USS Nautilus i narodziny napędu jądrowego

Siedemdziesiąt lat temu, 30 września 1954 roku, do służby w marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych został wcielony USS Nautilus – pierwszy okręt podwodny z napędem jądro­wym. W ciągu kolejnych lat atomowe okręty podwodne stały się powszechnym uzbrojeniem wśród pięciu głównych mocarstw jądrowych, a w Stanach Zjednoczonych, Francji i Wielkiej Brytanii ostatecznie całkowicie wyparły okręty spalinowo-elektryczne. Dzisiaj okręty tej klasy chcą mieć nawet Australia czy Brazylia, a więc państwa niedysponujące bronią jądrową. Oto historia, jak to się zaczęło.

Od siły mięśni do silników spalinowo-elektrycznych

Śladów pierwszych pojazdów podwodnych można doszukiwać się już w starożytności. Bardziej rozwinięte pomysły pojawiły się w średniowieczu. Były to pojazdy napędzane wiosłami lub poprzez kręcenie korbą poruszającą śrubę napędową. Ten czy inny rodzaj napędu ręcznego był planowany dla okrętów podwodnych do końca osiemnastego wieku. W 1795 roku Armand Maizière zaprojektował okręt podwodny, w którym wiosła wprawiano w ruch maszyną parową. Powstało wiele projektów i maszyn, które dziś nazwalibyśmy demonstratorami technologii, jednak wszystkie działały umiarkowanie lub źle i mały ograniczoną lub żadną wartość bojową. Częściej stanowiły zagrożenie dla własnych załóg niż dla przeciwnika.

Na przełomowy pomysł w 1856 roku wpadł Hippolyte Marié-Davy, który zaprezentował projekt okrętu podwodnego napędzanego silnikiem elektrycznym czerpiącym prąd z akumula­to­rów. Na taki sam pomysł pięć lat później wpadł Olivier Riou. Dosyć dojrzałe konstrukcje wykorzystujące napęd całkowicie elektryczny pojawiły się pod koniec dziewięt­nas­tego stulecia. W 1887 roku Hiszpanie zbudowali okręt według projektu porucznika Isaaca Perala napędzany dwoma silnikami elektrycznymi. Rzekomo powietrza miało starczyć aż na dwa dni pływania podwodnego. W tym okresie zaczęły się pojawiać pomysły okrętów napędzanych w położeniu nawodnym silnikami naftowymi.

Okręt podwodny Perala eksponowany w Kartagenie.
(Murcianboy, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)

Przełom w historii napędu okrętów podwodnych nastąpił w 1896 roku, gdy założona przez Phillipa Hollanda firma Holland Torpedo Boat Company opracowała okręt Holland VI. Na powierzchni okręt był napędzany silnikiem spalinowym, a w zanurzeniu – elektrycznym. Jednocześnie silnik spalinowy ładował akumulatory elektryczne. W kolejnych latach taki układ był doskonalony i stał się klasyczny dla konwencjonalnych okrętów podwodnych. Minusem było to, że okręt mógł pozostawać w zanurzeniu jedynie kilka do kilkunastu godzin, toteż nawet w czasie drugiej wojny światowej były to okręty bardziej zanurzalne niż podwodne, bowiem większość czasu i tak spędzały na powierzchni morza.

Cały czas poszukiwano sposobów na uczynienie okrętów podwodnych prawdziwie podwod­nymi. Zależało na tym szczególnie Niemcom, którym we znaki dawało się alianckie lotnictwo zwalczania okrętów podwodnych. W rezultacie opracowano dwa nowatorskie rozwiązania. Pierwszym było wyposażenie okrętów podwodnych w chrapy. Pisząc w uproszczeniu: były to rury, którymi zasysano powietrze do silników spalinowych, gdy okręt pozostawał w zanu­rze­niu. Drugim rozwiązaniem był silnik Waltera – działający bez dostępu do powietrza atmos­fe­rycz­nego. Był jednak skomplikowany w budowie i obsłudze, a ponadto miał niską sprawność. Ponadto w tym czasie na okrętach podwodnych nie mieściła się wystarczająca ilość nadtlenku wodoru, aby zapewnić paliwo na długi rejs.

Amerykańskie dylematy

Po zakończeniu drugiej wojny światowej Amerykanie dysponowali setkami względnie nowych spalinowo-elektrycznych okrętów podwodnych. Z drugiej strony po pojawieniu się U-Bootów typu XXI wszystkie inne okręty podwodne z miejsca stały się technicznie przestarzałe. A ponieważ kilka niemieckich okrętów wpadło w ręce Rosjan, Amerykanie musieli się liczyć z tym, że Związek Radziecki wkrótce opracuje okręty podwodne zdolne do wyprzedzenia i wymanewrowania ich niszczycieli na wzburzonym morzu. Konieczne stało się opracowanie nowych jednostek o parametrach co najmniej tak dobrych jak typ XXI.

Wilhelm Bauer (U-2540) – okręt podwodny typu XXI stanowiący eksponat w muzeum w Bremerhaven.
(JoachimKohlerBremen, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

Rozwiązaniem były okręty typu Tang. Równolegle dowództwo US Navy zainicjowało prace koncepcyjne nad dwoma typami napędu jądrowego i czterema wariantami napędu o cyklu zamkniętym (inna nazwa napędu Waltera). Ponadto analizowano możliwość budowy okrętów podwodnych z napędem z turbinami gazowymi w układzie półzamkniętym, z silnikami o spalaniu zewnętrznym, z silnikiem z wolnym tłokiem i z silnikami wysokoprężnymi o cyklu zamkniętym wykorzystującymi ciekły tlen. Wszystkie te opcje były zbyt skomplikowane, zbyt awaryjne i niebezpieczne. Jako jedyna obietnicę naprawdę dobrego napędu dla okrętów podwodnych dawała energia ukryta w jądrach atomów.

