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(jí)反應(yīng)堆類(lèi)似的三代+壓水堆(PWR)技術(shù)，而其他反應(yīng)堆則基于先進(jìn)四代堆技術(shù)，包括高溫氣冷堆和熔鹽堆。 對(duì)于反應(yīng)堆、機(jī)島和電廠輔助設(shè)施的運(yùn)行、監(jiān)測(cè)和控制，每種設(shè)計(jì)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(jì)原則和儀控體系結(jié)構(gòu)區(qū)別也很大，所以很難從一個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)制到另一個(gè)設(shè)計(jì)。 為了理解儀控方面遇到的挑戰(zhàn)，以以下三種設(shè)計(jì)為例：

表1：三種SMR的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù) 1、 英國(guó)(UK)

1、英國(guó)（UK）

英國(guó)的SMR，該設(shè)計(jì)由勞斯萊斯(Rolls-Royce)、雅各布(Jacobs)、Assystem和Atkins等公司組成的財(cái)團(tuán)聯(lián)合支持，由核能AMRC等研究機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)進(jìn)行開(kāi)發(fā); 英國(guó)SMR是一個(gè)三軸對(duì)稱(chēng)的三回路緊密耦合壓水堆，每個(gè)回路都有一個(gè)反應(yīng)堆冷卻劑泵，各驅(qū)動(dòng)冷卻劑一個(gè)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(qiáng)制循環(huán)流，但對(duì)于被動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)操作界面也需進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)大型核電站的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，英國(guó)SMR的儀控架構(gòu)包括：反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、硬接線“多樣性保護(hù)系統(tǒng)”(HDPS)、反應(yīng)堆設(shè)備控制系統(tǒng)、燃料裝卸保護(hù)系統(tǒng)、燃料路線和危險(xiǎn)品監(jiān)測(cè)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(jìn)行仲裁，如果發(fā)出故障信號(hào)，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)就可以下達(dá)安全停堆命令。得益于HDPS的多樣性，在這個(gè)過(guò)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(jìn)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(guó)SMR設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正研究開(kāi)發(fā)智能儀器和智能設(shè)備的應(yīng)用，以使平臺(tái)現(xiàn)代化，提高營(yíng)運(yùn)效率。

英國(guó)SMR儀控平臺(tái)還有一個(gè)帶顯示器、警報(bào)和手動(dòng)控制的主控室，配有基本站控、HDPS、安全控制和嚴(yán)重事故時(shí)、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(yùn)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(dòng)化系統(tǒng)。 英國(guó)SMR開(kāi)發(fā)處于一個(gè)相對(duì)早期階段，到目前為止，儀控設(shè)計(jì)開(kāi)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(guó)能源部資助的福陸公司(Fluor Corporation)進(jìn)行開(kāi)發(fā); 紐斯凱爾能源模塊堆有兩個(gè)內(nèi)部螺旋線圈蒸汽發(fā)生器，位于一個(gè)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(dòng)的自然循環(huán)原理運(yùn)行，即使在瞬態(tài)或事故情況下也可保持運(yùn)行。

每個(gè)能源模塊在多模塊配置中的獨(dú)立隔間內(nèi)獨(dú)立工作，同一個(gè)水池中最多有12個(gè)模塊。該設(shè)計(jì)還具有兩個(gè)冗余的非能動(dòng)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(dá)安全殼池。

紐斯凱爾公司于2016年末向美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)提交了設(shè)計(jì)認(rèn)證申請(qǐng)，于2020年8月獲得設(shè)計(jì)批準(zhǔn)。

能源模塊儀控系統(tǒng)包括一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)的全數(shù)字控制系統(tǒng)，遵循獨(dú)立性、冗余性、可預(yù)測(cè)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(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))獲得了約14項(xiàng)專(zhuān)利。

儀控體系結(jié)構(gòu)包括一個(gè)模塊保護(hù)系統(tǒng)和中子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(被歸類(lèi)為安全相關(guān)系統(tǒng))，以及核電站保護(hù)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(cè)。

模塊保護(hù)系統(tǒng)使用高度集成保護(hù)系統(tǒng)(HIPS)平臺(tái)，而且該平臺(tái)已獲得NRC批準(zhǔn)?；贔PGA的HIPS平臺(tái)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(lèi)型的反應(yīng)堆安全系統(tǒng)。

紐斯凱爾的控制室還設(shè)計(jì)了一些獨(dú)特的功能?？臻g布局和控制面板采用最先進(jìn)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(jì)團(tuán)隊(duì)還為操作人員設(shè)計(jì)了一個(gè)連貫屏幕基程序——操作員可以在一個(gè)控制室監(jiān)控多個(gè)反應(yīng)堆發(fā)電廠。

3、西屋(Westinghouse)

西屋SMR，采用AP1000設(shè)計(jì)技術(shù)。

西屋公司的SMR，反應(yīng)堆容器和非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)都位于一個(gè)地下高壓鋼制安全殼中。冷卻系統(tǒng)是八個(gè)屏蔽電機(jī)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(dòng)冷卻液。

儀控系統(tǒng)采用Ovation數(shù)字控制系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多樣性驅(qū)動(dòng)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(cè)系統(tǒng)、堆芯儀表系統(tǒng)，特殊監(jiān)控系統(tǒng)和汽輪機(jī)操作系統(tǒng)。

保護(hù)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(yuǎn)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(wú)關(guān)。多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了兩個(gè)替代方法，啟動(dòng)反應(yīng)堆停堆和啟動(dòng)選定專(zhuān)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(jì)基于久經(jīng)考驗(yàn)的PWR技術(shù)，大多數(shù)傳感器和儀表都是已通過(guò)核工業(yè)認(rèn)證的現(xiàn)成產(chǎn)品。將這些應(yīng)用于SMR相對(duì)簡(jiǎn)單。 其他基于四代堆技術(shù)的SMR設(shè)計(jì)，可能需要新型的先進(jìn)傳感器，目前尚在開(kāi)發(fā)階段。

據(jù)報(bào)道，原型堆技術(shù)使用約翰遜噪聲測(cè)溫法、光纖和超聲波傳感器等技術(shù)來(lái)測(cè)量不同類(lèi)型冷卻劑的溫度、壓力和流量。然而，在未來(lái)幾年內(nèi)，以上設(shè)計(jì)都不會(huì)獲得SMR應(yīng)用認(rèn)證，更不可能進(jìn)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(dòng)化和可靠性方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。 數(shù)字智能設(shè)備越來(lái)越多地用于運(yùn)營(yíng)工廠的升級(jí)和新建——例如，最近有報(bào)道稱(chēng)，由于數(shù)字化和自動(dòng)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(huì)給SMR設(shè)計(jì)師、許可證持有人和監(jiān)管機(jī)構(gòu)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，尤其是需要資質(zhì)認(rèn)證的智能設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題對(duì)于數(shù)字儀控系統(tǒng)認(rèn)證至關(guān)重要。

據(jù)美國(guó)國(guó)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(chēng)，近年來(lái)，針對(duì)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(lái)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(hù)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(guó)，針對(duì)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(kāi)發(fā)出了一種創(chuàng)新性評(píng)估工具——Emphasis(智能儀表對(duì)于安全性的高完整性應(yīng)用任務(wù)的必要性評(píng)估)，目前該工具應(yīng)用評(píng)估良好，符合IEC61508和ISO9001標(biāo)準(zhǔn)，已獲得英國(guó)核監(jiān)管局(ONR)認(rèn)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(méi)有一個(gè)國(guó)家擁有由專(zhuān)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(rèn)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(duì)具體變化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并與學(xué)術(shù)界和研究機(jī)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(duì)容易地適用于PWR型SMR，因?yàn)樾袠I(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)在大型PWR規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)方面擁有足夠的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。但在大多數(shù)情況下，需要為先進(jìn)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(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。發(fā)布核工業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)需要資源和時(shí)間，在新的SMR開(kāi)發(fā)人員提交設(shè)計(jì)認(rèn)證申請(qǐng)之前，我們可能還看不到一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。

四、市場(chǎng)準(zhǔn)備就緒

在美國(guó)，NRC最近完成了紐斯凱爾的設(shè)計(jì)認(rèn)證申請(qǐng)，并向田納西河谷管理局(Tennessee Valley Authority)簽發(fā)了一份早期現(xiàn)場(chǎng)施工許可證，允許在Clinch River現(xiàn)場(chǎng)建造兩個(gè)或多個(gè)未明確設(shè)計(jì)的SMR。

在英國(guó)，ONR成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的先進(jìn)核技術(shù)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)監(jiān)督SMR和先進(jìn)模塊堆技術(shù)流程。英國(guó)SMR項(xiàng)目組的目標(biāo)是，及時(shí)完成ONR的通用設(shè)計(jì)評(píng)估過(guò)程，以便在2025年開(kāi)始建造第一座同類(lèi)電廠。

許多SMR設(shè)計(jì)，包括上述三種設(shè)計(jì)，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(jì)原因，熱電聯(lián)產(chǎn)過(guò)程位于同一地點(diǎn)，這將增加監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)電廠儀控設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)楸仨毧紤]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(jì)劃必須經(jīng)管轄當(dāng)局批準(zhǔn)，以便在發(fā)生事故時(shí)有序關(guān)閉核電站和工業(yè)電廠。