USS Nautilus (SSN-571) – pierwsza na świecie wcielona do służby jednostka pływająca napędzana siłownią okrętową czerpiącą energię z przebiegającej w reaktorze atomowym reakcji łańcuchowej. Okręt ten został opracowany przez amerykańską marynarkę wojenną w ramach programu napędu jądrowego. W 1958 roku USS „Nautilus” jako pierwszy na świecie przepłynął pod biegunem północnym, zaś przeprowadzone za jego pomocą testy wykazały szereg zalet siłowni jądrowej wobec innych rodzajów napędu. Rezultaty tych testów pchnęły US Navy do podjęcia decyzji o całkowitej rezygnacji z napędu konwencjonalnego dla tej klasy okrętów.

Amerykański program napędu jądrowego

Podczas gdy marynarka wojenna III Rzeszy znacznie rozwinęła technologie okrętów podwodnych i kilku innych rodzajów broni, niemiecki program atomowy nie rozwijał się sprawnie i Niemcom nie udało się osiągnąć sukcesów w tej dziedzinie. Niemiecki program nuklearny doprowadził jednak do rozpoczęcia przez Stany Zjednoczone własnego tajnego programu atomowego pod kodową nazwą „Manhattan Engineering District”, znanego dziś bardziej jako „Projekt Manhattan”, i powrotu zainteresowania napędem atomowym dla okrętów.

Początki programu atomowego

Kiedy w 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann odkryli zjawisko rozszczepienia jądra atomowego, możliwość uwolnienia gigantycznej ilości energii wywołała ekscytację naukowców na całym świecie. Jednym z nich był dr George Pegram z Uniwersytetu Columbia – jeden z wiodących fizyków w Stanach Zjednoczonych. W 1939 roku, Pegram zwrócił się do adm. Harolda G. Bowena, szefa Biura Inżynieryjnego Pary marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych, kontrolującego laboratorium badawcze Naval Research Laboratory (NRL), z prośbą o spotkanie z naukowcami marynarki w celu przedyskutowania możliwości praktycznego wykorzystania fuzji uranowej. Skutkiem tego spotkania było powstanie planów napędu nuklearnego dla okrętów United States Navy. Jednym z uczestników tego spotkania był dr Ross Gunn, innowator i szef działu mechaniki laboratorium elektrycznego. Gunn wystąpił do adm. Bowena o przyznanie funduszu w wysokości 1500 dolarów na rozpoczęcie prac nad fenomenem fuzji jądrowej. Środki te zostały przyznane i stanowiły pierwsze 1,5 tysiąca dolarów wydane przez Stany Zjednoczone na program nuklearny. Po przeprowadzeniu wstępnych badań, Gunn sporządził pierwszy raport dla marynarki wojennej na temat napędu nuklearnego okrętów podwodnych. Raport ten wyprzedził o cztery miesiące skierowany do prezydenta USA Franklina D. Roosevelta słynny list Alberta Einsteina, wzywający do rozpoczęcia przez ten kraj programu konstrukcji broni jądrowej. 1 czerwca 1939 roku, w swoim memorandum skierowanym do dyrektora Naval Research Laboratory, Gunn stwierdził, iż okrętowa siłownia atomowa nie będzie wymagała tlenu, znacznie też zwiększy zasięg i możliwości bojowe okrętów podwodnych. Zapowiedział również, że zespół programu napędu nuklearnego będzie musiał zmierzyć się z wieloma problemami i niewiadomymi, przede wszystkim odkryć sposób separacji lekkich atomów U235, które w trakcie bombardowania neutronami pochodzącymi z ciężkich atomów uranu, ulegną fuzji jądrowej. Po sporządzeniu tego raportu, Gunn skupił się głównie na rozwiązanie problemu uranu.

Philip Abelson

Naval Research Laboratory zaprosiło do udziału w programie wiele cywilnych ośrodków akademickich i badawczych z zadaniem opracowania praktycznej metody separacji nieuchwytnego izotopu U235. Od stycznia 1941 roku zaczął nad tym problemem pracować także Philip Abelson z Carnegie Institution for Science. W lipcu tego samego roku Abelson został pracownikiem Naval Research Laboratory, gdzie wraz z Gunnem opracował relatywnie prostą i skuteczną metodę separacji izotopu U235.

