英国水下核动力技术发展概况及趋势

仝潘，张万良，肖友军，邹文天

（1.中国船舶科学研究中心 无锡 214082；2.深海载人装备国家重点实验室，无锡 214082）

0 引 言

1963年，英国第一艘核潜艇“无畏”号服役，成为世界上第三个拥有核潜艇的国家［1-2］。与美、俄相比，英国海军核潜艇力量虽然规模较小，但却是继美国之后第二个公开保持“不间断的海上战略威慑”能力的国家，同时实现了潜艇力量的全核化，具备较高的核动力技术水平［3］。截至目前，英国共建造7型超过30艘核潜艇，包括2型战略核潜艇和5型攻击型核潜艇［1］。目前，英国仍在不断发展水下核动力技术，新一代“机敏”型攻击型核潜在持续建造中，下一代战略核潜艇“无畏”型也在积极研究中［4-5］。本文通过梳理英国水下核动力技术的发展历程，并总结其发展特点和趋势，供我国水下核动力设计人员参考。

1 英国水下核动力技术发展历程

英国于20世纪40年代开始水下核动力发展计划，曾探索过气冷堆等技术方案，但是由于经济和技术原因在1952年不得不中止研究计划［6］。由于英、美两国于1958年签订《美英共同防御协定》，两国形成紧密的军事盟友关系，英国转而寻求美国的核动力技术支援，获得了一整套美国当时成熟的压水型核反应堆S5W-I［2，7］。1959年，英国第一艘核潜艇“无畏”号开工建造，“无畏”号的设计和建造得到了美国电船公司的技术支持，参考了美国“大青花鱼”号试验潜艇和“鲣鱼”型攻击型核潜艇的设计资料［2］。1963年，“无畏”号正式服役，但严格意义上其只能算一艘仿制核潜艇。

在“无畏”号的建造服役过程中，英国政府决定发展独立的核动力技术。至今，英国先后建造了DSMP和STF-2两座陆上模式堆，研制了PWR-1（A、B、Z）和PWR-2（G、H）两代共5个型号的反应堆［8-11］，具体情况如表1所示。

表1 英国水下核动力发展历程Tab.1 Development of underwater nuclear power in Britain

1961年，罗尔斯·罗伊斯公司联合英国原子能机构以S5W-I反应堆为技术基础，参考美国陆上模式堆的建造经验，建成了英国第一代陆上模式堆DSMP［8］。通过在DSMP的基础上进行研发，成功研制了A、B两种堆芯型号的PWR-1反应堆。其中，A型堆芯PWR-1反应堆装备“勇士”型攻击型核潜艇和“决心”型战略核潜艇，两型潜艇的首艇“勇士”号、“决心”号分别于1966年和1967年入役；B型堆芯PWR-1反应堆装备“敏捷”型攻击型核潜艇，首艇“敏捷”号于1973年入役。1973—1974年，英国对DSMP陆上模式堆进行了改装，研发出了功率更大的Z型堆芯PWR-1反应堆，装备在“特拉法尔加”型攻击型核潜艇上，首艇“特拉法尔加”号于1983年服役。

1987年，罗尔斯·罗伊斯公司建成了第二代陆上模式堆STF-2，在此基础上研制了PWR-2型反应堆［8，10］。PWR-2反应堆分为2种堆芯型号，G型堆芯装备在“前卫”型弹道导弹核潜艇上，首艇“前卫”号于1993年服役，目前已全面取代“决心”型战略核潜艇；H型堆芯装备在“机敏”型攻击型核潜艇上，首艇“机敏”型于2010年服役，目前仍在建造中，计划全面取代“特拉法尔加”型攻击型核潜艇。

