一、三種SMR的關(guān)鍵技術(shù)
許多反應(yīng)堆使用與當(dāng)前千兆瓦級反應(yīng)堆類似的三代+壓水堆(PWR)技術(shù)，而其他反應(yīng)堆則基于先進四代堆技術(shù)，包括高溫氣冷堆和熔鹽堆。 對于反應(yīng)堆、機島和電廠輔助設(shè)施的運行、監(jiān)測和控制，每種設(shè)計中都有自己的儀表和控制(I&C)系統(tǒng)要求。即使在PWR中，設(shè)計原則和儀控體系結(jié)構(gòu)區(qū)別也很大，所以很難從一個設(shè)計復(fù)制到另一個設(shè)計。 為了理解儀控方面遇到的挑戰(zhàn)，以以下三種設(shè)計為例：
表1：三種SMR的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計參數(shù) 1、 英國(UK)
1、英國（UK）
英國的SMR，該設(shè)計由勞斯萊斯(Rolls-Royce)、雅各布(Jacobs)、Assystem和Atkins等公司組成的財團聯(lián)合支持，由核能AMRC等研究機構(gòu)負責(zé)進行開發(fā); 英國SMR是一個三軸對稱的三回路緊密耦合壓水堆，每個回路都有一個反應(yīng)堆冷卻劑泵，各驅(qū)動冷卻劑一個相應(yīng)的垂直U形管蒸汽發(fā)生器中。
冷卻系統(tǒng)主要是強制循環(huán)流，但對于被動衰變熱排出，也配置有自然循環(huán)流。 儀控系統(tǒng)通常要求包括：安全性方面具有冗余性、多樣性和縱深防御性特點，同時操作界面也需進行優(yōu)化。
根據(jù)大型核電站的最佳實踐經(jīng)驗，英國SMR的儀控架構(gòu)包括：反應(yīng)堆保護系統(tǒng)、硬接線“多樣性保護系統(tǒng)”(HDPS)、反應(yīng)堆設(shè)備控制系統(tǒng)、燃料裝卸保護系統(tǒng)、燃料路線和危險品監(jiān)測系統(tǒng)，以及嚴(yán)重事故管理系統(tǒng)。
硬線技術(shù)優(yōu)先邏輯系統(tǒng)可以進行仲裁，如果發(fā)出故障信號，反應(yīng)堆保護系統(tǒng)就可以下達安全停堆命令。得益于HDPS的多樣性，在這個過程中，使用的是混合模擬和不可編程數(shù)字傳感器，與轉(zhuǎn)換器在硬接線多通道數(shù)字電氣網(wǎng)絡(luò)上進行通信。
反應(yīng)堆廠房控制系統(tǒng)將采用工業(yè)可編程邏輯控制器或分布式控制系統(tǒng)。
英國SMR設(shè)計團隊正研究開發(fā)智能儀器和智能設(shè)備的應(yīng)用，以使平臺現(xiàn)代化，提高營運效率。
英國SMR儀控平臺還有一個帶顯示器、警報和手動控制的主控室，配有基本站控、HDPS、安全控制和嚴(yán)重事故時、事故發(fā)生后管理系統(tǒng)的輔助控制室，作為事故后電廠運行的備用。
非安全相關(guān)儀控系統(tǒng)包括分布式控制、網(wǎng)絡(luò)通信和傳感器、轉(zhuǎn)換器和儀表，自動化系統(tǒng)。 英國SMR開發(fā)處于一個相對早期階段，到目前為止，儀控設(shè)計開發(fā)主要集中在反應(yīng)堆及安全相關(guān)的系統(tǒng)上。勞斯萊斯的模塊技術(shù)很可能被用作安全儀控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
2、紐斯凱爾能源(NuScale Power)
紐斯凱爾(NuScale)能源模塊堆，由美國能源部資助的福陸公司(Fluor Corporation)進行開發(fā); 紐斯凱爾能源模塊堆有兩個內(nèi)部螺旋線圈蒸汽發(fā)生器，位于一個地下高壓安全殼內(nèi)，該容器放在不銹鋼內(nèi)襯的混凝土水池中，使用浮力驅(qū)動的自然循環(huán)原理運行，即使在瞬態(tài)或事故情況下也可保持運行。
每個能源模塊在多模塊配置中的獨立隔間內(nèi)獨立工作，同一個水池中最多有12個模塊。該設(shè)計還具有兩個冗余的非能動安全系統(tǒng)(衰變熱排出系統(tǒng)和安全殼排熱系統(tǒng))，以允許衰變熱到達安全殼池。
紐斯凱爾公司于2016年末向美國核管理委員會(NRC)提交了設(shè)計認證申請，于2020年8月獲得設(shè)計批準(zhǔn)。