Najpierw bomba

Szukając początku historii napędu jądrowego, można się cofnąć do Niemiec 1938 roku, gdy fizycy Otto Hahn i Fritz Strassmann pracujących w Instytucie Chemicznym Cesarza Wilhelma odkryli zjawisko rozszczepiania jądra atomu. Mimo że druga wojna światowa zbliżała się wielkimi krokami, międzynarodowa społeczność naukowców utrzymywała bliskie kontakty i na bieżąco wymieniano się informacjami o najnowszych osiągnięciach nauki. Wiadomość o osiągnięciu Niemców szybko dotarła za ocean, a pracujący na Uniwersytecie Columbia fizyk George Pegram szybko dostrzegł możliwość praktycznego zastosowania rozczepienia jądra atomowego.

Już w marcu 1939 roku Pegram zaproponował spotkanie z kontradmirałem Harlodem Bowenem, szefem Biura Inżynierii Parowej, w celu omówienia praktycznego zastosowania rozszczepienia atomów uranu. Na spotkaniu byli obecni również: światowej sławy fizyk Enrico Fermi, komandor Hollis Cooley, szef Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej i Ross Gunn, szef wydziału mechanicznego i elektrycznego w tymże laboratorium. Na spotkaniu omawiano możliwość zbudowania bomby jądrowej i napędu dla okrętów podwodnych.

Ross Gunn i Phillip H. Abelson.
(US Navy)

Po analizie treści rozmowy Cooley i Gunn zwrócili się do admirała Bowena o wyasygnowanie funduszy na badania nad opracowaniem „komory rozszczepialnej”, która wytwarzałaby parę do turbin napędzających okręt podwodny. Admirał, będący entuzjastą nowinek technicznych, przeznaczył na wstępne badania 1500 dolarów (około 33 tysięcy dolarów według dzisiejszej wartości). To pierwsze pieniądze wyasygnowane przez rząd amerykański na badania nad rozczepieniem jądra atomowego. Było to kilka miesięcy przed słynnym listem Alberta Einsteina do prezydenta Franklina D. Roosevelta wzywającym do podjęcia prac nad bronią jądrową.

Latem 1939 roku Gunn przedstawił wstępny raport. Przede wszystkim wskazał, że nowy napęd nie będzie potrzebował do pracy tlenu, co jest olbrzymią zaletą z wojskowego punktu widzenia i ogromnie zwiększy efektywność okrętu podwodnego. Równocześnie zwrócił uwagę na wyzwania stojące przed naukowcami i inżynierami, a wielu problemów nawet nie można było na tym etapie przewidzieć. Najważniejszym dostrzeżonym na tym etapie było zagadnienie rozdzielania izotopów uranu U235 od U238. Do rozszczepiania nadawał się tylko ten pierwszy.

Do przełomu doszło w 1941 roku, gdy do programu dołączył fizyk Philip Abelson, który wspólnie z Gunnem opracował relatywnie prostą metodę rozdzielania obu izotopów uranu za pomocą dyfuzji gazowej. W tym miejscu prace nad napędem jądrowym zasadniczo wstrzy­mano. Priorytet uzyskał program mający doprowadzić do powstania bomby atomowej i to tam trafiały wszystkie zasoby i dostępne materiały rozszczepialne. Rozdzielanie izotopów uranu metodą dyfuzji gazowej zostało zastosowane na przemysłową skalę w zbudowanych w ramach Projektu Manhattan zakładach jądrowych w Oak Ridge.

Profil Nautilusa.
(Mike1979 Russia, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

Marynarka wraca do gry

Do pomysłu powrócono w 1944 roku na marginesie prac nad bombą atomową. Kierujący Projektem Manhattan generał dywizji Leslie Groves powołał pięcioosobowy zespół mający przyjrzeć się możliwości wykorzystania energii jądrowej w celu innym niż bomba. W skład zespołu wchodziło dwóch przedstawicieli US Navy: kontradmirał Earle Mills i komandor Thorwald Solberg – obaj z Biura Okrętów. W grudniu, między innymi po rozmowach z Gunnem i Abelsonem, zespół stwierdził, że rząd powinien zainicjować – i traktować jako priorytetowy – program badawczy nad napędem jądrowym dla okrętów. Rok później sprawa trafiła do Kongresu, który powołał Specjalną Komisję do spraw Energii Atomowej.

Sprawę rozważano również w opracowanym przez marynarkę wojenną raporcie z listopada 1945 roku. Wśród zalet wymieniono: nieograniczony zasięg, możliwość długotrwałego zanurzenia w dobrych warunkach socjalnych, wysokie prędkości nawodne i podwodne, brak konieczności ładowania akumulatorów, większą moc dostępną w tej samej masie i objętości, sterowanie identyczne jak w dotychczasowych okrętach podwodnych, lepsze warunki służby dla załogi (między innymi klimatyzacja, brak oleju, brak oparów z akumulatorów) oraz obsługę łatwiejszą niż w przypadku silników wysokoprężnych. Znaleziono tylko dwie wady: obecność niebezpiecznego promieniowania i w związku z tym konieczność całkowicie zdalnej obsługi reaktora i odpowiedniego zabezpieczenia załogi oraz brak możliwości napraw poza stoczniami ze specjalistycznym wyposażeniem.

W marcu 1946 roku Abelson opracował kolejny raport. Zawarł w nim swoje wyobrażenie o tym, w jaki sposób można by zainstalować reaktor jądrowy w niemieckim okręcie podwodnym typu XXVI. Przy ówczesnym stanie wiedzy była to bardziej wizja artystyczna, ponieważ nie wiedziano, jakie wymiary będzie miał reaktor i całe oprzyrządowanie, ale rysunki prawdziwego okrętu podwodnego z nowym napędem działały na wyobraźnię wyższych oficerów. Co do jednego Abelson się nie pomylił. Już w tym raporcie zapisał, że szybki atomowy okręt podwodny będzie idealnym nosicielem pocisków balistycznych z głowicami jądrowymi; wtedy autor nazwał je jeszcze rakietowymi bombami atomowymi.

