롤스-로이스 PWR
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1. 개요
롤스-로이스 PWR은 영국 해군의 핵잠수함에 사용되는 원자로로, PWR1, PWR2, PWR3 세 가지 모델이 있다. PWR1은 영국 최초의 자체 설계 원자로로, 밸리언트급, 레졸루션급, 처칠급, 스위프트슈어급, 트라팔가급 잠수함에 탑재되었으나, 냉각수 누출 문제로 조기 퇴역을 야기했다. PWR2는 뱅가드급과 어스튜트급 잠수함에 탑재되며, 145MW의 열출력을 내고, 연료 재공급 없이 30년 운용이 가능하다. PWR3는 드레드노트급 잠수함에 탑재될 차세대 원자로로, 미국 설계를 기반으로 영국 기술을 활용하며 안전성과 수명, 유지보수 측면에서 개선되었다. 롤스로이스는 PWR 원자로를 제조하며, SSN-AUKUS용 원자로 제작에도 참여한다.
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롤스-로이스 PWR | |
---|---|
개요 | |
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종류 | 가압수형 원자로 |
개발사 | 롤스-로이스 plc |
국가 | 영국 |
상세 정보 | |
노심 설계 | 긴 수명 높은 전력 밀도 낮은 농축 우라늄 연료 |
주요 특징 | 높은 신뢰성 긴 수명 유지 보수 용이성 |
사용처 | 영국 해군의 원자력 추진 잠수함 |
기술 사양 | |
냉각재 | 경수 |
감속재 | 경수 |
연료 | 농축 우라늄 |
역사 | |
최초 개발 | 1950년대 말 |
최초 배치 | HMS 드레드노트 (1963년) |
파생 모델 | |
PWR1 | 밸리언트급 잠수함 |
PWR2 | 리벤지급 잠수함, 챌린저급 잠수함 |
PWR3 | 트라팔가급 잠수함 |
PWR4 | 뱅가드급 잠수함 |
PWR2 개량형 | 스위프트슈어급 잠수함, 애스튜트급 잠수함 |
2. 역사
1958년 미영 상호방위조약을 체결하면서 영국은 핵추진 잠수함 개발을 본격화했다. 이 조약으로 미국 핵잠수함 원자로 기술을 이전받았다.
2. 1. 초기 개발
1958년 미영 상호방위조약으로 미국의 핵잠수함 원자로 기술을 이전받아, 영국 최초의 핵잠수함 HMS 드레드노트에 78 MW 열출력의 미국 웨스팅하우스 S5W 원자로 1기를 탑재했다. 시험용 원자로는 불칸 해군 원자로 시험 시설에 설치했으며, 60 MW 열출력이었다.PWR1은 미국 웨스팅하우스 S5W 원자로와 같은 78 MWt 열출력이다. 1963년에 취역한 영국의 최초 핵추진 잠수함 HMS 드레드노트는 1958년 미영 상호방위조약에 따라 미국으로부터 제공받았다.[2][3]
2. 2. PWR1 개발
PWR1은 영국이 독자적으로 설계한 최초의 핵잠수함용 원자로이다. 1965년 PWR1 원자로가 임계 상태에 도달했다.[4] 1958년 미영 상호방위조약에 따라 롤스로이스는 잠수함 설계 및 소음 저감 기술에 관한 상당한 양의 정보를 미국에 제공하는 대가로 원자로 설계에 있어 완전히 자급자족하게 되었다.[5][6][7][8]
원자로 연료는 93%에서 97% 사이로 농축된 고농축 우라늄(HEU)을 사용했다. 각 핵 노심의 수명은 약 10년이었으며, 잠수함의 수명 동안 약 두 번 재연료 보급을 해야 했다.[9]
롤스로이스 해양 동력 운영부(Rolls-Royce Marine Power Operations)는 더비에 위치해 있으며, 영국의 잠수함 원자로 설계 및 제조의 중심지였고, 오늘날까지 그 역할을 유지하고 있다. 영국 국방부의 벌칸 해군 원자로 시험 시설(Vulcan Naval Reactor Test Establishment (NRTE))은 던레이 원자력 개발 시설에 위치해 있으며, 핵잠수함에 설치되기 전에 각 원자로 노심 설계를 시험했다.
