Pohon ponorek: budoucnost patří nezávislosti na vzduchu. 

Jedním z hlavních trendů vývoje ponorek jsou pohonné systémy nezávislé na vzduchu. Patří mezi ně i tzv. vodíkové palivové články, od nichž si americká vláda slibuje skutečnou energetickou revoluci. Konvenční ponorky se díky nim mohou stát reálnou konkurencí ponorek jaderných. Všechny existující ponorky lze v zásadě rozdělit na dvě skupiny, a to konvenční a jaderné.
Klasická konvenční (dieselelektrická) ponorka je vybavena dieselovým generátorem, který vyrábí elektrickou energii; elektromotory pak otáčejí lodním šroubem ponorky. Slabinou je právě onen diesel, který se pochopitelně neobejde bez vzduchu. Ponorka se tedy musí občas vynořit, aby pomocí speciální trubice (tzv. šnorchlu) načerpala vzduch. Generátor nabije elektrické baterie, pomocí nichž pak plavidlo opět vydrží nějakou dobu pod hladinou. Každé vynoření však ve válečné situaci představuje obrovské riziko, protože ponorku mohou snadno zjistit pátrací radiolokátory, nehledě na to, že chod dieselu je velice hlučný.
Naproti tomu reaktory jaderných ponorek mohou zajišťovat elektrickou energii pro pohonný systém po prakticky neomezenou dobu. Právě tato skutečnost je řadila vysoko nad ponorky konvenční. Alespoň donedávna tomu tak bylo. V posledním desetiletí však značně získaly na důležitosti konvenční pohony, které jsou na vzduchu nezávislé (AIP, Air Independent Propulsion).
Nyní jsou k dispozici celkem čtyři takové systémy, z nichž tři jsou operačně používány. Je ovšem fakt, že AIP slouží vždy jen jako záložní jednotka; žádný výrobce si zatím netroufl nevybavit ponorku běžným dieselem. Kreislauf se neujal Nejjednodušším AIP systémem je tzv. diesel v uzavřeném cyklu (německy Kreislauf). Výfukové spaliny běžného spalovacího motoru projdou přes filtr, kde jsou zbaveny některých příměsí (zejména sazí), dále jsou obohaceny kyslíkem ze zdroje na palubě ponorky a opět přivedeny do sání motoru. Jako onen zdroj lze využít nádrž s kapalným kyslíkem (LOX), případně lze kyslík vyrábět rozkladem vody nebo peroxidu vodíku. První výzkumy tohoto pohonu byly provedeny v Německu v roce 1942, když pátrací letadla a lodě Spojenců začaly vážně narušovat operace německých U-Bootů v Atlantiku. Objevilo se velké množství návrhů ponorek a torpéd s Kreislaufem, ale jen malá část z nich byla skutečně realizována. Do konce války vypluly jen tři malé pokusné ponorky. Spojenci, kteří ukořistili výsledky německého výzkumu, byli ovšem tímto nápadem nadšeni a rozhodli se jej rozvíjet.
Už v roce 1948 byla v Norsku postavena zkušební ponorka Knerten, která vycházela z německého typu XXIII. Pod vodou měla dosah přes 360 mil, ale po explozi akumulátorů byla sešrotována. Ani obě světové velmoci nezůstaly pozadu.
V Sovětském svazu byla údajně přestavěna jedna ponorka třídy Projekt 615 (kód NATO Quebec) na pohon Kreislaufem, ale tyto pokusy zřejmě nevedly k ničemu konkrétnímu. Američané v roce 1954 postavili malou ponorku X-1, jejíž motor byl okysličován vstřikováním peroxidu vodíku přímo do válců. V roce 1958 však došlo k explozi a zničení plavidla, čímž pokusy s uzavřeným dieselem nadlouho ustaly. Až na přelomu 80. a 90. let byl Kreislauf vzkříšen společností Thyssen Nordseewerke, která jeho modernizovanou verzi nabízela německému námořnictvu. To sice dalo přednost níže popsaným palivovým článkům, ale Thyssen doufá, že uspěje v zahraničí.
Ponorka na alkohol Další AIP systém se dá označit jako turbína v uzavřeném cyklu. Vznikl také v Německu, ale už ve 30. letech. Jeho tvůrcem byl profesor Helmut Walter, který se celý život zabýval různými motory na bázi peroxidu vodíku (jeho nejznámějším výtvorem je pohonná jednotka raketové stíhačky Me 163 Komet). Ve Walterově motoru pro pohon ponorek docházelo k rozkladu peroxidu vodíku a vysoká teplota této reakce byla ještě zvýšena vstřikovaným palivem. Vzniklé teplo ohřívalo vodu, která ve formě páry poháněla turbínu. Celý pohonný systém byl vysoce účinný, ale zároveň vysoce nebezpečný kvůli agresivitě a výbušnosti peroxidu.
Zatímco Kreislauf zůstal ve stádiu experimentů, Walterova turbína se skutečně uplatnila (na její vývoj totiž bylo podstatně více času). Německé válečné loďstvo provozovalo sedm ponorek a mnoho dalších bylo alespoň spuštěno na vodu. Nejúspěšnější byly ponorky třídy XVIIB, které měly pod hladinou akční rádius 280 km při rychlosti 20 uzlů (pro srovnání, nejlepší dieselová ponorka třídy XXI měla pod hladinou dosah 56 km při rychlosti 15 uzlů). O Walterovu turbínu se později zajímali i Spojenci. Např. Britové v roce 1948 vyzvedli potopenou německou ponorku U1407 a po osmi letech testů postavili vlastní plavidlo Explorer. Nástup atomového pohonu však na dlouhou dobu odsunul tyto pokusy do pozadí. V 90. letech sdružení pěti francouzských firem vyvinulo motor MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome), což je turbína spalující etanol.
