分析：小型模块堆的仪控挑战

一、三种SMR的关键技术

许多反应堆使用与当前千兆瓦级反应堆类似的三代+压水堆(PWR)技术，而其他反应堆则基于先进四代堆技术，包括高温气冷堆和熔盐堆。 对于反应堆、机岛和电厂辅助设施的运行、监测和控制，每种设计中都有自己的仪表和控制(I&C)系统要求。即使在PWR中，设计原则和仪控体系结构区别也很大，所以很难从一个设计复制到另一个设计。 为了理解仪控方面遇到的挑战，以以下三种设计为例：

1、英国（UK）

英国的SMR，该设计由劳斯莱斯(Rolls-Royce)、雅各布(Jacobs)、Assystem和Atkins等公司组成的财团联合支持，由核能AMRC等研究机构负责进行开发; 英国SMR是一个三轴对称的三回路紧密耦合压水堆，每个回路都有一个反应堆冷却剂泵，各驱动冷却剂一个相应的垂直U形管蒸汽发生器中。

冷却系统主要是强制循环流，但对于被动衰变热排出，也配置有自然循环流。 仪控系统通常要求包括：安全性方面具有冗余性、多样性和纵深防御性特点，同时操作界面也需进行优化。

根据大型核电站的最佳实践经验，英国SMR的仪控架构包括：反应堆保护系统、硬接线“多样性保护系统”(HDPS)、反应堆设备控制系统、燃料装卸保护系统、燃料路线和危险品监测系统，以及严重事故管理系统。

硬线技术优先逻辑系统可以进行仲裁，如果发出故障信号，反应堆保护系统就可以下达安全停堆命令。得益于HDPS的多样性，在这个过程中，使用的是混合模拟和不可编程数字传感器，与转换器在硬接线多通道数字电气网络上进行通信。

反应堆厂房控制系统将采用工业可编程逻辑控制器或分布式控制系统。

英国SMR设计团队正研究开发智能仪器和智能设备的应用，以使平台现代化，提高营运效率。

英国SMR仪控平台还有一个带显示器、警报和手动控制的主控室，配有基本站控、HDPS、安全控制和严重事故时、事故发生后管理系统的辅助控制室，作为事故后电厂运行的备用。

非安全相关仪控系统包括分布式控制、网络通信和传感器、转换器和仪表，自动化系统。 英国SMR开发处于一个相对早期阶段，到目前为止，仪控设计开发主要集中在反应堆及安全相关的系统上。劳斯莱斯的模块技术很可能被用作安全仪控系统的基础。

2、纽斯凯尔能源(NuScale Power)

纽斯凯尔(NuScale)能源模块堆，由美国能源部资助的福陆公司(Fluor Corporation)进行开发; 纽斯凯尔能源模块堆有两个内部螺旋线圈蒸汽发生器，位于一个地下高压安全壳内，该容器放在不锈钢内衬的混凝土水池中，使用浮力驱动的自然循环原理运行，即使在瞬态或事故情况下也可保持运行。

每个能源模块在多模块配置中的独立隔间内独立工作，同一个水池中最多有12个模块。该设计还具有两个冗余的非能动安全系统(衰变热排出系统和安全壳排热系统)，以允许衰变热到达安全壳池。

纽斯凯尔公司于2016年末向美国核管理委员会(NRC)提交了设计认证申请，于2020年8月获得设计批准。

能源模块仪控系统包括一个基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的全数字控制系统，遵循独立性、冗余性、可预测性和可重复性、分集性和纵深防御的原则。 纽斯凯尔在仪控相关领域(包括堆芯监测、远程监测和控制棒驱动机构)获得了约14项专利。

仪控体系结构包括一个模块保护系统和中子监测系统(被归类为安全相关系统)，以及核电站保护系统、安全显示和指示系统、模块控制系统、电站控制系统、堆芯仪表系统、健康物理网络和固定区域辐射监测。

模块保护系统使用高度集成保护系统(HIPS)平台，而且该平台已获得NRC批准。基于FPGA的HIPS平台包括可编程模块，这些模块可以与多种配置互连，支持各种类型的反应堆安全系统。

纽斯凯尔的控制室还设计了一些独特的功能。空间布局和控制面板采用最先进的模拟器，作为综合人因工程和人-系统接口的一部分。 纽斯凯尔的设计团队还为操作人员设计了一个连贯屏幕基程序——操作员可以在一个控制室监控多个反应堆发电厂。