PWR1 원자로는 다음과 같은 잠수함에 탑재되었다.
PWR1 원자로는 1차 냉각 계통 배관 균열 및 냉각수 누출 문제가 발생하여, 밸리언트급, 처칠급 및 스위프트슈어급 잠수함의 조기 퇴역을 야기했다. 트라팔가급 원자력 잠수함 3번함 타이어리스는 2000년 지중해에서 항해 중 1차 냉각수 누출 사고를 일으켰고, 2013년에도 재발했다.[47][48] 1번함 트라팔가는 데본포트 해군 기지 내에서 280리터의 오염된 냉각수를 함외로 누출시키는 사고를 일으켰다.[49]
2. 3. PWR2 개발
PWR2는 뱅가드급 잠수함을 위해 PWR1을 개량하여 만들어졌다. 1985년 최초의 원자로가 제작되었고, 1987년 불칸 해군 원자로 시험 시설에서 시험 가동을 시작했다.[9]

최신 PWR2 원자로 코어 설계는 "코어 H"로, 약 30년의 수명을 가져 재연료 공급 없이 잠수함 운용 수명 동안 사용 가능하다.[9] HMS ''Vanguard''는 개장 과정에서 새로운 코어를 장착했으며, 다른 뱅가드급 잠수함과 어스튜트급 잠수함에도 장착되었다.[9]
2009년 11월, 국방 핵 안전 규제 기관은 PWR2 설계 안전성 평가에서 두 가지 주요 취약점을 지적했다.[10][11] 첫째는 냉각수 손실 사고이고, 둘째는 비상 원자로 정지 후 잠수함 심도 제어 문제였다.[12][11] PWR2는 "1차 회로의 구조적 고장에 잠재적으로 취약"하여 심각한 안전 위험을 초래할 수 있다고 결론 내렸다.[11][25]
2012년 1월, PWR2 시험 원자로 냉각수에서 미세한 연료 피복 파손으로 인한 방사능이 검출되었다. 이로 인해 HMS ''Vanguard''의 연료가 조기에 재공급되었고, 다른 ''Vanguard'' 및 ''Astute''급 잠수함에 대한 비상 조치에 2.7억파운드의 비용이 발생했다. 이 사실은 2014년까지 대중에게 공개되지 않았다.[13][14]
2. 4. PWR3 개발
PWR3는 드레드노트급 잠수함을 위해 개발 중인 차세대 원자로이다.[19][20] 이 원자로는 미국 설계를 기반으로 영국 원자로 기술을 사용한 새로운 시스템이다. 왕립 해군 건축가 협회(Royal Institution of Naval Architects)는 영국이 미국 해군(US Navy)의 버지니아급 잠수함에 사용되는 S9G 원자로 설계에 대한 접근 권한을 얻었을 가능성이 높다고 보고했다.[21]PWR3는 PWR2보다 수명이 길고 유지 보수 요구 사항이 적으며, 더 간단하고 안전한 설계로, 비용은 PWR2b와 거의 동일하다.[18] PWR3는 PWR2에 비해 부품 수가 30% 적다.[22]
2011년 3월, 리암 폭스 국방 장관은 PWR3가 "더 나은 안전 전망을 제공하기 때문에" 선호되는 옵션이라고 말했다.[23][24] 2011년 5월, 국방부는 PWR3가 차기함(2016년 이후 ''드레드노트''급으로 명명됨)으로 선정되었다고 발표했다.[18][25] PWR3는 PWR2 설계에 비해 보트당 구매 및 운영 비용이 약 5000만파운드 더 들지만, PWR3의 25년 수명에 걸쳐 PWR2 설계보다 더 긴 수명으로 상쇄된다.[18]
PWR3는 원자로 코어 프로토타입 테스트가 필요하지 않으며, 대신 계산 모델링이 사용된다.[26][27] 결과적으로, 벌컨 NRTE에 위치한 해안 테스트 시설(STF) 원자로는 2015년에 폐쇄되었다.[28]
2012년 6월, 국방부는 롤스로이스에 ''드레드노트''급 원자로와 애스튜트급 마지막 보트인 HMS ''아젠코트'' 생산을 위해 6억파운드의 계약을 체결했다.[29] 또한 국방부는 PWR3를 제조하고 공장의 수명 연장을 2056년까지 하기 위해, 더비에 있는 롤스로이스 해양 전력 운영 원자로 코어 제조 공장을 개조하기 위해 롤스로이스에 추가로 5억파운드를 수여했다.[29][30] 2020년 1월, 영국 국립 감사원(National Audit Office)은 공장 건설이 5년 지연되었으며, 현재 2026년에 가동될 것으로 예상된다고 보고했다.[30][31]
롤스로이스는 SSN-AUKUS용 원자로를 제작하고 있으며,[32] 이는 PWR3 또는 그 파생형일 수 있다.[33][34]
3. 기술적 특징
영국의 핵잠수함용 원자로는 가압수형 원자로(PWR) 방식을 채택하고 있다.
