjenjivač topline za zagrijavanje zraka bio dio motora te bi se nalazio na mjestu gdje se inače nalaze komore za izgaranje goriva.

Već taj opis pokazuje da je Indirect Air Cycle bio puno složeniji od Direct Air Cyclea. Zbog uporabe tekućeg metala kao hladila te dvaju izmjenjivača topline, ali i pumpi nužnih za siguran rad sustava, bio je i puno veće mase.

Pogodnije za podmornice

Ni napredniji/jednostavniji sustav ne bi bio lakši od Direct Air Cyclea jer bi nuklearni reaktor i dalje bio izvan motora, a za rad bi i dalje trebao barem jednu pumpu za tekući metal. Kao takav, bio je puno pogodniji za ugradnju na, recimo, podmornice. Stoga ne čudi da su i SAD i SSSR za podmornice pokušali projektirati pogone s tekućim metalom. No SAD je vrlo brzo odustao, dok je SSSR napravio Projekt 645 i prema njemu podmornicu K-27, te potom Projekt 705 Lira (Alfa klasa). Naposljetku je i sovjetska mornarica zbog mnoštva problema koji su izazivali i fatalne nesreće odustala od nuklearnih reaktora hlađenih tekućim metalom (opširnije v. tekst Potopljene nuklearne podmornice, HV 617).

Usprkos nedostacima, Pentagon i Američko ratno zrakoplovstvo nisu mogli samo na osnovi teoretskih prijedloga odlučiti koji je sustav bolji. Stoga su željeli testirati i Indirect Air Cycle. No, prvi nuklearni pogon konfiguriran tako da bude namijenjen avionima proradio je 31. siječnja 1956. godine. Bio je tipa Direct Air Cycle i sastojao se od reaktora HTRE-1 (Heat Transfer Reactor Experiment No. 1) i modificiranih turbomlaznih motora J47. Uslijedit će i napredniji reaktori HTRE-2 i HTRE-3. Sustavi su bili golemih dimenzija, ali ispunili su svrhu i pokazali da nuklearna reakcija može pokretati avionski motor. Zanimljivo je da je General Electric tvrdio, usprkos činjenici da je zrak prolazio izravno kroz jezgru reaktora, da su sva mjerenja pokazala da pri radu ne dolazi do znatnijeg onečišćenja okoliša.

Puno složeniji Indirect Air Cycle tvrtke Pratt & Whitney nikad nije došao do faze testiranja s turbomlaznim motorom. U trenutku obustave cijelog projekta 1961. godine još je bio u fazi razvoja nuklearnog reaktora.

Mario GALIĆ