Morskie napędy jądrowe

Amerykańskie atomowe okręty podwodne Skate (SSN 578) i Seadragon (SSN 584) w czasie historycznego rendez-vous na Biegunie Północnym, 22 sierpnia 1962 r. Napęd jądrowy umożliwił okrętom podwodnym na docieranie w nieosiągalne dotąd rejony globu. Fot. NARA

Amerykańskie ato­mowe okręty pod­wodne Skate (SSN 578) i Seadragon (SSN 584) w cza­sie histo­rycz­nego ren­dez-vous na Biegunie Północnym, 22 sierp­nia 1962 r. Napęd jądrowy umoż­li­wił okrę­tom pod­wod­nym na docie­ra­nie w nie­osią­galne dotąd rejony globu. Fot. NARA

To bar­dzo kiep­ski i nie­efek­tywny spo­sób pozy­ski­wa­nia ener­gii, a każdy kto poszu­kuje źró­dła ener­gii w trans­for­ma­cji ato­mów, gada bzdury. Takie kate­go­ryczne stwier­dze­nie padło w 1933 r. z ust Sir Ernesta Rutherforda, odkrywcy jądra ato­mo­wego. Wielki uczony bar­dzo się w tym przy­padku pomy­lił. Szybki roz­wój nauki i tech­niki w kolej­nych deka­dach nie tylko dowiódł, że spo­sób ten może być cał­kiem efek­tywny, ale także zaprzągł ener­gię jądrową do zadań nie­moż­li­wych do reali­za­cji bez jej wyko­rzy­sta­nia. Jednym z nich oka­zał się nowego rodzaju napęd okrę­towy.

W tym samym roku, w któ­rym Rutherford (1871−1937) kate­go­rycz­nie stwier­dzał, że wie­dza ta nie znaj­dzie prak­tycz­nego zasto­so­wa­nia, węgier­ski fizyk Leó Szilárd (1898−1964) zapro­po­no­wał odważną kon­cep­cję samo­pod­trzy­mu­ją­cej się jądro­wej reak­cji łań­cu­cho­wej, czyli wywo­ły­wa­nej neu­tro­nami, któ­rej pro­duk­tem byłyby m.in. kolejne neu­trony mogące posłu­żyć do ini­cja­cji kolej­nych poko­leń tej samej reak­cji. Nie wie­dział jesz­cze jak mogłaby ona wyglą­dać, ani jakie mate­riały mogłyby jej pod­le­gać. Reakcja zna­la­zła się nie­ba­wem – w grud­niu 1938 r. odkryli ją nie­mieccy che­micy Otto Hahn (1879−1968) i Fritz Strassmann (1902−1980). Usiłując uzy­skać sztuczny izo­top pro­mie­nio­twór­czy poprzez bom­bar­do­wa­nie pró­bek uranu neu­tro­nami, spo­wo­do­wali zamiast tego jego roz­sz­cze­pie­nie. W kolej­nym roku Szilárd wraz z wło­skim fizy­kiem Enrico Fermim (1901−1954) usta­lili, że w pro­ce­sie roz­sz­cze­pia­nia jąder uranu powstają także swo­bodne neu­trony, co suge­ro­wało moż­li­wość wywo­ła­nia samo­pod­trzy­mu­ją­cej się reak­cji łań­cu­cho­wej. Ostateczny dowód poja­wił się w grud­niu 1942 r., kiedy uru­cho­miono w Chicago, skon­stru­owany przez Fermiego i Szilárda, pierw­szy na świe­cie reak­tor jądrowy, CP‑1.