롤스로이스 해양 동력 운영부(Rolls-Royce Marine Power Operations)는 더비(Derby)에 위치해 있으며, 영국의 잠수함 원자로 설계 및 제조 중심지 역할을 담당한다. 영국 국방부의 벌칸 해군 원자로 시험 시설(Vulcan Naval Reactor Test Establishment (NRTE))은 던레이(Dounreay)에 위치하며, 핵잠수함에 설치되기 전 원자로 노심 설계를 시험하는 곳이다.
최초의 영국 해군 원자로는 PWR1이었다. 이 원자로는 영국 설계의 노심 및 원자로 조립체를 기반으로 했다. 1958년 미영 상호방위조약에 따른 기술 이전으로, 롤스로이스는 잠수함 설계 및 소음 저감 기술에 관한 정보를 미국에 제공하는 대가로 원자로 설계에 있어 자급자족하게 되었다.[5][6][7][8]
PWR2는 뱅가드급 잠수함을 위해 PWR1을 개량하여 만들었다. 1985년 최초의 원자로가 제작되었고, 1987년 벌칸 해군 원자로 시험 시설에서 시험 가동을 시작했다.
PWR3 원자로가 개발 중이며, 드레드노트급 잠수함 4척에 탑재될 예정이다. 2028년 1번함이 건조될 계획이다.
3. 1. 연료
PWR1과 PWR2 원자로는 93~97% 농축된 고농축 우라늄(HEU)을 연료로 사용한다.[9] PWR1 원자로의 각 핵 노심 수명은 약 10년으로, 잠수함 수명 동안 약 두 번 재연료를 공급해야 했다.[9]PWR2의 최신 원자로 코어 설계는 "코어 H"이다. 코어 H는 약 30년의 수명을 갖도록 설계되어 재연료 공급이 불필요하며, 잠수함 운용 수명 동안 원자로 개장을 피할 수 있게 해준다.[9]
3. 2. 안전성
PWR1은 1차 냉각 계통 배관의 균열이나 냉각수 누출이 여러 차례 공식적으로 보고되어 안전성이 양호하다고 말하기 어렵다.[43]PWR1을 처음 탑재한 밸리언트급 및 그 준동형함 처칠급은 1991년 밸리언트급 2번함 워스파이트의 핵연료 교체 공사 시 1차 냉각 계통 배관에 균열이 발견되어, 같은 설계의 기관부를 가진 두 급 5척이 1994년까지 조기 퇴역했다.[44][45] 밸리언트급 및 처칠급의 후계인 스위프트슈어급에서도 1번함 스위프트슈어가 두 번째 연료 교체 공사 시 1차 냉각 계통 배관에 균열이 발견되어 연료 교체를 하지 않고 퇴역했다.[46]
트라팔가급 원자력 잠수함 3번함 타이어리스는 2000년 시칠리아 섬 앞바다 지중해에서 항해 중 1차 냉각수 누출 사고를 일으켰다. 타이어리스는 원자로를 정지하고 디젤 엔진과 배터리로 지브롤터로 귀환했다.[47] 2013년에도 타이어리스에서 1차 냉각재 누출 사고가 재발했다.[48] 트라팔가는 데본포트 해군 기지 내에서 280리터의 오염된 냉각수를 함외로 누출시키는 사고를 일으켰다.[49]
'''PWR2'''는 트라이던트 미사일을 탑재한 뱅가드급 탄도 미사일 원자력 잠수함을 위해 개발된 PWR1의 발전형이다. 1987년 6월 벌컨 해군 원자로 시험 시설에서 테스트가 시작되었다.