Podczas gdy US Navy i inne amerykańskie instytucje stawiały pierwsze kroki ku erze atomowej, amerykańskie społeczeństwo poznawało pierwsze szczegóły potencjału energii atomowej. W 1940 roku, pisarz naukowy William Laurence opublikował w Saturday Evening Post artykuł na temat „odkrycia nowego źródła energii, miliony razy większego niż wszystko znane na ziemi”. Po dokonaniu opisu dotychczasowych badań w tym zakresie, Laurence napisał: „jest mało prawdopodobne, aby tego rodzaju energia dała się wykorzystać w eksplozji”. W nieco naiwnej propozycji napisał też: „pięciofuntowa [2,26 kg] bryła [uranu] z 10–50% czystości będzie wystarczająca do przepłynięcia przez pasażerskiego liniowca lub okręt podwodny tam i z powrotem przez siedem mórz bez ponownego zaopatrywania w paliwo przez miesiące”.

Wraz z rozwojem wydarzeń wojennych w Europie, Stany Zjednoczone zaczęły obawiać się rozwijanego przez Niemcy programu atomowego, w związku z czym – wraz z Wielką Brytanią – podjęły wspólny program budowy bomby atomowej pod kodową nazwą Manhattan Engineering District (projekt Manhattan). Program ten spowodował praktycznie zatrzymanie prac marynarki nad napędem jądrowym, jednakże wyniki przeprowadzonych na małą skalę prac Gunna i Abelsona w Filadelfii zostały natychmiast przejęte przez projekt Manhattan i zaadaptowane do wykorzystania na skalę masową w Oak Ridge National Laboratory w stanie Tennessee.

Program powojenny

W sierpniu 1944 roku, szef projektu Manhattan, generał Leslie Groves powołał pięcioosobowy komitet w celu określenia potencjalnych możliwości niedestrukcyjnego użycia energii atomowej. Przewodniczącym komitetu został długoletni dziekan California Institute of Technology i szef doradców naukowych generała Grovesa dr Richard S. Tolman. Innymi członkami komitetu zostało dwóch cywilów oraz dwaj oficerowie marynarki: kadm. Earle W Mills – asystent szefa Bureau of Ships (BuShips), powstałego z połączenia Biura Inżynieryjnego Pary z Biurem Konstrukcji i Napraw, oraz kpt. Thorwald A. Solberg – także z BuShips. W sierpniu tego samego roku, członkowie komitetu spotkali się w Naval Research Laboratory z Gunnem i Abelsonem, którzy przekonywali, że program napędu jądrowego powinien uzyskać najwyższy priorytet w sporządzanym przez komitet raporcie. W grudniu 1944 roku, siedem miesięcy przed pierwszą próbą atomową, komisja sporządziła swój formalny raport, w którym zaznaczyła: „rząd powinien rozpocząć i wspierać pilny projekt oraz studia badawczo-rozwojowe zmierzające do zapewnienia energii ze źródeł nuklearnych dla okrętów marynarki”.

Rok później, po zakończeniu wojny, Senat Stanów Zjednoczonych powołał Specjalną Komisję Energii Atomowej, przed którą zeznania składał m.in. Ross Gunn. W swoim oświadczeniu Gunn stwierdził m.in. „najważniejszym zadaniem energii atomowej jest obracać koła Ziemi i napędzać okręty”. Już pod koniec tego samego roku, sprawą napędu nuklearnego zajmowało się wielu amerykańskich uczonych i inżynierów, którzy rozważali możliwość budowy okrętów podwodnych napędzanych energią jądrową.

W datowanym na 19 listopada 1945 roku raporcie marynarki (sporządzonym faktycznie przez Gunna i Abelsona), wymieniono znane zalety i wady napędu nuklearnego dla okrętów podwodnych:

Raport wskazywał także dwie wady tego rodzaju napędu:

Po zakończeniu wojny, Gunn z Abelsonem posłużyli się planami niemieckich okrętów podwodnych typu XXVI przy opracowywaniu schematu okrętów podwodnych mieszczących stos i reaktor przy jedynie minimalnych zmianach ich konstrukcji. W większej mierze prace te nie doprowadziły do dających się zastosować w praktyce rozwiązań, głównie z powodu zbyt małej wiedzy na temat konstrukcji nuklearnego stosu i reaktora. Zapożyczyli jedynie ideę użycia stopu sodu i potasu do transferu ciepła z reaktora do turbiny parowej. Raport o tytule „Atomic Energy Submarine”, zawierający m.in. rezultaty tych prac, został przedstawiony marynarce w marcu 1946 roku i od razu został zauważony przez oficerów US Navy. Zawierał on między innymi konkluzję: „Odkrycia techniczne dokonane w Naval Research Laboratory wskazują, że przy właściwie prowadzonym programie niezbędne będą jedynie dwa lata dla opracowania okrętu podwodnego napędzanego energią atomową, mechanicznie zdolnego do operowania z prędkościami 20 do 30 węzłów w zanurzeniu, bez konieczności wynurzenia lub uzupełniania paliwa przez wiele lat. Natomiast w ciągu pięciu do dziesięciu lat jesteśmy w stanie opracować okręt podwodny zdolny do operowania z dwukrotnie wyższą od wskazanej prędkością podwodną.” Abelson wskazywał w swoim raporcie na konieczność współpracy marynarki z Manhattan Engineering District, co umożliwi „konstrukcję okrętów podwodnych napędzanych energią atomową zdolnych do operacji na głębokości 1000 stóp [305 m], stanowiących idealną platformę przenoszenia pocisków rakietowych wyposażonych w ładunki jądrowe”. Abelson z Gunnem, spotykając się z ponad trzydziestoma wysoko postawionymi oficerami marynarki, prowadzili w US Navy swoistą kampanię na rzecz wdrożenia napędu nuklearnego. Niezależnie od ich działań, kmdr ppor. (?) Charles N.G. Hendrix z Biura Badań Naukowych i Innowacji (w późniejszym czasie Office of Naval Research) w czternastostronicowym memorandum przedstawił trzy możliwe typy przyszłych okrętów podwodnych:

Przedstawiony w tym opracowaniu okręt myśliwski został zaprojektowany do pływania podwodnego z prędkością 20 do 25 węzłów i operacyjną głębokością zanurzenia do 2000 stóp (610 m), a także doskonałą manewrowością. Założono, że zarówno okręt myśliwski, jak i rakietowy, napędzane będą przez siłownię nuklearną. Memorandum przedstawiało także szkice tych okrętów wraz z ich siłownią oraz opisem, były to jednak głównie rozważania teoretyczne oraz naukowe przypuszczenia. Mimo że prowadzona przez Gunna i Abelsona promocja napędu nuklearnego znajdowała wielu zwolenników w marynarce, nie były jednak w tym czasie prowadzone jakiekolwiek prace inżynierskie nad nowym rodzajem napędu.

Jakkolwiek Groves wspierał program napędu jądrowego dla marynarki, istotniejsze znaczenie miał dla niego program broni jądrowej. Mimo to, generał nie zezwalał na wypływ informacji o programie napędu jądrowego poza stosunkowo wąskie grono podlegających mu osób, gdyż był ograniczony przez prezydencką dyrektywę o bezpieczeństwie informacji na temat spraw nuklearnych, częściowo także z powodu szerszego kontekstu programu. W tym czasie istniały poważne obawy o ilość dostępnego wzbogaconego uranu, która mogła nie zaspokoić potrzeb zarówno programu broni atomowej, jak i napędu jądrowego. Ponadto Groves zdawał sobie sprawę z faktu, iż do kontroli nad sprawami nuklearnymi zostanie wkrótce powołana pewna forma cywilnej agencji rządowej, a niechętnie odnosił się do poddania prowadzonego przez siebie projektu Manhattan, długoterminowej polityce uwzględniającej program napędu jądrowego.

W międzyczasie admirał Bowen, zobowiązany po wojnie do zapewnienia kontynuacji ścisłej kooperacji pomiędzy marynarką a naukowcami, oraz komandor William „Deak” Parsons (jeden z oficerów misji nad Hiroszimą), sprawujący również jedną z funkcji kierowniczych w projekcie Manhattan, przygotowali specjalny list od sekretarza marynarki Jamesa Forrestala do sekretarza wojny. W liście zawarte było, iż marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych zamierza podjąć wysiłki inżynierskie zmierzające do zastosowania energii jądrowej w napędzie okrętów. W odpowiedzi, sekretarz wojny wraz z będącym jego podwładnym generałem Leslie Groves’em wskazał, że najlepszym sposobem doprowadzenia do powstania okrętowej siłowni jądrowej jest wydzielenie przez marynarkę personelu do prowadzonych w Oak Ridge prac nad reaktorem atomowym. W rozpoczętej dyskusji w marynarce nad sposobem jej udziału w programie prowadzonym w Oak Ridge, Bureau of Ships zaproponowało utworzenie specjalnego ciała doradczego przy szefie operacji morskich i sekretarzu marynarki. Określony został też przewidywany czas opracowania reaktora dla celów napędowych na około 5 lat.

Hyman Rickover

Hyman G. Rickover

Marynarka wyznaczyła do Oak Ridge zespół pięciu oficerów oraz trzech osób cywilnych. Ostatecznie wśród nich znalazł się inżynier, komandor Hyman G. Rickover. Przez większość II wojny światowej, Rickover był szefem działu elektrycznego Bureau of Ships, odpowiedzialnym za rozwój, przygotowanie i instalację wyposażenia elektrycznego okrętów nawodnych i podwodnych. Kiedy jednak został wyznaczony do zespołu marynarki Manhattan Engineering District, szybko zyskał na znaczeniu. Zespół ten przybył do Oak Ridge w czerwcu 1946 roku, gdzie przez kilka miesięcy zapoznawał się ze wszystkimi aspektami technologii nuklearnej. W tym czasie koordynatorem spraw nuklearnych w Bureau of Ships został komandor Albert G. Mumma, zajmując stanowisko, które było celem Rickovera. Jednak Rickover zamierzał osiągnąć najwyższe stanowisko w marynarce w zakresie energii jądrowej, przygotowując dokumentacje wykonalności napędu nuklearnego. Starał się w tym celu utrzymać swoją oddelegowaną do Oak Ridge grupę marynarki jako całość, wykorzystując ją do pomocy przy opracowaniu swojego raportu. W tym celu zapewnił również wsparcie dla swoich propozycji napędu jądrowego, dr Edwarda Tellera – wiodącego fizyka nuklearnego amerykańskiego programu atomowego. Ostatecznie, we wrześniu 1947 roku, Hyman Rickover został ustanowiony specjalnym asystentem szefa Bureau of Ships ds. nuklearnych.

Abelson, Bowen, Gunn, Mills, podobnie jak Rickover i wielu innych ludzi w marynarce, byli przekonani, że możliwy jest program wiodący do opracowania wiarygodnego napędu nuklearnego dla okrętów. Ostatecznie program taki zyskał znaczące wsparcie US Navy, ze strony sekretarza marynarki oraz szefa operacji morskich (CNO), a także administracji prezydenta oraz finansowanie ze strony Kongresu. Program uzyskał szczególnie silne poparcie ze strony pierwszego powojennego szefa Operacji Morskich – admirała Chestera Nimitza, który zanim objął dowództwo amerykańskiej floty na Pacyfiku w trakcie II wojny światowej, był oficerem okrętów podwodnych oraz specjalizował się w rozwoju silników Diesla dla marynarki.

W drugiej połowie lat czterdziestych XX wieku, w Stanach Zjednoczonych powołano Komisję Energii Atomowej (Atomic Energy Commission – AEC), której zadaniem był nadzór nad całością spraw amerykańskich programów nuklearnych, w tym prowadzonego przez Biuro Okrętów programu napędu jądrowego. Komisja jednak ograniczała rozwój programu napędu, gdyż zdaniem jej członków było jeszcze zbyt wcześnie na tak zaawansowane zastosowanie energii jądrowej. Mimo to, na przełomie dziesięcioleci, United States Navy wraz z amerykańskim przemysłem – po trwających od niemal 10 lat pracach – była gotowa do przygotowania projektu i budowy okrętu podwodnego napędzanego energią jądrową oraz wejścia tym samym w erę atomową.

W lipcu 1951 roku, Kongres, zainspirowany złożonym przed jego komisją zeznaniem Humana Rickovera, przyznał środki na budowę pierwszego okrętu z napędem jądrowym, a wkrótce marynarka zawarła kontrakty z Westinghouse Electric, Electric Boat oraz Combustion Engineering na opracowanie i rozwój odpowiedniego reaktora. Prototypy reaktora zbudowane miały być na lądzie w celu użycia ich jako modele dla jednostki mającej być zainstalowaną na okręcie, zidentyfikowania słabych punktów konstrukcji, korekty ewentualnych wad oraz treningu obsługi. W dalszej kolejności prototypy te miały być zabudowane w konstrukcjach odpowiadających sekcji reaktora mającej być częścią okrętu, w celu dokładnego dopasowania ich i uniknięcia problemów przy instalacji rzeczywistej sekcji reaktora. Aby przygotować produkcję pierwszego okrętu, istotną sprawą był wybór stoczni zdolnej do jego budowy. Ponieważ dział projektowy wiodącej stoczni marynarki – Portsmouth Naval Shipyard był w pełni zaangażowany w projekt GUPPY oraz program okrętów typu Tang, wybór padł na stocznię Electric Boat w Groton, w stanie Connecticut. Inżynierowie stoczni opracowali szczegółowy projekt okrętu, a następnie podpisany został z marynarką kontrakt na jego budowę. W konsekwencji opracowano reaktor ciśnieniowy wodny (PWR) o mocy 15.000 koni mechanicznych – Submarine Thermal Reactor (STR). Dla celów lądowego prototypu reaktor nosił oznaczenie S1W, zaś jednostkę przeznaczoną dla okrętu oznaczono S2W.

Projekt okrętu, opracowanego przez Electric Boat, przewidywał jednostkę o wyporności nawodnej 3180 ton oraz 3500 ton wyporności podwodnej, długość okrętu ustalono na 324 stopy (98,7 m). Oznaczało to jednostkę o wyporności o połowę większej niż najnowszy ówcześnie typ okrętów podwodnych, typ Tang, także dłuższą o 15,2 m. Różnica wielkości wynikała z wymagań zastosowanej sekcji reaktora.