В атомной энергетической установке тепло образуется в реакторе, в котором происходит управляемая цепная реакция расщепления ядер урана. Вероятность расщепления изотопов урана 235 и урана 238 существенно зависит от скорости нейтронов, бомбардирующих ядра их атомов. Реакторы могут работать на быстрых промежуточных или медленных нейтронах. Замедление нейтронов осуществляется с помощью специальных замедлителей (графит, тяжелая вода), которые, почти не поглощая нейтронов, уменьшают их скорость. В настоящее время существуют два основных типа реакторов — гетерогенные и гомогенные. В первых замедлитель и расщепляемый материал помещаются отдельными блоками, а во вторых — в виде однородной смеси или раствора.
На подводной лодке «Наутилус» установлен гетерогенный реактор, работающий на медленных нейтронах. В качестве теплоносителя в нем используется обычная дистиллированная вода под давлением. Ядерным горючим служат сплавы урана 238, обогащенные ураном 235, которые отлиты в виде стержней, заключенных в циркониевую оболочку. В замедлителе стержни размещены соосно с охлаждающими трубками, через которые проходит теплоноситель, и вместе представляют собой пространственную решетку. Это — активная зона реактора. Она окружена слоем материала, обладающего способностью отражать нейтроны обратно в активную зону. Затем следует оболочка из углеродистой стали и так называемый первичный экран, предназначенные для поглощения проникающего через отражатель нейтронного потока и гамма-излучения.
При расщеплении ядерного горючего в реакторе выделяется тепловая энергия, которая передается теплоносителю (дистиллированной воде), прокачиваемой по замкнутому контуру специальным циркуляционным насосом. Из реактора горячая вода по трубопроводу поступает в парогенератор, где отдает свое тепло вторичному контуру. Из последнего вода поступает сначала в водосборник, после чего, пройдя через нижние части двух парогенераторов, поднимается вверх по трубкам, в которых происходит интенсивное ее кипение. Из парогенераторов пар поступает в расположенные над ними сепараторы, а затем по главным паропроводам, проходящим через водонепроницаемую переборку, — в машинный отсек. Пройдя через реактор, вода первичного контура становится радиоактивной, поэтому последний также окружен экраном (вторичным).
В парогенераторе, как и в обычном котле, пар образуется при давлении 17,6 кг/см2 и температуре 213 градусов, после чего он поступает в турбину, которая через редуктор вращает гребной вал, и к вспомогательным турбогенераторам. Отработанный пар попадает в конденсатор. Таким образом, получается замкнутый вторичный контур.
Для того чтобы после выхода из реактора вода в первичном контуре находилась в жидком состоянии при высокой температуре, в нем необходимо создать высокое давление. Поддержание высокого давления в системе достигается с помощью компрессорной установки и воздушного аккумулятора, установленного на водяном трубопроводе. Для обеспечения интенсивной теплопередачи в установке обеспечивается большая скорость потока воды.
По своему внешнему виду «Наутилус» мало чем отличается от современных скоростных двухкорпусных подводных лодок, хотя имеет бóльшие размеры. Можно лишь отметить, что отношение длины корпуса к его ширине и высоте несколько меньше, чем у обычных лодок. Прочный корпус лодки разделен водонепроницаемыми переборками на семь отсеков: носовой торпедный, носовой жилой, аккумуляторный, центральный пост, реакторный, машинный, кормовой жилой.
