Rolls-Royce PWR3

Rolls-Royce PWR3 — это серия ядерных реакторов с водой под давлением (PWR), разработанная британской компанией Rolls-Royce для оснащения атомных подводных лодок (АПЛ) нового поколения. Реактор PWR3 представляет собой третье поколение британских корабельных ядерных энергетических установок, пришедшее на смену реакторам PWR2, и отличается повышенной мощностью, улучшенными характеристиками безопасности и сниженным уровнем шума.

История разработки

Разработка реактора PWR3 началась в 2010-х годах в рамках программы создания перспективных атомных подводных лодок для Королевского военно-морского флота Великобритании. Основным требованием к новой установке стало обеспечение энерговооружённости для подводных лодок типа «Дредноут» (Dreadnought-class), которые должны прийти на смену АПЛ типа «Вэнгард» (Vanguard-class), несущим ядерное оружие. Проект PWR3 стал результатом кооперации с американскими специалистами, в частности, с компанией Westinghouse Electric Company, что позволило использовать наработки по реактору S9G, устанавливаемому на американских подводных лодках типа «Вирджиния» (Virginia-class). В отличие от предшественника PWR2, который имел значительные проблемы с шумностью и вибрацией, PWR3 проектировался с акцентом на акустическую скрытность.

В 2014 году правительство Великобритании объявило о завершении этапа концептуального проектирования, а в 2018 году — о начале изготовления опытных образцов. Первый полноценный прототип реактора PWR3 был запущен на испытательном стенде в Дерби (Великобритания) в 2021 году. По состоянию на 2024 год, реакторы PWR3 проходят цикл наземных испытаний, а их серийное производство планируется начать в 2025–2026 годах.

Конструкция и принцип действия

PWR3, как и все реакторы типа PWR (Pressurized Water Reactor), использует в качестве замедлителя и теплоносителя обычную (лёгкую) воду, находящуюся под высоким давлением, чтобы предотвратить её кипение в активной зоне. Тепло, выделяемое при делении ядер урана, передаётся от активной зоны к парогенераторам, где вода второго контура превращается в пар, вращающий турбины, соединённые с гребными винтами и генераторами электроэнергии.

Активная зона

Активная зона реактора PWR3 состоит из тепловыделяющих сборок (ТВС) с низкообогащённым ураном (до 5% по изотопу уран-235). В отличие от PWR2, где использовался уран с более высоким обогащением (до 20%), PWR3 перешёл на топливо с обогащением ниже 20%, что соответствует международным нормам нераспространения. Топливные таблетки заключены в циркониевые оболочки, а сборки имеют квадратную или шестигранную форму. Конструкция активной зоны оптимизирована для длительной кампании — до 10–12 лет без перегрузки, что позволяет подводным лодкам не заходить в порт для замены топлива на протяжении всего срока службы.

Система управления и защиты

Управление реактором осуществляется с помощью регулирующих стержней из карбида бора, которые вводятся в активную зону сверху. Система управления и защиты (СУЗ) PWR3 включает дублированные каналы управления, а также пассивные системы аварийной защиты, срабатывающие при превышении температуры или давления. В отличие от предыдущих моделей, PWR3 оснащён цифровой системой управления, что повышает точность регулирования мощности и снижает нагрузку на операторов.

Парогенераторы и турбинная установка

Реактор PWR3 имеет два парогенератора, каждый из которых представляет собой вертикальный теплообменник с U-образными трубками. Пар, вырабатываемый в парогенераторах, подаётся на паровую турбину, которая приводит в действие гребной вал через редуктор. Для снижения шума турбина и редуктор установлены на амортизирующих опорах, а система охлаждения конденсаторов использует забортную воду. Электрическая мощность реактора оценивается в 150–200 МВт, что достаточно для обеспечения хода подводной лодки на скорости до 30 узлов и работы всего бортового оборудования.

Характеристики

Основные технические характеристики реактора PWR3 (по данным открытых источников и заявлений Rolls-Royce):

• Тип реактора: водо-водяной (PWR) с водой под давлением.
• Тепловая мощность: около 500–600 МВт (точные данные засекречены).
• Электрическая мощность: 150–200 МВт.
• Давление в первом контуре: 15–16 МПа (150–160 атмосфер).
• Температура теплоносителя на выходе из активной зоны: 320–330 °C.
• Обогащение топлива: до 4,5–5% по урану-235.
• Кампания активной зоны: 10–12 лет.
• Количество парогенераторов: 2.
• Масса реакторного отделения (с защитой): около 1500 тонн.
• Срок службы установки: 30–40 лет (с возможным продлением).

Применение

Реакторы PWR3 предназначены для оснащения атомных подводных лодок нового поколения Королевского военно-морского флота Великобритании. Основные носители:

• Подводные лодки типа «Дредноут» (Dreadnought-class): серия из четырёх АПЛ, которые должны заменить устаревшие лодки типа «Вэнгард» в качестве носителей баллистических ракет «Трайдент II» (Trident II D5). Первая лодка серии, HMS Dreadnought, заложена в 2016 году, её ввод в строй ожидается в 2030-х годах.
• Подводные лодки типа «Астьют» (Astute-class): хотя эти лодки оснащены реакторами PWR2, планируется, что последующие модификации (Astute Batch 2) могут получить PWR3. Однако официальных подтверждений этому нет.

Кроме того, рассматривается возможность использования PWR3 в качестве силовой установки для перспективных подводных лодок с крылатыми ракетами, которые могут быть построены в 2040-х годах.

Критика и безопасность

Реактор PWR3 подвергается критике со стороны экологических организаций, таких как Greenpeace и «Друзья Земли», которые указывают на риски, связанные с эксплуатацией ядерных реакторов на подводных лодках, включая возможность аварий с выбросом радиоактивных веществ. В ответ на это Rolls-Royce и Министерство обороны Великобритании заявляют, что PWR3 имеет многоуровневую систему безопасности, включающую пассивные системы охлаждения и герметичную защитную оболочку, способную выдержать столкновение с подводным объектом или падение самолёта.

Особую озабоченность вызывает утилизация отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с PWR3. В отличие от PWR2, где топливо перерабатывалось на заводе в Селлафилде, для PWR3 планируется временное хранение ОЯТ на борту лодки или в специальных хранилищах, что может увеличить радиационные риски. Однако британские власти утверждают, что разработаны безопасные методы обращения с отходами.

Интересные факты

• Реактор PWR3 является первым британским корабельным реактором, который прошёл полный цикл цифрового моделирования до начала физических испытаний, что позволило сократить время разработки на 30%.
• Название PWR3 расшифровывается как «Pressurized Water Reactor 3» (реактор с водой под давлением, третье поколение), но в прессе его иногда называют «PWR3 — самый тихий реактор в мире».
• Конструкция PWR3 включает элементы, заимствованные из авиационной промышленности — в частности, систему управления на основе микропроцессоров, используемых в двигателях Rolls-Royce Trent.

Источники

• Rolls-Royce. «PWR3 Nuclear Reactor for Submarines». Rolls-Royce plc, 2021.
• Ministry of Defence (UK). «The Dreadnought Class Submarine Programme». House of Commons Defence Committee, 2019.
• «Nuclear-Powered Submarines: A Review of the UK’s PWR3 Reactor». Jane’s Navy International, 2022.
• «PWR3: The Next Generation of British Submarine Reactors». Nuclear Engineering International, 2020.
• Greenpeace. «Nuclear Submarine Reactors: Risks and Challenges». Greenpeace UK, 2023.