Freedom of Information Act 2000|정보의 자유법영어에 따라, 국방 원자력 안전 검사관(Defence Nuclear Safety Regulator)에 의한 PWR2 설계 안전성 평가가 2011년 3월에 공개되었다.[50] 이 보고서는 2009년 11월에 제출된 것으로,[50] PWR2는 구조적인 결함으로 인한 취약성을 안고 있으며, 냉각수 손실 사고에 노출될 경우 방사성 물질을 노심 외부로 방출할 위험이 있다고 지적했다. 또한 잠수함용 원자로와 민생용 원자로를 비교하면 안전성이 부족하고,[52] 현재 영국의 관행은 "기준에 부합하는 적절하고 양호한 관행"(benchmarked relevant good practice)에 현저하게 미치지 못한다고 지적했다.[50] 이 보고서는 원자로에 문제가 있기 때문에, 원자로 긴급 정지 후 수면으로 부상하는 것을 방해하며, 그러한 깊이 제어 상실이 여러 치명적인 사태를 초래할 위험이 있다고도 지적했다.[50]
2012년 1월, PWR2 시험 원자로 냉각수에서 미세한 연료 피복 파손으로 인한 방사능이 검출되었다. 이로 인해 뱅가드의 연료가 조기에 재공급되었고, 다른 ''Vanguard'' 및 ''Astute''급 잠수함에 대한 비상 조치가 적용되었으며, 비용은 2.7억파운드였다. 이 사실은 2014년까지 대중에게 공개되지 않았다.[13][14]
PWR3는 PWR2 설계에 비해 보트당 구매 및 운영 비용이 약 5000만파운드 더 들지만, 25년 수명으로 인해 PWR2 설계보다 더 긴 수명으로 상쇄된다.[18] PWR3는 원자로 코어 프로토타입 테스트가 필요하지 않으며, 대신 계산 모델링이 사용된다.[26][27]
4. 잠수함별 원자로 탑재 현황
4. 1. PWR1
1958년 미영 상호방위조약으로 미국에서 핵잠수함 원자로 기술을 이전받았다. 시험용 원자로를 불칸 해군 원자로 시험 시설에 설치했는데, 60MW의 열출력을 냈다.PWR1은 미국 웨스팅하우스 S5W 원자로와 같은 78MWt 열출력을 가진다.
최초의 영국 해군 원자로는 PWR1이었다. 이 원자로는 순수하게 영국에서 설계한 노심 및 원자로 조립체를 기반으로 했다. PWR1은 계획보다 4년 늦은 1965년에 처음으로 임계에 도달했다.[4] 미국-영국 상호 방위 협정에 따라 롤스로이스는 잠수함 설계 및 소음 저감 기술에 관한 상당한 양의 정보를 미국에 제공하는 대가로 원자로 설계에 있어 완전히 자급자족하게 되었다.[5][6][7][8]
원자로 연료는 93%에서 97% 사이로 농축된 고농축 우라늄(HEU)이었다. 각 핵 노심의 수명은 약 10년이었으며, 잠수함의 수명 동안 약 두 번 재연료 보급을 해야 했다.[9]
PWR1을 탑재한 원자력 잠수함은 다음과 같다.[42]
함급 | 함명 |
---|---|
프로토타입 | 벌칸 해군 원자로 시험 시설 (NRTE), 던레이 코어 A[1] |
밸리언트급 SSN | 밸리언트, 워스파이트 |
레졸루션급 SSBN | 레졸루션, 리펄스, 레나운, 리벤지 |
처칠급 SSN 코어 B[1] | 처칠, 컨쿼러, 커레이저스 |
스위프트슈어급 SSN 코어 Z[1] | 스위프트슈어, 소버린, 슈페브, 셉터, 스파르탄, 스플렌디드 |
트라팔가급 SSN | 트라팔가, 터뷸런트, 타이어리스, 토베이, 트렌챈트, 탤런트, 트리엄프 |
PWR1의 직접적인 기술적 기원인 S5W를 포함하여 미국 해군의 잠수함용 원자로가 적어도 공식적으로는 무사고 기록을 가진 것[43]과 비교하면, PWR1은 여러 차례 1차 냉각 계통 배관의 균열이나 냉각수 누출이 공식적으로 보고되어, 양호하다고 말하기 어렵다.