Atom na okrę­tach pod­wod­nych

Koncepcja, by ener­gię jądrową wyko­rzy­stać do napędu okrętu pod­wod­nego, poja­wiła się zanim jesz­cze pierw­szy reak­tor skon­stru­owano. Już w 1939 r. dr Ross Gunn (1897−1966), fizyk pra­cu­jący w labo­ra­to­rium badaw­czym US Navy suge­ro­wał taką moż­li­wość. Wskazywał,
że takie źró­dło ener­gii nie opiera się na utle­nia­niu mate­rii orga­nicz­nej, a zatem nie wymaga (…) tlenu (…). Jest to olbrzy­mia zaleta z woj­sko­wego punktu widze­nia, która ogrom­nie powięk­szy­łaby zasięg i sku­tecz­ność mili­tarną okrętu pod­wod­nego. Droga do takiego napędu była jed­nak jesz­cze daleka. Bardzo szybko wyka­zano, że samo­pod­trzy­mu­ją­cej się reak­cji łań­cu­cho­wej pod­lega tylko izo­top U‑235, który sta­nowi zale­d­wie 0,72% natu­ral­nego uranu – resztę sta­nowi cięż­szy izo­top U‑238. Choć moż­liwe jest zbu­do­wa­nie reak­tora pra­cu­ją­cego na ura­nie o natu­ral­nych pro­por­cjach izo­to­pów, to reak­tor taki byłby zbyt duży, by upchnąć go na okrę­cie, szcze­gól­nie pod­wod­nym – jak ujął to jeden z fizy­ków zaj­mu­ją­cych się tym tema­tem, stało się dość oczy­wi­ste, że reak­tor zasi­lany natu­ral­nym ura­nem będzie wielki jak sto­doła. Konieczne oka­zało się zatem przy­go­to­wa­nie paliwa o wyż­szej zawar­to­ści U‑235 w cał­ko­wi­tej masie uranu – czyli wzbo­ga­co­nego. Od 1940 r. US Navy zaczęła prze­zna­czać coraz więk­sze środki na bada­nia nad tym zagad­nie­niem, a w 1944 zbu­do­wała nawet wła­sną prze­my­słową insta­la­cję wzbo­ga­ca­nia uranu, jed­nak w tym samym okre­sie pod­jęto w USA poli­tyczną decy­zję, że wszyst­kie bada­nia w zakre­sie ato­mi­styki zostaną sku­pione w ramach pro­wa­dzo­nego przez US Army Projektu Manhattan.
Warto odno­to­wać, że rów­nież Japończycy wcze­śnie dostrze­gli poten­cjał tkwiący w ener­gii jądro­wej. Wiosną 1942 r. Cesarska Marynarka Wojenna pod­jęła decy­zję o spon­so­ro­wa­niu badań w zakre­sie fizyki jądro­wej, które mia­łyby na celu zarówno opra­co­wa­nie broni, jak i per­spek­ty­wicz­nych ukła­dów napę­do­wych, jed­nak spe­cjalny komi­tet naukowy szybko doszedł do wnio­sku, że zagad­nie­nie to jest poza zasię­giem – pro­ces wzbo­ga­ca­nia uranu wyma­gałby wiel­kich nakła­dów surow­co­wych i ener­ge­tycz­nych, na które kraj nie mógł sobie zwy­czaj­nie pozwo­lić. W 1943 r. prace zarzu­cono.
Po woj­nie prace roz­wo­jowe pro­wa­dzone przez US Navy sku­piły się na skon­stru­owa­niu samego napędu jądro­wego, choć z początku toczyły się nie­spiesz­nie. Pierwszą kon­kret­niej­szą pro­po­zy­cją było memo­ran­dum Naval Research Laboratory (NRL) z marca 1946 r., w któ­rym pro­po­no­wano wyko­rzy­sta­nie nie­zre­ali­zo­wa­nego pro­jektu U‑Boota typu XXVI i prze­ro­bie­nie go na okręt jądrowy. Co cie­kawe, kom­pak­towy reak­tor miał być zamon­to­wany poza kadłu­bem sztyw­nym jed­nostki. Projektu tego jed­nak nie zre­ali­zo­wano. Po zakoń­cze­niu wojny entu­zjazm zwią­zany z nowymi bada­niami opadł, skut­kiem czego na dobre pro­jekt opra­co­wa­nia siłowni jądro­wych ruszył dopiero w 1949 r. Zdecydowano się roz­wi­jać dwa roz­wią­za­nia – reak­tor wodny ciśnie­niowy według kon­cep­cji opra­co­wa­nej w Argonne National Laboratory (w pobliżu Chicago) i pro­jektu tech­nicz­nego firmy Westinghouse oraz reak­tor chło­dzony cie­kłym meta­lem opra­co­wany i zbu­do­wany przez kon­cern General Electric. W obu przy­pad­kach naj­pierw miały powstać pro­to­typy lądowe (Mk I i Mk A), a następ­nie reak­tory dla pro­to­ty­po­wych okrę­tów (Mk II i Mk B). Prototyp lądowy Mk I uru­cho­miono 30 marca 1953 r., nato­miast pierw­szy okręt pod­wodny o napę­dzie jądro­wym – USS Nautilus – wyszedł w morze 17 stycz­nia 1955, zapo­cząt­ko­wu­jąc nową erę w histo­rii flot wojen­nych świata. Rozwiązanie Westinghouse’a oka­zało się bar­dzo udane – pra­wie wszyst­kie zbu­do­wane do dziś okręty i statki z napę­dem jądro­wym (jak rów­nież więk­szość elek­trowni jądro­wych) wyko­rzy­stują reak­tory wodne ciśnie­niowe. Tymczasem kon­struk­cja General Electric – reak­tor chło­dzony sodem – była nie­wy­pa­łem. Napędzany takim urzą­dze­niem Seawolf wszedł do służby 30 marca 1957 r., ale już w 1960 reak­tor wymie­niono na nim na podobny do tego z Nautilusa.

  • Adam Rajewski

To jest skrócona wersja artykułu.

CZYTAJ E-WYDANIE KUP WYDANIE PAPIEROWE