3、西屋(Westinghouse)

西屋SMR，采用AP1000设计技术。

西屋公司的SMR，反应堆容器和非能动堆芯冷却系统都位于一个地下高压钢制安全壳中。冷却系统是八个屏蔽电机泵，水平安装在密封法兰下方的压力容器外壳上，可以驱动冷却液。

仪控系统采用Ovation数字控制系统平台，该平台已经经过验证，并获得了NRC批准，目前已在AP1000电厂中部署。 西屋SMR仪控系统主要继承自AP1000，包括保护和监测系统、多样性驱动系统、核电厂控制系统、数据显示和处理系统、操作和控制中心系统、辐射监测系统、堆芯仪表系统，特殊监控系统和汽轮机操作系统。

保护和监控系统提供适当的安全相关功能，以保持核电厂处于安全停堆状态，并控制从主控室或远程停堆工作站操作的非安全相关部件。 其他系统与安全无关。多样性驱动系统提供了两个替代方法，启动反应堆停堆和启动选定专设工程安全设施。

二、传感器、仪器和智能设备

由于这些SMR设计基于久经考验的PWR技术，大多数传感器和仪表都是已通过核工业认证的现成产品。将这些应用于SMR相对简单。 其他基于四代堆技术的SMR设计，可能需要新型的先进传感器，目前尚在开发阶段。

据报道，原型堆技术使用约翰逊噪声测温法、光纤和超声波传感器等技术来测量不同类型冷却剂的温度、压力和流量。然而，在未来几年内，以上设计都不会获得SMR应用认证，更不可能进行商业化推广。

与人工控制的模拟系统相比，数字化在自动化和可靠性方面具有巨大优势。 数字智能设备越来越多地用于运营工厂的升级和新建——例如，最近有报道称，由于数字化和自动化，俄罗斯Novovoronezh II的操作人员数量缩减30-40%。

然而，采用最新的数字组件和仪控技术，将会给SMR设计师、许可证持有人和监管机构带来新的挑战，尤其是需要资质认证的智能设备。 网络安全问题对于数字仪控系统认证至关重要。

据美国国土安全部下属的工业控制系统网络应急小组(Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team)称，近年来，针对控制系统的网络攻击和安全侵权行为大幅增加。随着越来越多的数字智能设备应用于各种核电站，当务之急是保护智能设备和数字仪控系统免受黑客组织的网络攻击和恶意侵入。

在英国，针对核安全关键应用中使用的智能仪器和设备，仪控核工业论坛为开发出了一种创新性评估工具——Emphasis(智能仪表对于安全性的高完整性应用任务的必要性评估)，目前该工具应用评估良好，符合IEC61508和ISO9001标准，已获得英国核监管局(ONR)认证。

三、规范、标准和法规

尽管SMR商业概念已经提出了几十年，但还没有一个国家拥有由专用SMR相关标准执行的仪控系统、结构和组件的许可证或认证程序。

SMR行业必须与规范和标准组织合作，以应对具体变化带来的挑战，并与学术界和研究机构合作制定规范和标准。 现有标准可以相对容易地适用于PWR型SMR，因为行业和监管机构在大型PWR规范和标准方面拥有足够的经验和知识。但在大多数情况下，需要为先进堆制定新的规范和标准。

新规范和标准的制定是一个非常漫长的过程。发布核工业的新标准需要资源和时间，在新的SMR开发人员提交设计认证申请之前，我们可能还看不到一个新标准。

四、市场准备就绪

在美国，NRC最近完成了纽斯凯尔的设计认证申请，并向田纳西河谷管理局(Tennessee Valley Authority)签发了一份早期现场施工许可证，允许在Clinch River现场建造两个或多个未明确设计的SMR。

在英国，ONR成立了一个专门的先进核技术团队，负责监督SMR和先进模块堆技术流程。英国SMR项目组的目标是，及时完成ONR的通用设计评估过程，以便在2025年开始建造第一座同类电厂。

许多SMR设计，包括上述三种设计，都有可能用于循环热联合发电、区域供热或海水淡化工程。 如果出于经济原因，热电联产过程位于同一地点，这将增加监管机构批准电厂仪控设计的复杂性，因为必须考虑额外的安全措施。例如，控制系统的附加安全功能和疏散计划必须经管辖当局批准，以便在发生事故时有序关闭核电站和工业电厂。