PWR1을 처음 탑재한 밸리언트급 및 그 준동형함 처칠급은 1991년, 밸리언트급 2번함 워스파이트의 핵연료 교체 공사 시 1차 냉각 계통 배관에 균열이 발견되어, 같은 설계의 기관부를 가진 두 급 총 5척이 1994년까지 조기 퇴역했다.[44][45] 밸리언트급 및 처칠급의 후계인 스위프트슈어급에서도 1번함 스위프트슈어가 두 번째 연료 교체 공사 시 역시 1차 냉각 계통 배관에 균열이 발견되어 연료 교체를 단념하고, 퇴역이 결정되었다.[46]
또한, 트라팔가급 원자력 잠수함에서도 3번함 타이어리스가 2000년에 시칠리아 섬 앞바다의 지중해에서 항해 중에 1차 냉각수 누출 사고를 일으켰다. 타이어리스는 원자로를 정지하고 디젤 엔진과 배터리로 지브롤터로 귀환해야 했다.[47] 타이어리스에서의 1차 냉각재 누출 사고는 이 한 번뿐만이 아니라, 2013년에도 재발했다.[48] 그 외에도 1번함 트라팔가는 데본포트 해군 기지 내에서 280리터의 오염된 냉각수를 함외로 누출시키는 사고를 일으켰다.[49]
4. 2. PWR2
PWR2는 현재 영국 해군의 최신형 핵잠수함 원자로이다. 뱅가드급 잠수함을 위해 PWR1을 개량하여 만들었다. 1985년 최초의 원자로가 제작되었고, 1987년 불칸 해군 원자로 시험 시설에서 시험가동을 시작했다.145 MWt 열출력을 낸다. 2018년 현재 사용중인 뱅가드급 잠수함, 어스튜트급 잠수함에 PWR2 1기를 사용한다.
함급 | 함종 | 수중배수량 | 비고 |
---|---|---|---|
뱅가드급 잠수함 | 전략원잠(SSBN) | 16,000 톤 | 145 MW 롤스로이스 PWR2 1기 |
어스튜트급 잠수함 | 공격원잠(SSN) | 8,000 톤 | 145 MW 롤스로이스 PWR2 1기 |
원자로 연료는 93%에서 97% 사이로 농축된 고농축 우라늄(HEU)이다. 최신 PWR2 원자로 코어 설계는 "코어 H"로, 약 30년의 수명을 가지며 재연료 공급의 필요성을 없애 잠수함이 운용 수명 동안 두 번의 원자로 개장을 피할 수 있게 해준다.[9] HMS ''Vanguard''는 개장 과정에서 새로운 코어를 장착했으며, 이어서 세 척의 자매함에도 적용되었다. 어스튜트급 잠수함은 이 완전 수명 코어를 설치했다.
2009년 11월 국방 핵 안전 규제 기관의 PWR2 설계 안전성 평가는 2011년 3월 정보 공개 요청에 따라 공개되었다.[10][11] 규제 기관은 영국 관행이 비교 가능한 우수 관행에 크게 미치지 못하는 두 가지 주요 영역을 확인했다. 냉각수 손실 사고와 비상 원자로 정지 후 잠수함 심도 제어.[12][11] 규제 기관은 PWR2가 "1차 회로의 구조적 고장에 잠재적으로 취약"하다는 결론을 내렸으며, 이는 승무원과 대중에게 심각한 안전 위험을 초래하는 고장 모드였다.[11][25]
2012년 1월, PWR2 시험 원자로의 냉각수에 미세한 연료 피복 파손으로 인한 방사능이 검출되었다. 이 발견으로 인해 ''Vanguard''의 연료가 조기에 재공급되었고, 다른 ''Vanguard'' 및 ''Astute''급 잠수함에 대한 비상 조치가 적용되었으며, 비용은 2.7억파운드였다. 이 사실은 2014년까지 대중에게 공개되지 않았다.[13][14]
;잠수함
분류:영국의 원자로
4. 3. PWR3
뱅가드급 잠수함을 대체하는 드레드노트급 잠수함의 추진 체계로는 PWR2, PWR2b (PWR2 개량형), PWR3가 검토되었다.[18] PWR3는 "미국 설계를 기반으로 하지만 영국 원자로 기술을 사용"한 새로운 시스템이었다.[19][20] 왕립 해군 건축가 협회는 영국이 미국 해군 버지니아급 잠수함에 사용되는 S9G 원자로 설계에 접근했을 가능성이 높다고 보았다.[21] PWR3는 PWR2 계열보다 수명이 길고 유지보수가 적으며, 더 간단하고 안전한 설계였고, 비용은 PWR2b와 거의 같았다.[18] PWR3는 PWR2보다 부품 수가 30% 적다.[22]2011년 3월, 리암 폭스 국방장관은 "원자로가 더 나은 안전성을 제공하기 때문에" PWR3를 선호한다고 밝혔다.[23][24] 2011년 5월, 국방부는 PWR3가 차기함(2016년 이후 ''드레드노트''급으로 명명)으로 선정되었다고 발표했다.[18][25] PWR3는 PWR2 설계보다 척당 구매 및 운용 비용이 약 5000만파운드 더 들지만, 25년 수명 동안 PWR2보다 더 긴 수명으로 상쇄된다.[18] PWR3는 원자로 노심 시제품 시험이 필요하지 않고, 대신 계산 모델링이 사용된다.[26][27] 그 결과, 벌컨 NRTE에 있는 해안 시험 시설(STF) 원자로는 2015년에 폐쇄되었다.[28]
2012년 6월, 국방부는 롤스로이스에 ''드레드노트''급 원자로와 HMS ''아진코트'' 생산을 위해 6억파운드 계약을 체결했다.[29] 국방부는 또한 PWR3를 제조하고 공장 수명을 2056년까지 연장하기 위해 더비에 있는 롤스로이스 해양 동력 운영 원자로 노심 제조 공장을 개조하는 데 롤스로이스에 추가로 5억파운드를 지원했다.[29][30] 2020년 1월, 영국 국립 감사원은 공장 건설이 5년 지연되어 현재 2026년에 가동될 것으로 예상된다고 보고했다.[30][31]
;잠수함
5. 제조 회사
롤스로이스(Rolls-Royce)는 영국의 핵잠수함용 원자로 개발 및 생산을 담당하고 있다. 1954년 비커스, 포스터 휠러, 그리고 이후 밥콕 앤 윌콕스가 참여하여 설립한 합작 회사 롤스로이스 앤 어소시에이츠(Rolls-Royce and Associates)는 1999년 1월 15일 롤스로이스 마린 파워 오퍼레이션즈(Rolls-Royce Marine Power Operations Limited)로 사명을 변경하고 롤스로이스의 해양 비즈니스 부문의 일부가 되었다. 2008년 8월 1일에는 롤스로이스 서브마린즈(Rolls-Royce Submarines Limited)로 다시 사명을 변경했다.[60]
롤스로이스 서브마린즈는 핵물질 취급 면허를 취득한 3개의 지역에서 운영하고 있다.
지역 | 위치 | 면허 취득 시기 | 주요 시설 및 역할 |
---|---|---|---|
제조 지구 (Manufacturing Site) | 더비 레인즈웨이 | 1960년 8월 | 영국 해군의 잠수함용 우라늄 연료 처리 및 PWR 원자로 노심 제조 |
넵튠 방사성 부품 시설 지구 (The Neptune/Radioactive Components Facility Site) | 더비 레인즈웨이 | 1961년 11월 | 원자로 노심 실험을 위한 넵튠 시험 원자로 설치 |
벌칸 해군 원자로 시험 시설 | 던레이 | - | 원자력 잠수함 탑재 전 원자로 시험 수행 |
참조
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웹사이트
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Rolls-Royce Submarines
2021-09-29
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[3]
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[4]
서적
The End Of An Era: The Memoirs Of a Naval Constructor
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[5]
서적
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Naval Institute Press
1995
[6]
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Expert warned MoD on safety of Rolls-Royce nuclear sub reactors
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Nuclear submarine to get new core after test reactor problem
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[14]
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