V roce 1994 byl jeden kus dodán do Pákistánu, který si jej objednal pro ponorku Hamza (licenční verze francouzské třídy Agosta 90B). Je stavěna v docích v Karáčí a měla by být dokončena v roce 2005. Modul MESMA je nabízen také pro francouzsko-španělské exportní ponorky Scorpene. Úspěch Stirlingova motoru Švédské loděnice Kockums AB pracovaly na ponorkovém AIP pohonu už od 60. let.
Rozhodly se využít Stirlingův motor, což je pohonná jednotka, která přeměňuje teplo dodávané vnějším zdrojem na mechanickou energii. Pracovním médiem Stirlingova motoru je inertní plyn (např. hélium), který je teplem ohříván, takže se rozpíná a koná práci, kterou lze generátorem měnit v elektřinu. První takto poháněnou ponorkou bylo francouzské vědecké plavidlo Saga z poloviny 80. let a v roce 1988 byl Stirlingův motor instalován do ponorky švédského námořnictva Näcken. Na základě jejích úspěšných zkoušek se Švédsko rozhodlo integrovat tento pohon do tří nových ponorek Gotland, Uppland a Halland, které byly předány v letech 1996-1997. Stirlingovy motory budou dále namontovány do dvou starších plavidel Södermanland a Östergötland, takže všechny švédské ponorky budou mít AIP pohon. Prvním státem NATO, který si pořídil ponorku se Stirlingovým motorem, se stalo Dánsko, když roku 2001 zakoupilo zmíněnou švédskou ponorku Näcken (nové jméno Kronborg). Stirlingův motor bude použit i v nové švédsko-dánské ponorce Viking, jejíž první kus by měl být dodán v roce 2009 (více v ATM 7/2003 na str. 3). Z mimoevropských zemí je třeba zmínit Japonsko, které více než rok zkoušelo Stirlingův motor na ponorce Asašio. Všechny tři popsané systémy mají řadu společných nevýhod. Jakožto motory spalovací vytvářejí mechanickou práci, kterou je třeba pomocí generátoru přeměnit na elektřinu. Z toho nevyhnutelně vyplývají energetické ztráty, které snižují účinnost pohonu.
Spalovací motory spotřebují značné množství paliva i kyslíku, který musí ponorka vézt. Navíc jsou poměrně hlučné, pracují za vysokých teplot a vypouštějí spaliny – to vše může usnadnit zjištění a zaměření ponorky. Vodíková ponorka vyplouvá Žádný z těchto nedostatků se však nevyskytuje u nejprogresivnějšího AIP systému, kterým jsou palivové články. Jedná se o zvláštní druh chemických akumulátorů, v nichž dochází k reakci kyslíku a vodíku. Produktem procesu je přímo elektřina, „odpadem“ je čistá voda. Kyslík je opět skladován v tekuté formě (LOX), zatímco vodík se získává z hydridů, tj. sloučenin s některým těžkým kovem (např. lithiem). Palivové články také nejsou žádnou novinkou (už v 60. letech je běžně používala NASA), ale do povědomí veřejnosti se dostaly teprve nedávno. Došlo k tomu zejména díky tzv. vodíkové iniciativě, kterou v lednu 2003 vyhlásil americký prezident Bush. Primárním cílem je výroba levných elektrických automobilů, ale teoretické možnosti vodíkových článků jsou obrovské; např. Motorola je bude montovat do mobilních telefonů.
Hlavní nevýhodou zůstává vysoká cena, na jejíž snížení je ostatně celý program zaměřen. Právě palivové články zvítězily ve výběrovém řízení německého námořnictva. Společnost Howaldtswerke-Deutsche Werft AG (HDW) nejprve zabudovala celý systém do ponorky U1 (třída 205). Její úspěšné testy vedly v roce 1995 k podpisu smlouvy, podle níž budou do roku 2006 dodány čtyři ponorky třídy 212A. První z nich (U31) byla spuštěna na vodu v roce 2002 a nyní prochází zkouškami (ATM 6/2003). Další dvě ponorky typu 212A staví loděnice Fincantieri pro italské námořnictvo.
HDW už navíc vyrábí první plavidlo zcela nové třídy 214 pro námořnictvo Řecka, další tři budou zhotovena v řeckých loděnicích a tři kusy postaví Hyundai Heavy Industries pro Jižní Koreu (ATM 10/2003). Řecko má navíc zájem o instalaci palivových článků do tří svých starších ponorek třídy 209. S palivovými články počítá také Kanada. Čtyři ponorky třídy Victoria (původně britská třída Upholder) by měly obdržet vodíkové moduly od koncernu Ballard Power Systems. Ruská společnost Rubin vyvinula obdobný systém Kristall-27E, který je určen pro nové ponorky Projektu 636 (kód NATO Improved Kilo), případně jím lze doplnit starší plavidla Projektu 877 (kód NATO Kilo). Otázkou ovšem je, zda si ruské námořnictvo může tak nákladný systém dovolit. 