据报道，英国正在规划研究下一代战略核潜艇“无畏”型，计划在21世纪30年代初取代现役的“前卫”型战略核潜艇，新型的潜艇核动力很可能也在研发之中［4］。

2 英国水下核动力技术特点

2.1 PWR-1反应堆

PWR-1反应堆是由陆上模式堆DSMP发展而来的，而DSMP是英国以S5W-I反应堆为技术基础、参考美国模式堆的设计经验而建造的，实际上可以认为是英国为全面掌握S5W-I反应堆技术而建造的试验装置。因此，由DSMP发展而来的PWR-1反应堆的主要技术参数与S5W-I反应堆类似，详细参数如表2所示［1，5-6，9，12］。

表2 PWR-1反应堆的主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of PWR-1 reactor

PWR-1（A）是英国独立研发的第一型装艇反应堆，其主要技术特点与S5W-I反应堆基本一致。PWR-1（A）的热功率为60 MW，可以提供15 000 hp的推进功率。PWR-1（A）一回路布置形式也采用分散式，这种布置方式虽然占据空间舱室较多，但是布置设计简单、维修方便，对单个设备的可靠性要求较低。PWR-1（A）跟随美国的技术路线，应用高浓缩铀的板式合金燃料，但是进一步提高了反应堆换料周期，从S5W-I的4～5年提高到7～8年。另外，PWR-1（A）与S5W-I两型反应堆均不具备自然循环能力，一回路都采用自然循环蒸汽发生器。

PWR-1（B）延续了PWR-1（A）的主要技术参数，重点优化了系统可靠性、降低噪声水平，使该型反应堆更加成熟。

由于“特拉法尔加”型比“勇士”型、“敏捷”型的排水量和航速均有明显的提高（见表3）［1］，因此PWR-1（Z）反应堆的热功率从60 MW提高到80 MW，可以提供20 000 hp的推进功率。

表3 “勇士”型、“敏捷”型与“特拉法尔加”型主要参数对比Tab.3 Comparison of main parameters of Valiant class，Swiftsure class，and Trafalgar class

2.2 PWR-2反应堆

PWR-2反应堆是由英国第二代陆上模式堆STF-2发展而来的，技术水平与PWR-1反应堆有较大进步，详细参数如表4所示［1，6，9-10，12］。

表4 PWR-2反应堆主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of PWR-2 reactor

PWR-2（G）装备于“前卫”型战略核潜艇，其热功率为110 MW，比PWR-1型反应堆有较大提高，可以提供27500 hp的推进功率。换料周期进一步提高到10年的水平，使核潜艇在整个服役期间的换料次数减少到三次左右，提高了核潜艇的在航率。PWR-2（G）继续采用分散式布置，注重整个系统的可靠性。

PWR-2（H）反应堆代表英国目前潜艇核动力技术的最高水平，在主要技术参数上有重大改进，装备于英国最先进的“机敏”型核潜艇。PWR-2（H）的热功率达到了140 MW，超过英国第一代核反应堆的2倍，达到美国“洛杉矶”型核潜艇的水平，可以提供超过35000 hp的推进功率，使“机敏”型的水下航速超过30 kn。PWR-2（H）最大的技术进步是换料周期达到了25年，基本可以全寿命周期不换料，实现了堆艇同寿。堆艇同寿的实现使核潜艇中修期无须更换核燃料，避免损伤艇体，可大幅缩短中修准备时间，减少全寿期维修费用，并有利于保证艇的在航率，提高装备利用率［12］。

3 英国水下核动力的发展经验及趋势

3.1 英国水下核动力发展特点

英国水下核动力技术的发展以美国的技术援助为基础，经过近60年的研发，发展了多型成熟的反应堆，达到了较高的技术水平。分析英国水下核动力技术的发展历程，表现出以下特点：

3.1.1 起点高，成熟度高

英国直接获得美国成熟的技术支持，第一艘核潜艇装备美国成熟的S5W-I潜艇核反应堆，在此基础上独立发展了第一代水下核动力，避免了美国、苏/俄等国发展核动力之初的试验探索阶段，达到了较高的水平，保证了英国核动力技术后续顺利的发展。

3.1.2 小规模发展，注重可靠性，不过分追求技术先进性

冷战时期，英国的军事力量建设以配合美国作战为目标，只保持有限的核潜艇力量，其核动力也采用小规模的适度发展模式，注重技术的成熟性，不过分追求先进性。例如，英国核潜艇一直采用分散布置的压水堆，并没有装备体积更紧凑的一体化反应堆。

3.1.3 重视减振降噪技术创新

声隐身水平是水下装备战斗力的重要影响因素，英国海军非常重视减振降噪技术，在其第一代核潜艇“勇士”型上便先于美国海军采用了浮筏减振技术［1］，其“机敏”型核潜艇更是世界上最早采用泵喷推进的核潜艇［4］。得益于在减振降噪技术上的不断创新，英国核潜艇的噪声较低。2009年2月，英国一艘“前卫”型战略核潜艇与法国一艘“凯旋”型战略核潜艇在大西洋水下发生碰撞，这也从侧面表明英国核潜艇的声隐身水平。

3.1.4 研究力量集中

英国所有水下核动力反应堆都由罗尔斯·罗伊斯公司提供，研究力量集中，便于集中管理和技术协调，每一代反应堆之间的技术继承性好［6］。这种管理方式适合核潜艇力量规模较小的国家，保证了技术的成熟度和可靠性，但也限制了技术创新发展。

3.2 英国水下核动力发展趋势

虽然英国与美国保持紧密的盟友关系，在军事技术上存在一定的依赖关系，但是核力量是大国的标配，作为安理会常任理事国和欧洲的军事大国，英国必然需要独立地发展自己的核力量，而水下核动力技术正是核力量的重要组成部分。2016年7月18日，英国议会下院投票赞成从2028年起以新型“无畏”型战略核潜艇取代从1993年陆续服役的“前卫”型战略核潜艇［13］。英国将继续独立发展水下核动力技术，参考美、俄等国核动力发展趋势［14］，英国未来核动力技术存在以下几个发展方向：

3.2.1 堆功率继续增加

英国装备于“机敏”型的PWR-2（H）反应堆热功率为140 MW，而美国“弗吉尼亚”型的S9G反应堆热功率为200 MW，俄罗斯“北风之神”型与“亚森”型核潜艇反应堆的热功率也达到了190 MW，未来英国新一代战略核潜艇“无畏”型的排水量和航速将会比现役核潜艇增加，必然需求更大功率的反应堆［2，15］。

3.2.2 增加换料周期，实现完全的堆艇同寿

PWR-2（H）的换料周期为25年，基本可以保证“机敏”型全寿命周期换料。但是，目前世界范围内核潜艇的服役周期存在延长的趋势，例如美国“洛杉矶”型部分在役艇服役已超过30年，“俄亥俄”型核潜艇早期型号服役期限已接近40年，英国现役的“特拉法尔加”型部分在役艇服役也已超过30年［1，16］。因此，美国S9G反应堆的换料周期达到了33年，下一代战略核潜艇“哥伦比亚”型的S1B反应堆换料周期更是超过40年，英国未来的潜艇反应堆换料周期必将继续增加，实现完全的堆艇同寿［15］。

3.2.3 增加反应堆自然循环能力

自然循环可以提高反应堆的固有安全性、简化系统和设备，最重要的优点是降低噪声，提高水下装备的安静性［12］。因此，美、俄、法等国很早就开始自然循环反应堆的研究，均已装备了具备自然循环能力的反应堆［12，17］。虽然英国现有反应堆是否具备自然循环能力不详，但其未来必然将增加研究，提高新型反应堆的自然循环能力。

4 结 语

英国一直奉行双轨核政策，一方面要坚持独立的发展本国的核威慑力量，另一方面又保持对美国的核依赖。因此，英国水下核动力技术发展展现出独特的历程。与美、俄等国相比，英国科研力量集中在一家公司，专注于分散布置的压水堆，研发的反应堆型号较少，技术上采用成熟可靠的方案，同时保持稳步的技术进步，维持适度的技术力量。

英国未来将继续独立地发展水下核动力技术，在反应堆技术方面，将继续采用谨慎的发展方式，稳步提高反应堆功率、换料周期、自然循环能力等参数。