能源模塊儀控系統(tǒng)包括一個基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)的全數(shù)字控制系統(tǒng)，遵循獨立性、冗余性、可預(yù)測性和可重復(fù)性、分集性和縱深防御的原則。 紐斯凱爾在儀控相關(guān)領(lǐng)域(包括堆芯監(jiān)測、遠程監(jiān)測和控制棒驅(qū)動機構(gòu))獲得了約14項專利。
儀控體系結(jié)構(gòu)包括一個模塊保護系統(tǒng)和中子監(jiān)測系統(tǒng)(被歸類為安全相關(guān)系統(tǒng))，以及核電站保護系統(tǒng)、安全顯示和指示系統(tǒng)、模塊控制系統(tǒng)、電站控制系統(tǒng)、堆芯儀表系統(tǒng)、健康物理網(wǎng)絡(luò)和固定區(qū)域輻射監(jiān)測。
模塊保護系統(tǒng)使用高度集成保護系統(tǒng)(HIPS)平臺，而且該平臺已獲得NRC批準(zhǔn)?；贔PGA的HIPS平臺包括可編程模塊，這些模塊可以與多種配置互連，支持各種類型的反應(yīng)堆安全系統(tǒng)。
紐斯凱爾的控制室還設(shè)計了一些獨特的功能?？臻g布局和控制面板采用最先進的模擬器，作為綜合人因工程和人-系統(tǒng)接口的一部分。 紐斯凱爾的設(shè)計團隊還為操作人員設(shè)計了一個連貫屏幕基程序——操作員可以在一個控制室監(jiān)控多個反應(yīng)堆發(fā)電廠。
3、西屋(Westinghouse)
西屋SMR，采用AP1000設(shè)計技術(shù)。
西屋公司的SMR，反應(yīng)堆容器和非能動堆芯冷卻系統(tǒng)都位于一個地下高壓鋼制安全殼中。冷卻系統(tǒng)是八個屏蔽電機泵，水平安裝在密封法蘭下方的壓力容器外殼上，可以驅(qū)動冷卻液。
儀控系統(tǒng)采用Ovation數(shù)字控制系統(tǒng)平臺，該平臺已經(jīng)經(jīng)過驗證，并獲得了NRC批準(zhǔn)，目前已在AP1000電廠中部署。 西屋SMR儀控系統(tǒng)主要繼承自AP1000，包括保護和監(jiān)測系統(tǒng)、多樣性驅(qū)動系統(tǒng)、核電廠控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)、操作和控制中心系統(tǒng)、輻射監(jiān)測系統(tǒng)、堆芯儀表系統(tǒng)，特殊監(jiān)控系統(tǒng)和汽輪機操作系統(tǒng)。
保護和監(jiān)控系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)陌踩嚓P(guān)功能，以保持核電廠處于安全停堆狀態(tài)，并控制從主控室或遠程停堆工作站操作的非安全相關(guān)部件。 其他系統(tǒng)與安全無關(guān)。多樣性驅(qū)動系統(tǒng)提供了兩個替代方法，啟動反應(yīng)堆停堆和啟動選定專設(shè)工程安全設(shè)施。
二、傳感器、儀器和智能設(shè)備
由于這些SMR設(shè)計基于久經(jīng)考驗的PWR技術(shù)，大多數(shù)傳感器和儀表都是已通過核工業(yè)認證的現(xiàn)成產(chǎn)品。將這些應(yīng)用于SMR相對簡單。 其他基于四代堆技術(shù)的SMR設(shè)計，可能需要新型的先進傳感器，目前尚在開發(fā)階段。
據(jù)報道，原型堆技術(shù)使用約翰遜噪聲測溫法、光纖和超聲波傳感器等技術(shù)來測量不同類型冷卻劑的溫度、壓力和流量。然而，在未來幾年內(nèi)，以上設(shè)計都不會獲得SMR應(yīng)用認證，更不可能進行商業(yè)化推廣。
與人工控制的模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字化在自動化和可靠性方面具有巨大優(yōu)勢。 數(shù)字智能設(shè)備越來越多地用于運營工廠的升級和新建——例如，最近有報道稱，由于數(shù)字化和自動化，俄羅斯Novovoronezh II的操作人員數(shù)量縮減30-40%。