Tlakovodní reaktor je zkráceným názvem pro jaderné reaktory chlazené a moderované tlakovou lehkou vodou. Zahrnuje 2 základní vývojové koncepty – tzv. západní typ (PWR – Pressurized Water Reactor) a východní typ (VVER– Vodo-Vodjanoj Energetičeskij Reaktor).

Tlakovodní reaktory jsou dnes ve světě nejrozšířenějším typem jaderného reaktoru. K únoru 2014 bylo provozováno celkem 274 (63 %) tlakovodních reaktorů z celkového počtu 435 provozovaných jaderných reaktorů. S kapacitou 253,5 GW tvoří 68 % kapacity všech energetických jaderných reaktorů.

Za každým důležitým technickým zařízením je třeba hledat vojenské účely. Již zcela první jaderný reaktor Chicago Pile-1, zkonstruovaný v roce 1942, byl vyvíjen pro účely sestrojení první jaderné bomby v rámci projektu Manhattan. V té době se jednalo o koncepci reaktoru moderovaného grafitem. Využití jaderných reaktorů pro výrobu tepla a následné produkci elektrické energie se začalo realizovat až v 50. letech 20. století. A první konstrukce jaderných energetických reaktorů navázaly na dosavadní vývoj, tj. byly moderovány grafitem a chlazeny plynem. Jedním z hlavních důvodů byla možnost použít jako palivo přírodní uran.
Myšlenka využít vysoce koncentrovanou jadernou energii i pro pohon různých dopravních prostředků na sebe nenechala dlouho čekat. Zejména u vojenských plavidel, která ke svým účelům potřebovala co největší akční rádius, by jaderný pohon výrazně zvýšil jejich bojeschopnost. Jaderná ponorka, která by nepotřebovala dobíjet akumulátory pomocí dieselgenerátorů při plavbě na hladině, by mohla vydržet celé dny či týdny hluboko pod hladinou, což představuje velmi významnou strategickou zbraň. Jaderný blok s grafitovým reaktorem byl však příliš velký i pro tak velká plavidla, jako je letadlová loď, natož ponorka. Až s příchodem obohaceného uranu se otevřela cesta použít jako moderátor vodu, čímž se rozměry reaktoru dramaticky zmenšily.
Obohacování uranu bylo poprvé úspěšné právě v rámci projektu Manhattan, během kterého byl na konci roku 1943 zkonstruován první reaktor moderovaný lehkou vodou.
První prototyp jaderné elektrárny s tlakovodním reaktorem byla elektrárna Shippingport, která zahájila provoz v roce 1957. První komerční elektrárna s tlakovodním reaktorem byla spuštěna v roce 1961 v oblasti Yankee-Rowe (USA) a měla elektrický výkon 134 MW.

Zjednodušené schéma elektrárny s tlakovodním reaktorem

Tlakovodní reaktor je jaderný reaktor, jehož chladivem a současně moderátorem neutronů je lehká voda
(H₂O). Tato voda pod vysokým tlakem cirkuluje primárním okruhem z reaktorové nádoby do výměníku tepla (parogenerátoru), kde předává tepelnou energii sekundárnímu okruhu. Voda v sekundárním okruhu přeměněná teplem na páru slouží k pohonu turbíny elektrárny.

