В процессе испытаний установки в береговых условиях производились замеры интенсивности радиоактивного излучения реактора с целью определения конструкции экранирующего устройства, обеспечивающего наиболее эффективную защиту личного состава. Была полностью исследована работа реактора при резких и частых изменениях нагрузки, изучены вопросы очистки воды первичного и вторичного контуров и обслуживания их в процессе эксплуатации.
На опытной установке производилось обучение обслуживающего персонала, который должен был войти в состав команды будущей подводной лодки. В начале 1956 года реактор был остановлен на осмотр после того, как он непрерывно проработал с новой конструкцией активной зоны при полной нагрузке в течение 1600 часов. Такое испытание проводилось с целью проверки надежности новой конструкции активной зоны, которую предполагалось установить вместо старой. После осмотра реактор был снова пущен в работу. В настоящее время эта установка используется для проведения различного рода испытаний и обучения личного состава атомных лодок ВМФ США.
В результате испытаний, проведенных на прототипе «Марк-I», для подводной лодки «Наутилус» была создана энергетическая установка, получившая условное название «Марк-II» («S2W»). Сама лодка была заложена в г. Гротоне (штат Коннектикут) на судостроительной верфи «Электрик Боут» фирмы «Дженерал динамикс», а в январе 1954 года — спущена на воду. К моменту спуска готовность корабля была равна 60 процентам; на нем установили все механизмы, за исключением самого главного — реактора, который смонтировали позже — в течение февраля–марта 1954 года.
После окончания строительства, в конце сентября 1954 года, подводная лодка была передана командованию военно-морских сил для проведения всесторонних испытаний. Однако эти испытания затянулись вследствие разрыва вспомогательного сварного трубопровода вторичного парового контура. Лишь после того, как вся система паропроводов была снята и заменена бесшовными трубами, лодка вышла на ходовые испытания.
Первый этап испытаний происходил с 17 по 21 января 1955 года вблизи восточного побережья США, в районе острова Лонг-Айленд. За это время лодка прошла около 1000 миль, произвела 50 погружений, ее ядерный реактор проработал 148 часов. После докования лодки, в феврале, начался второй этап испытаний, в программу которого входили погружения на большую глубину, движение под водой на максимальных скоростях и торпедные стрельбы. Всего за время испытаний лодка прошла свыше 3000 миль, произвела 69 погружений, пробыв под водой в общей сложности 92 часа. Ее ядерный реактор проработал около 320 часов. По окончании испытаний подводная лодка «Наутилус» вошла в состав Атлантического флота США. В мае 1957 года «Наутилус» был передан на два месяца в состав американского Тихоокеанского флота для ознакомления его личного состава с особенностями использования атомных лодок.
За два года плавания, с 17 января 1955 по 5 февраля 1957 года, подводная лодка «Наутилус» находилась в море 5400 часов и прошла 60 120 миль, из которых 34 500 миль — в подводном положении. За это время она произвела 859 погружений.
В одном из походов «Наутилус» находился в море 206 часов, в том числе 84 часа под водой. В конце 1955 года лодка совершила переход в подводном положении из Гротона в Сан-Хуан (остров Пуэрто-Рико). Расстояние в 1300 миль она прошла со средней скоростью 16 узлов.
В марте 1957 года атомный реактор «Наутилуса» был остановлен. В нем заменили активную зону, в которую конструкторы внесли ряд усовершенствований, направленных на существенное увеличение срока службы тепловыделяющих элементов. Новая активная зона оказалась выполнена значительно проще, дешевле и надежнее. Она была предварительно проверена в установке «Марк-I» Аргоннской лабораторией во время 1600-часовых испытаний.
Атомная подводная лодка «Наутилус» летом 1958 года совершила подледное плавание в арктическом районе. Во время похода собирались данные для предсказания погоды и расчетов толщины и плотности шапки полярного льда. Лодка шла на глубине 60–75 метров, прошла подо льдом около 1000 миль и приблизилась к Северному полюсу на расстояние 180 миль.