Przekrój Nautilusa.
(Department of Defense)

Wszystkie wymienione, jak również kilka innych raportów miało poważną wadę. W większości bazowały one jedynie na ogólnych odtajnionych materiałach i domysłach ludzi mających jakąś wiedzę. Większość informacji dotyczących energii jądrowej cały czas była jednak ściśle tajna i niedostępna dla osób spoza Projektu Manhattan. Co więcej, w warunkach narastającego napięcia między Stanami Zjednoczonymi i Związkiem Radzieckim oraz stałego niedoboru materiałów rozszczepialnych priorytet cały czas miała rozbudowa arsenału jądrowego. Dla badań nad napędem dla okrętów pod­wod­nych uranu już nie wystarczało. Był to z resztą jeden z powodów, dla których część oficerów US Navy sprzeciwiała się koncepcji atomowych okrętów podwodnych.

Pod kierunkiem Rickovera

Mimo sprzeciwu części środowiska 14 marca 1946 roku sekretarz marynarki James Forrestal napisał do sekretarza wojny Roberta Pattersona list, w którym oznajmiał, że marynarka wojenna pragnie rozpocząć prace inżynieryjne nad napędem jądrowym dla okrętów pod­wod­nych. Zgody udzielono. Za najlepsze rozwiązanie uznano oddelegowanie personelu marynarki wojennej do zakładów w Oak Ridge, gdzie trwały prace badawcze nad reaktorami jądrowymi.

Do tego zadania wydelegowano grupę pięciu oficerów i trzech pracowników cywilnych. Na ich czele stanął komandor Hyman George Rickover – absolwent Akademii Marynarki Wojennej mający za sobą służbę na niszczycielu, pancerniku i okręcie podwodnym, były dowódca trałowca, ale przede wszystkim od 1938 roku oficer-inżynier (engineering duty officer) i szef wydziału elektrycznego w Biurze Okrętów odpowiedzialny za opracowywanie, zamawianie, testowanie i instalowanie całego wyposażenia elektrycznego na okrętach wojennych. Oficerowie-inżynierowie byli specjalną grupą w ramach US Navy, wyłączoną z tradycyjnego rotacyjnego pełnienia służby na okrętach i na lądzie. Mieli oni się skupić wyłącznie na technicznym rozwoju okrętów.

Rickover na Nautilusie, 1954 rok.
(US Navy)

Jako szef wydziału elektrycznego Rickover osiągnął znaczące sukcesy w czasie wojny, pilnując jakości dostarczanych wyrobów i opracowując innowacyjne rozwiązania. Był uważany za człowieka, który zawsze osiąga postawione cele, ale również trudnego w obyciu.

Przez kolejne miesiące grupa zdobywała wiedzę na temat techniki jądrowej. Równolegle innych oficerów wysyłano do przedsiębiorstw związanych z branżą jądrową. Wszyscy zdobywali nową wiedzę i przekładali ją na kolejne raporty dla wyższych szarż. We wrześniu 1947 roku Rickover został mianowany przez szefa Biura Okrętów, kontradmirała Millsa, specjalnym asystentem do spraw nuklearnych. Ale decyzja o formalnym rozpoczęciu programu budowy okrętu podwodnego z napędem jądrowym musiała zapaść na wyższych szczeblach władzy.

Najmniejszy problem był z szefem operacji morskich, admirałem Chesterem Nimitzem, który sam służył na okrętach podwodnych i od razu dostrzegł potencjał nowego napędu. W 1948 roku w ramach Biura Okrętów utworzono wydział napędu jądrowego z Rickoverem na czele. Większy problem napotkano po stronie nowo powołanej Komisji Energii Atomowej – cywilnego urzędu zarządzającego wszystkimi sprawami związanymi z energią i bronią jądrową. Według członków komisji badania były jeszcze na zbyt wczesnym etapie, aby rozpoczynać program budowy okrętu.

Po kilkumiesięcznych przepy­chan­kach w Kongresie ostatecz­nie w lutym 1949 roku w ramach Komisji utworzono Wydział Rozwoju Reaktorów (Division of Reactor Development). Na jego szefa wyznaczono Rickovera. W ten sposób zajmował on unikalną pozycję, jednocześnie służąc w marynarce wojennej i pracując dla Komisji Energii Atomowej. Takie usytuowanie znacznie upraszczało biurokrację. Celem postawionym przez nowego szefa operacji morskich, admirała Louisa Denfelda, było zbudowanie okrętu do 1955 roku. Rickover zmodyfikował ten cel – miał to być 1 stycznia 1955 roku.

Trwa budowa USS Nautilus, 1953 rok.
(Department of Defense)

Kierowanie pracami nad atomowymi okrętami podwodnymi było dla Rickovera swego rodzaju paradoksem. Rickover myślał o energii jądrowej już w 1933 roku i nie był wtedy jej zwolen­nikiem. W jednym z licznych listów do żony pisał o postępującej industrializacji bazującej na ropie naftowej. Uważał, że dla ludzkości dobrze by było, gdyby tanie paliwa kopalne się wyczer­pały, co spowolniłoby rozwój przemysłu i zmusiło ludzi do bardziej umiarkowanego stylu życia. Wspomniał również, że naukowcy pracują nad pozyskaniem energii z atomów, ale miał nadzieję, że im się to nie uda. Bał się, że zdobycie przez ludzi zbyt dużej wiedzy otworzy puszkę Pandory.

Opracowanie reaktora

W ten sposób można było rozpoczynać program. Przed zespołem Naval Reactors, jak nazwano organizację kierowaną przez Rickovera, stał ogrom wyzwań. Podstawowym był wybór rodzaju reaktora. Dostępne były trzy drogi: reaktor chłodzony gazem, reaktor chłodzony ciekłym metalem (sodem) i reaktor wodny ciśnieniowy. Reaktor chłodzony gazem miał najmniejszy potencjał w zastosowaniu na okrętach. Prace nad dwoma pozostałymi typami prowadzono dalej równolegle. W rezultacie programu miały powstać dwa atomowe okręty podwodne różniące się typem reaktora.

Reaktor chłodzony sodem był opracowywany przez koncern General Electric wspólnie z rządowym laboratorium Knolls Atomic Power Laboratory, a wodny ciśnieniowy – przez Wesinghouse wraz z Bettis Atomic Power Laboratory. Niezależnie od typu reaktora właściwie całą technologię produkcji napędu trzeba było wymyślać od początku. Opracowania wymagały przemysłowa produkcja cyrkonu i zircaloy (stopu cyrkonu wykorzystywanego jako koszulki na paliwo jądrowe), tlenku uranu wzbogaconego do stopnia umożliwiającego zastosowanie w reaktorze czy stali kwasoodpornej o odpowiedniej charakterystyce. Badano również takie zagadnienia jak radiochemia metali płynnych i wody o wysokiej temperaturze, ochrona radiacyjna, przesył ciepła, przepływ płynów i wiele innych. W 1950 roku wszystkie te zagadnienia były niezbadane lub tajne.

Jedną z większych batalii, które musiał stoczyć Rickover, był wybór cyrkonu jako materiału konstrukcyjnego dla reaktora. Ten pierwiastek ma niski przekrój czynny, co oznacza, że nie wyłapuje neutronów i nie przeszkadza w podtrzymywaniu reakcji jądrowej w rdzeniu reaktora. Dlatego jest odpowiednim materiałem na koszulki zawierające paliwo jądrowe. Ale żeby jego wykorzystanie było możliwe, należy go wcześniej oczyścić z hafnu, wykazującego dla odmiany wysoki przekrój czynny na wychwyt neutronów. Chociaż cyrkon odkryto już w osiemnastym wieku, w 1945 roku w całych Stanach Zjednoczonych dostępnych było tylko kilkadziesiąt kilogramów tego materiału, a jego koszt sięgał ponad 10 tysięcy dolarów za kilogram (według dzisiejszych cen). Dla jednego reaktora potrzeba było około 15 ton tego materiału w odpowiedniej jakości.

Odkąd rozpoczęliśmy finansowanie Konfliktów przez Patronite i Buycoffee, serwis pozostał dzięki Waszej hojności wolny od reklam Google. Aby utrzymać ten stan rzeczy, potrzebujemy 1700 złotych miesięcznie. Rozumiemy, że nie każdy może sobie pozwolić na to, by nas sponsorować, ale jeśli wspomożecie nas finansowo, obiecujemy, że Wasze pieniądze się nie zmarnują.

Konfliktom nie grozi zamknięcie, jeśli jednak nie dopniemy budżetu tą drogą, będziemy musieli w przyszłym miesiącu na pewien czas przywrócić reklamy Google.

Możecie nas wspierać przez Patronite.pl i przez Buycoffee.to.

Drugim kluczowym zagadnieniem był wybór stoczni mającej zbudować sam okręt podwodny. Wydawało się, że podobnie jak w przypadku reaktorów prace zostaną podzielone pomiędzy dwie stocznie. Tak się składało, że historycznie Westinghouse dostarczał napędy dla okrętów budowanych w Stoczni Marynarki Wojennej w Portsmouth w stanie New Hampshire, podczas gdy General Electric dostarczał silniki dla okrętów budowanych przez prywatną stocznię Electric Boat w Grotonie w stanie Connecticut. Rickover wizytował oba zakłady. W szczy­towym okresie drugiej wojny światowej stocznia Electric Boat wodowała nowy okręt podwodny co dwa tygodnie. Ale w 1950 roku zamówień nie było, więc jej kierownictwo z radością przyjęło propozycję budowy nowej jednostki.

Także kierownictwo Portsmouth Naval Shipyard początkowo było zainteresowane, jednak ktoś wywołał silny sprzeciw, argumentując, że stocznia ma za dużo pracy w związku z modernizacją okrętów podwodnych będących już w służbie. W rzeczywistości prawdopodobnie chodziło o trudny charakter Rickovera i osobistą niechęć do współpracy z nim. Ostatecznie Stocznia Marynarki Wojennej zrezygnowała z tego zlecenia. Jeszcze z biura kierownika Portsmouth Naval Shipyard Rickover zadzwonił do szefa Electric Boat z pytaniem, czy chce budować również drugi atomowy okręt podwodny. Chciał. Electric Boat dostała oba zlecenia. Rickover prawdopodobnie był zadowolony z takiego obrotu spraw. Na prywatnej stoczni rozpaczliwie potrzebującej nowych zleceń mógł wymóc własne warunki współpracy w kwestii organizacji pracy czy jakości. W stoczni marynarki wojennej byłoby to znacznie trudniejsze.

Decyzję o budowie okrętów wojennych podejmuje Kongres. Jeśli atomowy okręt podwodny miał być zbudowany do 1955 roku, musiał być ujęty w planie budowy okrętów na rok 1952. Aby do tego doszło, rekomendację musiały wydać rada charakterystyki okrętów wojennych i rada generalna. W czasie wystąpienia przed tą drugą doszło do dyskusji, czy pierwszy atomowy okręt podwodny ma być jednostką typowo doświadczalną czy bojową. Rickover był przeko­nany, że US Navy nigdy nie doceni w pełni zalet napędu jądrowego, jeśli zbudowany okręt nie będzie mógł od początku być zintegrowany z siłami bojowymi floty. Jego argumentacja przeważyła i postanowiono o budowie okrętu bojowego. Kongres zatwierdził, a prezydent Harry Truman podpisał program budowy okrętów na 1952 rok 8 sierpnia 1950 roku.

W planie zapisano budowę tylko jednego okrętu, ale jak pamiętamy, planowano budowę dwóch – jednego z reaktorem wodnym ciśnieniowym i drugiego z reaktorem chłodzonym płynnym metalem. Odpowiedzialna za ten drugi General Electric została jednak obarczona przez Komisję Energii Jądrowej również innymi zadaniami, w tym opracowaniem reaktora na potrzeby cywilnej produkcji energii elektrycznej. Z tego powodu reaktor dla okrętu podwod­nego zajął dalsze miejsce na liście priorytetów firmy, w związku z czym jako pierwszy powstać miał okręt z wodnym ciśnieniowym reaktorem Westinghouse’a.

W lipcu 1950 roku Komisja Energi Atomowej zatwierdziła budowę reaktora wodnego ciśnieniowego Mark I. Prototyp miał zostać zbudowany w ośrodku badawczym na pustyni w Idaho niedaleko Arco. Rickover wpadł na pomysł, aby prototyp reaktora powstał w obudowie odpowiadającej wymiarami przedziałowi napędowemu prawdziwego okrętu podwodnego. Dzięki temu prototyp można by od razu na miejscu modyfikować, co pozwoliłoby uniknąć wielu kłopotów, gdyby na etapie budowy stoczniowej okazało się, że jakieś elementy nie pasują. Prototyp miał się składać dokładnie z takiego samego reaktora i wytwornicy pary, jakie były planowane dla okrętu podwodnego. W ten sposób można było również przećwiczyć technologię budowy samego okrętu i ewentualnie wprowadzać korekty. Do tego cała sekcja kadłuba z reaktorem została zbudowana w zbiorniku wypełnionym wodą o wymiarach 15,2 na 12,2 metra. Dzięki temu w pewnym stopniu można było zbadać zachowanie się reaktora na morzu. Już poza zbiornikiem do reaktora były podłączone wymiennik ciepła, pompy i turbina.

W reaktorze Mark I zastosowano masywną ołowianą obudowę chroniącą przed promie­nio­wa­niem. Pręty kontrolne wykonano z hafnu, materiału bardzo dobrze pochła­nia­ją­cego neutrony. Do zainicjowania reakcji łańcuchowej pręty były wysuwane z rdzenia reaktora, a dla jej zatrzymania były doń opuszczane. Sterowanie było realizowane elektrycznie, a same pręty były gwintowane i poruszały się na zasadzie śruby. Reaktor osiągnął stan krytyczny 30 marca 1953 roku. W ciągu kolejnych miesięcy przechodził intensywne testy. Błędy wykrywano i poprawiano. 31 maja po raz pierwszy otwarto zawór doprowadzający parę do turbiny. Świst wypełnił cały budynek, turbina zaczęła się obracać, a wraz z nią wał symulujący wał śruby napędowej przyszłego okrętu. Wszystko działało.

Nietypowy test przeprowadzono w czerwcu. Reaktor miał pracować przez czterdzieści osiem godzin, aby umożliwić zebranie odpowiednich danych. Naukowcy zebrali je już w ciągu pierwszej doby i chcieli wyłączyć reaktor, ale Rickover nie pozwolił. Nawet po upływie czterdziestu ośmiu godzin nakazał dalszą pracę, co wielu uważało za zachowanie lekkomyślne. Rickover skalkulował prędkość, z jaką mógł iść okręt napędzany tym reaktorem, rozwinął mapę Atlantyku i zasymulował rejs przez ocean. Po dziewięćdziesięciu sześciu godzinach wyimaginowany okręt dopłynął do Irlandii. Ku uldze wielu, bo pojawiały się już pewne kłopoty techniczne, reaktor wyłączono. Ewentualne zniszczenie prototypu zakończyłoby karierę Rickovera, ale on uważał, że lepiej, aby nieprawidłowości wyszły na jaw teraz, a nie na prawdziwym okręcie.

Budowa USS Nautilus

Uroczystość położenia stępki pod przyszły USS Nautilus odbyła się 14 czerwca 1952 roku w obecności prezydenta Trumana. Okręt wyglądał z grubsza jak niemieckie U-Booty typu XXI z zaokrąglonym dziobem i prostym kadłubem. Miał 98,4 metra długości i 8,5 metra średnicy, wyporność na powierzchni wynosiła 3533 tony, a w zanurzeniu – 4092 tony. Przez większość długości ciągnęły się trzy pokłady. Była to duża jednostka nawet w porównaniu z niemałymi okrętami podwodnymi floty będącymi w służbie US Navy. Wielkość była w głównej mierze podyktowana wymogami układu napędowego, w tym samego reaktora. Okręt musiał być „wysoki”, żeby było miejsce na wysunięcie prętów kontrolnych.

Na dziobie znajdował się sonar pasywny BQR-4A, sonar aktywny SQS-4 i sześć wyrzutni torpedowych. Dalej umieszczono miejsca do spania i jedzenia dla oficerów i marynarzy. Każdy marynarz miał własną koję. Mesa mieściła jednorazowo trzydziestu sześciu ludzi w czasie posiłku lub pięćdziesięciu w czasie projekcji filmowej. Oficerowie mieli współdzielone kajuty, a dowódca – kajutę prywatną. Oficerowie mieli także osobną mesę. Dalej, pod kioskiem, znajdowała się centrala. Tylna połowa kadłuba była w większości zajęta przez układ napędowy. Dostęp do przedziału reaktora był zamknięty, a żeby przejść na rufę, trzeba było się przecisnąć wąskim korytarzem ponad przedziałem reaktora zwanym „tunelem”. Reaktor oznaczony Mark II był dokładną kopią prototypowego Mark I. Później jego oznaczenie zmieniono na S2W. Cały układ napędowy wytwarzał moc 13 400 koni mechanicznych pozwalających rozpędzić okręt do 23 węzłów.

Dla zwiększenia niezawodności przez pewien czas rozważano układ z dwoma reaktorami, ale to wymagałoby budowy jeszcze większego okrętu. Zdecydowano się więc na instalację niewielkiego awaryjnego silnika wysokoprężnego wraz z chrapami i dwoma bateriami identycznymi jak na okrętach podwodnych modernizowanych w programie GUPPY. Napęd pomocniczy miał jedynie umożliwić powrót okrętu do portu.

Nautilus podczas prób morskich, 1957 rok.
(US Navy)

Napęd jądrowy poza korzyściami operacyjnymi przyniósł również pewne benefity dla załogi. W odróżnieniu od starszych okrętów podwodnych na Nautilusie dostępne było dużo wody do gotowania i mycia się. Drugim udogodnieniem była klimatyzacja. Wytwornica pary zains­ta­lo­wana w zamkniętej przestrzeni wymuszała znalezienie sposobu na obniżenie temperatury. Z drugiej strony ogromna ilość energii elektrycznej produkowana przez reaktor pozwalała na zainstalowanie dużych i wydajnych klimatyzatorów. Dodatkowo na pokładzie znalazła się maszyna do produkcji lodów, automat z Coca-Colą i szafa grająca podłączona do pokładowego systemu nagłaśniającego.

Równolegle z budową okrętu toczyło się szkolenie załogi. Rickover osobiście selekcjonował oficerów i marynarzy. Ich szkolenie rozpoczęło się od rocznego pobytu w Bettis Atomic Power Laboratory, gdzie przechodzili szkolenie z fizyki, matematyki i obsługi reaktora. Kurs nie miał z nich uczynić naukowców, ale pozwolić nabyć te umiejętności, które będą rzeczywiście przydatne do obsługi okrętu. Drugą część szkolenia realizowano w prototypie Mark I. Tam też szkolili się pracownicy Westinghouse’a i stoczniowcy z Electric Boat. Załoga stworzyła również instrukcje użytkowania i serwisowania układu napędowego. Ogółem na okręcie służyło dwunastu oficerów oraz dziewięćdziesięciu podoficerów i marynarzy.

Pozostało jedynie wybranie pierwszego dowódcy. Na posadę, z którą potencjalnie łączyły się sława i zaszczyty, chrapkę miało wielu doświadczonych oficerów okrętów podwodnych. Rickover miał już jednak swojego kandydata. Był to komandor porucznik Eugene Wilkinson.

W 1938 roku Wilkinson zrobił licencjat z fizyki na Uniwersytecie Południowej Kalifornii. W 1940 roku wstąpił do rezerwy marynarki wojennej w stopniu podporucznika. Po początkowej służbie na krążowniku został przeniesiony na okręty podwodne. W czasie wojny odbył osiem patroli bojowych, był pierwszym oficerem i awansował na komandora podporucznika. Wilkinson był jednym z oficerów oddelegowanych do Oak Ridge, a później pomagał organizować laboratorium Bettis. W 1950 roku powrócił do służby podwodnej i został dowódcą USS Wahoo. Jak wszystko w przypadku Rickovera, tak i ten wybór spotkał się ze sprzeciwem innych oficerów, którzy argumentowali, że Wilkinson nie ukończył Akademii Marynarki Wojennej i nie dowodził okrętem podwodnym w czasie wojny. Był krytykowany za bycie „naukowcem”, a jak argumentowano, dowodzenie okrętem podwodnym nie polega jedynie na dbaniu o napęd, który pogardliwie był nazywany jedynie „fabryką pary”. W tym czasie Rickover miał jednak tak silną pozycję, że przeforsował swojego kandydata.

Eugene P. Wilkinson.
(US Navy)

Prace przy okręcie postępowały. Uroczystość wodowania zaplanowano na 21 stycznia 1954 roku. Matką chrzestną miała zostać Mamie Eisenhower – żona ówczesnego prezydenta. Ta decyzja zawisła na włosku, gdy Washington Post opublikował artykuł Johna Finneya A-Sub­ma­rines Held Unfit for Battle Now (4 stycznia 1954), w którym pisano, że Nautilus jest zbyt duży, wyrzutnie torped dodano na chybcika, a anonimowy oficer określił go jako okręt ściśle doświadczalny. Do tego jego system sonarowy miał być niedostosowany do wysokich prędkości rozwijanych przez okręt. Eisenhower się wściekł, pytał, dlaczego jego żona ma chrzcić jakiś pojazd doświadczalny. Szybko zwołano zebranie polityków, w którego trakcie okazało się, że sformułowania użyte w artykule były zasadniczo zgodne z tym, co znajdowało się w wybranej dokumentacji US Navy. Odpowiedzi dla prasy nie wydano z obawy o ujawnienie zbyt wielu informacji niejawnych. Finalnie jednak prezydent został udobruchany i ustalono, że wodowanie odbędzie się zgodnie z planem.

21 stycznia 1954 roku pogoda w Grotonie była zimna, mokra i mglista. Na uroczystości zebrało się około 1500 gości. Większość widziała jedynie szarą bryłę okrętu majaczącą przez mgłę. W rzeczywistości poniżej linii wodnej okręt był czarny, a powyżej – oliwkowo-zielony. Ceremonia została zaplanowana precyzyjnie. Nautilus musiał być zwodowany około godziny 11.00, ponieważ wtedy przypływ był najwyższy. Kilka minut przed wyznaczoną godziną pierwsza dama weszła na małą platformę i rozbiła o kadłub butelkę szampana. Pośród okrzyków, gwizdów i muzyki okręt stoczył się po pochylni do Tamizy, gdzie czekały już cztery holowniki, które dopchnęły okręt do nabrzeża stoczni.

Prace na okręcie trwały przez kolejne miesiące na trzy zmiany przez sześć dni w tygodniu. W nocy 16 września, podczas testów różnych elementów układu napędowego, w czasie, gdy para była podawana z brzegu, pękła jedna z rur. Nie była ona bezpośrednio związana z reaktorem. Szybka akcja ratunkowa zapobiegła poważniejszym uszkodzeniom, jedna osoba została lekko rana. Dochodzenie wykazało, że stocznia zainstalowała rury o niewłaściwej specyfikacji. Nie chodziło tylko o Nautilusa, ale też o prototyp Mark I, prototyp reaktora chłodzonego sodem i będącego już w budowie Seawolfa. Sprowadzeni eksperci rządowi i przemysłowi nie byli w stanie wymyślić testu pozwalającego na określenie, czy dany element jest prawidłowy czy nie.

Wodowanie Nautilusa.
(US Navy)

Rickover podjął decyzję o całkowitej wymianie podejrzanego orurowania. Wydłużało to pracę o trzy miesiące i sprawiało, że termin 1 stycznia 1955 roku stawał się niemożliwy do utrzymania. Niemniej to stosowane w czasie całego programu rygorystyczne podejście Rickovera do bezpie­czeń­stwa w kolejnych dekadach przełożyło się na małą liczbę wypadków amerykańskich okrętów podwodnych.

30 września 1954 roku nastąpiło oficjalne przyjęcie USS Nautilus do służby w US Navy. Ceremonia odbyła się jedynie na potrzeby propagandy, ponieważ okręt cały czas nie był gotowy do służby, ale chciano pokazać, że harmonogram jest dotrzymywany.

Reaktor na okręcie uruchomiono 30 grudnia. Trzy dni później para wyprodukowana dzięki ciepłu pochodzącemu z reaktora wprawiła w ruch dwie śruby napędowe ciągle zacumowanego okrętu. Rickover zarządził osiągnięcie pełnej mocy, czego nie powinno się robić z okrętem na uwięzi. Odrzucając protesty inżynierów i oficerów, stwierdził (ponownie), że jeśli coś ma się zepsuć, to teraz, a nie w czasie prób morskich. Wszystko zadziałało perfekcyjnie.

Wyjście na próby morskie zaplanowano na 17 stycznia 1955 roku. Dokładnie o godzinie 11.00 dowódca dał rozkaz zdjęcia ostatnich lin cumowniczych. Z brzegu oglądali to stoczniowcy i tysiące gapiów. Z powietrza sytuację obserwowała załoga śmigłowca sił powietrznych i małego prywatnego samolotu. Na zaproszenie marynarki z pokładu okrętu ratunkowego USS Skylark wszystko obserwowali dziennikarze i fotoreporterzy.

USS Seawolf, 1984 rok.
(US Navy)

Wilkinson dał komendę „cała wstecz” i w tym momencie przedział maszynowni wypełnił hałas metalu trącego o metal. Wydobywał się z położonej na sterburcie przekładni redukcyjnej. Nie była to część systemu jądrowego, ale była niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania prawej śruby napędowej. Główny inżynier szybko przełączył napęd na elektryczny. Awaryjne silniki elektryczne były napędzane z generatorów wykorzystujących parę z reaktora, więc okręt cały czas działał na napędzie jądrowym.

Względy bezpieczeństwa nakazywały ponowne zacumowanie do nabrzeża stoczniowego. Rickover odmówił – to by była wizerunkowa porażka. Zamiast tego zaproponował żeby, gdy okręt będzie już w głównym nurcie rzeki, włączyć lewoburtową turbinę i śrubę napędową, a prawej śrubie pozwolić obracać się swobodnie. Gdy dowódca okrętu manewrował, Rickover popędził do maszynowni. Szczęśliwe, zanim tam dotarł, usterka została już znaleziona – była to obluzowana śruba trąca o metalową obudowę. Problem szybko naprawiono.

Gdy Nautilus był już w ujściu Tamizy i wychodził na zatokę Long Island Sound, Wilkinson wysłał do Dowództwa Okrętów Podwodnych Floty Atlantyku komunikat, który przeszedł do historii marynistyki: „W drodze, na napędzie jądrowym” (Underway on nuclear power)…

Dalsze losy pierwszych atomowych okrętów podwodnych

Próby morskie Nautilusa przebiegały sprawnie. Ich częścią był rejs w zanurzeniu z New London w Connecticut do San Juan w Portoryko (2559 kilometrów) w czasie dziewięć­dzie­sięciu godzin ze średnią szybkością 15,3 węzła. Kolejne rejsy doświadczalne odbywały się niemal zawsze z prędkościami maksymalnymi.

Kiosk USS Nautilus po kolizji z lotniskowcem USS Essex, listopad 1966 roku.
(US Navy)

Po rozpoczęciu służby powróciło zagadnienie, czy USS Nautilus jest okrętem bojowym czy doświadczalnym. Chociaż miał zainstalowane całe wyposażenie bojowe, w rzeczywistości jego służba przypominała bardziej zbiór testów i doświadczeń, które miały pomóc w opracowaniu nowszych, bardziej zaawansowanych atomowych okrętów podwodnych, a jednocześnie pomóc wypracować taktykę użycia jednostek tej klasy. Z tych zadań okręt wywiązał się znakomicie. Mógł błyskawicznie doskoczyć do przeciwnika, a w razie potrzeby mógł bez problemu się od niego oddalić. Był tak szybki, że potrafił uciec ówczesnym amerykańskim torpedom przeciw okrętom podwodnym. Do tego był także znacznie bardziej manewrowy od starszych okrętów podwodnych, i to niezależnie od stanu morza.

Wysoka prędkość umożliwiająca szybką ucieczkę była w przypadku Nautilusa bardzo potrzebna, ponieważ okręt był bardzo głośny i łatwy do wykrycia. Wiry tworzące się u podstawy kiosku i za nim wywoływały wibracje całej struktury. Przy częstotliwości drgań wynoszącej 180 cykli na minutę drgania kiosku zbliżały się do naturalnej tendencji kadłuba do wibrowania w czasie rejsu w zanurzeniu. Jeśli częstotliwości obu drgań by się pokryły, Nautilus mógł odnieść poważne uszkodzenia strukturalne. Kadłub wpadał w nadmierne wibracje przy prędkości powyżej 16 węzłów.

Hałas generowany przez wibracje kadłuba i kiosku był tak duży, że korzystanie z sonaru przy prędkości powyżej 8 węzłów było niemożliwe. Ta niedogodność redukowała zalety napędu nuklearnego. Przy tej samej prędkości normalna rozmowa w przedziale torpedowym była niemożliwa. Przy prędkościach rzędu 15–17 węzłów marynarze musieli do siebie krzyczeć. W trakcie służby zmieniono konstrukcję kiosku, ale mimo wyeliminowania największych wibracji okręt pozostawał głośny i łatwy do wykrycia. W kolejnych latach służby stał się swego rodzaju pływającym laboratorium nad zagadnieniem hałasu generowanego przez okręty podwodne i przyczynił się w ten sposób do ich wyciszenia.

Pisemny meldunek nawigatora Nautilusa określający położenie okrętu – dokładnie na biegunie północnym.
(US Navy)

Latem 1958 roku USS Nautilus, jako pierwszy okręt w historii, przepłynął przez Biegun Północny. Rejs zakończył się w Wielkiej Brytanii, a po powrocie okręt wszedł do Nowego Jorku. Do dziś pozostaje jedynym okrętem z napędem atomowym, który wszedł do portu nowojorskiego. Nautilus służył jako okręt bojowy, ale głównie doświadczalny, do 1979 roku. Obecnie jest to jednostka muzealna udostępniona do zwiedzana w Grotonie w stanie Connecticut.

Na koniec trzeba jeszcze wspomnieć o USS Seawolf – drugim atomowym okręcie podwodnym, który wyposażono w reaktor chłodzony płynnym metalem, w tym wypadku ciekłym sodem. Jest to lepszy wymiennik ciepła niż woda pod ciśnieniem, dzięki czemu spodziewano się, że okręt będzie mógł pływać jeszcze szybciej. Jednocześnie cały układ napędowy był bardziej skomplikowany. Lądowy prototyp reaktora oznaczono S1G, a jednostkę zamontowaną na okręcie – S2G.

Budowę Seawolfa zamówiono w czerwcu 1952 roku. Okręt miał nieco większą wyporność z powodu dodatkowych osłon wymaganych przez ten typ reaktora. Reaktor osiągnął stan krytyczny 25 czerwca 1956 roku. Już dwa miesiące później w czasie testów w doku doszło do awarii prawoburtowego przegrzewacza pary i nastąpiły dwa przecieki pary z rur łączących generator pary z przegrzewaczem. Badanie wykazało, że do awarii doszło, ponieważ do rur dostał się stop sodowo-potasowy, który jest bardzo niebezpieczny dla stali nierdzewnej. W czasie przeglądu odkryto też kilka innych przecieków. Wprowadzenie poprawek zajęło trzy miesiące. W grudniu wykryto kolejne przecieki, co dodatkowo wydłużyło prace.

Nautilus przybywa do Nowego Jorku,
(US Navy)

Wreszcie okręt rozpoczął służbę 30 marca 1957 roku, ale mógł korzystać tylko z 80% mocy reaktora. Ten jednak przez prawie dwa lata pracował bezawaryjnie. W tym czasie USS Seawolf odbył rekordowy rejs w zanurzeniu, przebywając 13 761 mil morskich w ciągu sześćdziesięciu dni. W tym czasie trzeba było zwracać szczególną uwagę na parametry pracy reaktora i jego systemu chłodzenia. Jak wspomniano, sód jest bardzo dobrym wymiennikiem ciepła i może wywoływać bardzo szybkie zmiany temperatury. To z kolei działa niekorzystnie na stal nierdzewną typu 347, która źle znosi tak szybkie zmiany temperatur, i może powodować pęknięcia. Długie bezawaryjne działanie było możliwe dzięki uważnemu dopasowywaniu przepływu sodu do mocy reaktora i pilnowaniu, by zmiany temperatury były jak najmniejsze i zachodziły jak najwolniej.

Nadzorujący program reaktorów dla okrętów podwodnych Rickover uznał, że takie rozwią­za­nie jest zbyt niebezpieczne. Gdy nadszedł czas wymiany paliwa jądrowego, a w przypadku pierwszych atomowych okrętów podwodnych należało to robić co kilka lat, Rickover na mocy swoich uprawnień nakazał wymianę reaktora na USS Seawolf na identyczny jak na Nautilusie. Okręt powrócił do służby w 30 września 1960 roku i pozostawał w służbie do 1987 roku. Rickover zakończył prace nad reaktorami chłodzonymi sodem i wszystkie późniejsze amerykańskie okręty podwodne, ale także lotniskowce oraz kilka krążowników i niszczycieli, było napędzanych wyłącznie reaktorami wodnymi ciśnieniowymi.

Bibliografia

Jim Christley, US Nuclear Submarines: The Fast Attack, ‎ Osprey Publishing, Oxford 2007.
Francis Duncan, Rickover: The Struggle for Excellence, Plunkett Lake Press, Lexington 2021.
Ulf Kaack, Niemieckie okręty podwodne. Pełna historia, wyd. Almapress, Warszawa 2023.
Norman Polmar, K. J. Moore, Cold War Submarines: The Design and Construction of U.S. and Soviet Submarines, 1945-2001, Potomac Books, Waszyngton 2003.
Richard Rhodes, Jak powstała bomba atomowa, wyd. Marginesy, Warszawa 2021.
Sławomir Sutowski, Okręty podwodne. Fantazja i rzeczywistość, wyd. MON, Warszawa 1989.