Hlavní části tlakovodního reaktoru tvoří:

• aktivní zóna
• tlaková nádoba
• řídicí a regulační orgány
• další části (plášť aktivní zóny, blok ochranných trub, vnitroreaktorové měření, pohony řídících tyčí, atd.)

Hlavním cílem tlakovodních reaktorů je ohřev vody v jeho aktivní zóně na co nejvyšší teplotu, k čemuž pomáhá vysoký tlak vody – odtud tlakovodní reaktor. Např. při tlaku 15,7 MPa, který má jaderná elektrárna Temelín, dosahuje výstupní teplota vody 320 °C, tj. o cca 25,8 °C pod teplotou sytosti. Tato voda pak proudí primárním okruhem do parogenerátoru, kde předává své teplo parovodní směsi o nižším tlaku tak, aby následně do parní turbíny odcházela suchá pára. Ochlazená voda primárního okruhu se pak z parogenerátoru vrací pomocí hlavního cirkulačního čerpadla zpět do reaktoru.

Aby voda mohla být pod tak vysokým tlakem, je aktivní zóna reaktoru umístěna v silnostěnné tlakové nádobě. Voda proudí mezikružím mezi pláštěm aktivní zóny a tlakovou nádobou směrem dolů, kde se otáčí a proudí kolem palivových elementů vzhůru. Voda se při průchodu aktivní zónou ohřeje cca o 30 °C.

Vlastní reaktor je součástí primárního okruhu, jehož dalšími hlavními komponentami jsou:
- parogenerátory - rekuperační výměníky tepla, které slouží k přenosu tepla z primárního okruhu (voda ohřívaná v reaktoru) přes teplosměnné trubky do sekundární části (parovodní směs). Sekundární okruh pak slouží pro pohon turbosoustrojí. Stěny trubek parogenerátorů současně oddělují primární okruh od sekundárního a zabraňují přechodu radioaktivních látek z chladiva primárního okruhu do okruhu sekundárního,
- kompenzátor objemu – slouží pro dosažení a udržování potřebného tlaku vody v primárním okruhu a pro umožnění objemových změn při změnách teploty vody,

- hlavní cirkulační čerpadla - zajišťují cirkulaci chladiva jednotlivými smyčkami primárního okruhu,
- hlavní cirkulační potrubí – propojuje mezi sebou hlavní komponenty primárního okruhu

Řez tlakovodním reaktorem

Aktivní zóna

V aktivní zóně předává jaderné palivo své teplo chladivu. Aktivní zóna se skládá z těchto hlavních částí:
- jaderné palivo – palivové soubory (kazety) sestavené z palivových elementů (ve formě tyčí), složených z palivových tabletek (pelet) uzavřených v trubce z pokrytí; materiál: obohacený uran, případně směs obohaceného uranu a plutonia, a to ve formě oxidů (UO₂, PuO₂),
- pokrytí (povlak) – izoluje jaderné palivo od proudící vody,
- moderátor neutronů – intenzivně zpomaluje neutrony, v tlakovodním reaktoru se jedná o lehkou vodu,
- absorbátor neutronů – intenzivně pohlcuje neutrony, prostředek pro řízení a bezpečné rychlé odstavení jaderného reaktoru, používané materiály: v podobě řídících a regulačních tyčí bór (B), kadmium (Cd), gadolinium (Gd) a v kapalné formě také kyselina boritá (H₃BO₃),
- chladivo – (lehká) voda odvádí v palivu generované teplo z aktivní zóny a následně z reaktoru,

konstrukční materiály

Tlaková nádoba...jedná se o válcovou silnostěnnou nádobu svařenou z několika prstenců vykovaných z uhlíkaté nízkolegované oceli. Vnitřní povrch je opatřen nerezovou výstelkou, která zvyšuje korozní odolnost základního materiálu proti působení chladiva obsahujícího kyselinu boritou a umožňuje tak snížit nároky na chemický režim chladiva. Nádoba je tvořena ze dvou oddělitelných částí: vlastního těla nádoby a víka. Obě části jsou k sobě připevněny svorníky. Jako těsnění jsou použity niklové trubky pojištěné těsnícími svary. Nejsložitější částí tlakové nádoby je víko. Jsou na něm připevněny části horního bloku, krokové motory (pohon řídících tyčí), vývody pro měření, přívody napájení, prvky nosné konstrukce horního bloku apod.

Pohledy do útrob ruské útočné ponorky na nukleární pohon: