英國水下核動力技術發展概況及趨勢

仝潘，張萬良，肖友軍，鄒文天

（1.中國船舶科學研究中心 無錫 214082；2.深海載人裝備國家重點實驗室，無錫 214082）

0 引 言

1963年，英國第一艘核潛艇“無畏”號服役，成為世界上第三個擁有核潛艇的國家［1-2］。與美、俄相比，英國海軍核潛艇力量雖然規模較小，但卻是繼美國之后第二個公開保持“不間斷的海上戰略威懾”能力的國家，同時實現了潛艇力量的全核化，具備較高的核動力技術水平［3］。截至目前，英國共建造7型超過30艘核潛艇，包括2型戰略核潛艇和5型攻擊型核潛艇［1］。目前，英國仍在不斷發展水下核動力技術，新一代“機敏”型攻擊型核潛在持續建造中，下一代戰略核潛艇“無畏”型也在積極研究中［4-5］。本文通過梳理英國水下核動力技術的發展歷程，并總結其發展特點和趨勢，供我國水下核動力設計人員參考。

1 英國水下核動力技術發展歷程

英國于20世紀40年代開始水下核動力發展計劃，曾探索過氣冷堆等技術方案，但是由于經濟和技術原因在1952年不得不中止研究計劃［6］。由于英、美兩國于1958年簽訂《美英共同防御協定》，兩國形成緊密的軍事盟友關系，英國轉而尋求美國的核動力技術支援，獲得了一整套美國當時成熟的壓水型核反應堆S5W-I［2，7］。1959年，英國第一艘核潛艇“無畏”號開工建造，“無畏”號的設計和建造得到了美國電船公司的技術支持，參考了美國“大青花魚”號試驗潛艇和“鰹魚”型攻擊型核潛艇的設計資料［2］。1963年，“無畏”號正式服役，但嚴格意義上其只能算一艘仿制核潛艇。

在“無畏”號的建造服役過程中，英國政府決定發展獨立的核動力技術。至今，英國先后建造了DSMP和STF-2兩座陸上模式堆，研制了PWR-1（A、B、Z）和PWR-2（G、H）兩代共5個型號的反應堆［8-11］，具體情況如表1所示。

表1 英國水下核動力發展歷程Tab.1 Development of underwater nuclear power in Britain

1961年，羅爾斯·羅伊斯公司聯合英國原子能機構以S5W-I反應堆為技術基礎，參考美國陸上模式堆的建造經驗，建成了英國第一代陸上模式堆DSMP［8］。通過在DSMP的基礎上進行研發，成功研制了A、B兩種堆芯型號的PWR-1反應堆。其中，A型堆芯PWR-1反應堆裝備“勇士”型攻擊型核潛艇和“決心”型戰略核潛艇，兩型潛艇的首艇“勇士”號、“決心”號分別于1966年和1967年入役；B型堆芯PWR-1反應堆裝備“敏捷”型攻擊型核潛艇，首艇“敏捷”號于1973年入役。1973—1974年，英國對DSMP陸上模式堆進行了改裝，研發出了功率更大的Z型堆芯PWR-1反應堆，裝備在“特拉法爾加”型攻擊型核潛艇上，首艇“特拉法爾加”號于1983年服役。

1987年，羅爾斯·羅伊斯公司建成了第二代陸上模式堆STF-2，在此基礎上研制了PWR-2型反應堆［8，10］。PWR-2反應堆分為2種堆芯型號，G型堆芯裝備在“前衛”型彈道導彈核潛艇上，首艇“前衛”號于1993年服役，目前已全面取代“決心”型戰略核潛艇；H型堆芯裝備在“機敏”型攻擊型核潛艇上，首艇“機敏”型于2010年服役，目前仍在建造中，計劃全面取代“特拉法爾加”型攻擊型核潛艇。

據報道，英國正在規劃研究下一代戰略核潛艇“無畏”型，計劃在21世紀30年代初取代現役的“前衛”型戰略核潛艇，新型的潛艇核動力很可能也在研發之中［4］。

2 英國水下核動力技術特點

2.1 PWR-1反應堆

PWR-1反應堆是由陸上模式堆DSMP發展而來的，而DSMP是英國以S5W-I反應堆為技術基礎、參考美國模式堆的設計經驗而建造的，實際上可以認為是英國為全面掌握S5W-I反應堆技術而建造的試驗裝置。因此，由DSMP發展而來的PWR-1反應堆的主要技術參數與S5W-I反應堆類似，詳細參數如表2所示［1，5-6，9，12］。

表2 PWR-1反應堆的主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of PWR-1 reactor

PWR-1（A）是英國獨立研發的第一型裝艇反應堆，其主要技術特點與S5W-I反應堆基本一致。PWR-1（A）的熱功率為60 MW，可以提供15 000 hp的推進功率。PWR-1（A）一回路布置形式也采用分散式，這種布置方式雖然占據空間艙室較多，但是布置設計簡單、維修方便，對單個設備的可靠性要求較低。PWR-1（A）跟隨美國的技術路線，應用高濃縮鈾的板式合金燃料，但是進一步提高了反應堆換料周期，從S5W-I的4～5年提高到7～8年。另外，PWR-1（A）與S5W-I兩型反應堆均不具備自然循環能力，一回路都采用自然循環蒸汽發生器。

PWR-1（B）延續了PWR-1（A）的主要技術參數，重點優化了系統可靠性、降低噪聲水平，使該型反應堆更加成熟。

由于“特拉法爾加”型比“勇士”型、“敏捷”型的排水量和航速均有明顯的提高（見表3）［1］，因此PWR-1（Z）反應堆的熱功率從60 MW提高到80 MW，可以提供20 000 hp的推進功率。

表3 “勇士”型、“敏捷”型與“特拉法爾加”型主要參數對比Tab.3 Comparison of main parameters of Valiant class，Swiftsure class，and Trafalgar class

2.2 PWR-2反應堆

PWR-2反應堆是由英國第二代陸上模式堆STF-2發展而來的，技術水平與PWR-1反應堆有較大進步，詳細參數如表4所示［1，6，9-10，12］。

表4 PWR-2反應堆主要技術參數Tab.4 Main technical parameters of PWR-2 reactor

PWR-2（G）裝備于“前衛”型戰略核潛艇，其熱功率為110 MW，比PWR-1型反應堆有較大提高，可以提供27500 hp的推進功率。換料周期進一步提高到10年的水平，使核潛艇在整個服役期間的換料次數減少到三次左右，提高了核潛艇的在航率。PWR-2（G）繼續采用分散式布置，注重整個系統的可靠性。

PWR-2（H）反應堆代表英國目前潛艇核動力技術的最高水平，在主要技術參數上有重大改進，裝備于英國最先進的“機敏”型核潛艇。PWR-2（H）的熱功率達到了140 MW，超過英國第一代核反應堆的2倍，達到美國“洛杉磯”型核潛艇的水平，可以提供超過35000 hp的推進功率，使“機敏”型的水下航速超過30 kn。PWR-2（H）最大的技術進步是換料周期達到了25年，基本可以全壽命周期不換料，實現了堆艇同壽。堆艇同壽的實現使核潛艇中修期無須更換核燃料，避免損傷艇體，可大幅縮短中修準備時間，減少全壽期維修費用，并有利于保證艇的在航率，提高裝備利用率［12］。

3 英國水下核動力的發展經驗及趨勢

3.1 英國水下核動力發展特點

英國水下核動力技術的發展以美國的技術援助為基礎，經過近60年的研發，發展了多型成熟的反應堆，達到了較高的技術水平。分析英國水下核動力技術的發展歷程，表現出以下特點：

3.1.1 起點高，成熟度高

英國直接獲得美國成熟的技術支持，第一艘核潛艇裝備美國成熟的S5W-I潛艇核反應堆，在此基礎上獨立發展了第一代水下核動力，避免了美國、蘇/俄等國發展核動力之初的試驗探索階段，達到了較高的水平，保證了英國核動力技術后續順利的發展。

3.1.2 小規模發展，注重可靠性，不過分追求技術先進性

冷戰時期，英國的軍事力量建設以配合美國作戰為目標，只保持有限的核潛艇力量，其核動力也采用小規模的適度發展模式，注重技術的成熟性，不過分追求先進性。例如，英國核潛艇一直采用分散布置的壓水堆，并沒有裝備體積更緊湊的一體化反應堆。

3.1.3 重視減振降噪技術創新

聲隱身水平是水下裝備戰斗力的重要影響因素，英國海軍非常重視減振降噪技術，在其第一代核潛艇“勇士”型上便先于美國海軍采用了浮筏減振技術［1］，其“機敏”型核潛艇更是世界上最早采用泵噴推進的核潛艇［4］。得益于在減振降噪技術上的不斷創新，英國核潛艇的噪聲較低。2009年2月，英國一艘“前衛”型戰略核潛艇與法國一艘“凱旋”型戰略核潛艇在大西洋水下發生碰撞，這也從側面表明英國核潛艇的聲隱身水平。

3.1.4 研究力量集中

英國所有水下核動力反應堆都由羅爾斯·羅伊斯公司提供，研究力量集中，便于集中管理和技術協調，每一代反應堆之間的技術繼承性好［6］。這種管理方式適合核潛艇力量規模較小的國家，保證了技術的成熟度和可靠性，但也限制了技術創新發展。

3.2 英國水下核動力發展趨勢

雖然英國與美國保持緊密的盟友關系，在軍事技術上存在一定的依賴關系，但是核力量是大國的標配，作為安理會常任理事國和歐洲的軍事大國，英國必然需要獨立地發展自己的核力量，而水下核動力技術正是核力量的重要組成部分。2016年7月18日，英國議會下院投票贊成從2028年起以新型“無畏”型戰略核潛艇取代從1993年陸續服役的“前衛”型戰略核潛艇［13］。英國將繼續獨立發展水下核動力技術，參考美、俄等國核動力發展趨勢［14］，英國未來核動力技術存在以下幾個發展方向：

3.2.1 堆功率繼續增加

英國裝備于“機敏”型的PWR-2（H）反應堆熱功率為140 MW，而美國“弗吉尼亞”型的S9G反應堆熱功率為200 MW，俄羅斯“北風之神”型與“亞森”型核潛艇反應堆的熱功率也達到了190 MW，未來英國新一代戰略核潛艇“無畏”型的排水量和航速將會比現役核潛艇增加，必然需求更大功率的反應堆［2，15］。

3.2.2 增加換料周期，實現完全的堆艇同壽

PWR-2（H）的換料周期為25年，基本可以保證“機敏”型全壽命周期換料。但是，目前世界范圍內核潛艇的服役周期存在延長的趨勢，例如美國“洛杉磯”型部分在役艇服役已超過30年，“俄亥俄”型核潛艇早期型號服役期限已接近40年，英國現役的“特拉法爾加”型部分在役艇服役也已超過30年［1，16］。因此，美國S9G反應堆的換料周期達到了33年，下一代戰略核潛艇“哥倫比亞”型的S1B反應堆換料周期更是超過40年，英國未來的潛艇反應堆換料周期必將繼續增加，實現完全的堆艇同壽［15］。

3.2.3 增加反應堆自然循環能力

自然循環可以提高反應堆的固有安全性、簡化系統和設備，最重要的優點是降低噪聲，提高水下裝備的安靜性［12］。因此，美、俄、法等國很早就開始自然循環反應堆的研究，均已裝備了具備自然循環能力的反應堆［12，17］。雖然英國現有反應堆是否具備自然循環能力不詳，但其未來必然將增加研究，提高新型反應堆的自然循環能力。

4 結 語

英國一直奉行雙軌核政策，一方面要堅持獨立的發展本國的核威懾力量，另一方面又保持對美國的核依賴。因此，英國水下核動力技術發展展現出獨特的歷程。與美、俄等國相比，英國科研力量集中在一家公司，專注于分散布置的壓水堆，研發的反應堆型號較少，技術上采用成熟可靠的方案，同時保持穩步的技術進步，維持適度的技術力量。

英國未來將繼續獨立地發展水下核動力技術，在反應堆技術方面，將繼續采用謹慎的發展方式，穩步提高反應堆功率、換料周期、自然循環能力等參數。