然而，采用最新的數(shù)字組件和儀控技術(shù)，將會給SMR設(shè)計師、許可證持有人和監(jiān)管機構(gòu)帶來新的挑戰(zhàn)，尤其是需要資質(zhì)認證的智能設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)安全問題對于數(shù)字儀控系統(tǒng)認證至關(guān)重要。
據(jù)美國國土安全部下屬的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急小組(Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team)稱，近年來，針對控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊和安全侵權(quán)行為大幅增加。隨著越來越多的數(shù)字智能設(shè)備應(yīng)用于各種核電站，當(dāng)務(wù)之急是保護智能設(shè)備和數(shù)字儀控系統(tǒng)免受黑客組織的網(wǎng)絡(luò)攻擊和惡意侵入。
在英國，針對核安全關(guān)鍵應(yīng)用中使用的智能儀器和設(shè)備，儀控核工業(yè)論壇為開發(fā)出了一種創(chuàng)新性評估工具——Emphasis(智能儀表對于安全性的高完整性應(yīng)用任務(wù)的必要性評估)，目前該工具應(yīng)用評估良好，符合IEC61508和ISO9001標(biāo)準(zhǔn)，已獲得英國核監(jiān)管局(ONR)認證。
三、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)
盡管SMR商業(yè)概念已經(jīng)提出了幾十年，但還沒有一個國家擁有由專用SMR相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的儀控系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和組件的許可證或認證程序。
SMR行業(yè)必須與規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)組織合作，以應(yīng)對具體變化帶來的挑戰(zhàn)，并與學(xué)術(shù)界和研究機構(gòu)合作制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)可以相對容易地適用于PWR型SMR，因為行業(yè)和監(jiān)管機構(gòu)在大型PWR規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)方面擁有足夠的經(jīng)驗和知識。但在大多數(shù)情況下，需要為先進堆制定新的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定是一個非常漫長的過程。發(fā)布核工業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)需要資源和時間，在新的SMR開發(fā)人員提交設(shè)計認證申請之前，我們可能還看不到一個新標(biāo)準(zhǔn)。
四、市場準(zhǔn)備就緒
在美國，NRC最近完成了紐斯凱爾的設(shè)計認證申請，并向田納西河谷管理局(Tennessee Valley Authority)簽發(fā)了一份早期現(xiàn)場施工許可證，允許在Clinch River現(xiàn)場建造兩個或多個未明確設(shè)計的SMR。
在英國，ONR成立了一個專門的先進核技術(shù)團隊，負責(zé)監(jiān)督SMR和先進模塊堆技術(shù)流程。英國SMR項目組的目標(biāo)是，及時完成ONR的通用設(shè)計評估過程，以便在2025年開始建造第一座同類電廠。
許多SMR設(shè)計，包括上述三種設(shè)計，都有可能用于循環(huán)熱聯(lián)合發(fā)電、區(qū)域供熱或海水淡化工程。 如果出于經(jīng)濟原因，熱電聯(lián)產(chǎn)過程位于同一地點，這將增加監(jiān)管機構(gòu)批準(zhǔn)電廠儀控設(shè)計的復(fù)雜性，因為必須考慮額外的安全措施。例如，控制系統(tǒng)的附加安全功能和疏散計劃必須經(jīng)管轄當(dāng)局批準(zhǔn)，以便在發(fā)生事故時有序關(guān)閉核電站和工業(yè)電廠。
