一、三種SMR的關鍵技術 

許多反應堆使用與當前千兆瓦級反應堆類似的三代+壓水堆(PWR)技術，而其他反應堆則基于先進四代堆技術，包括高溫氣冷堆和熔鹽堆。 對于反應堆、機島和電廠輔助設施的運行、監測和控制，每種設計中都有自己的儀表和控制(I&C)系統要求。即使在PWR中，設計原則和儀控體系結構區別也很大，所以很難從一個設計復制到另一個設計。 為了理解儀控方面遇到的挑戰，以以下三種設計為例：

表1：三種SMR的關鍵技術設計參數 1、 英國(UK)

1、英國（UK）

英國的SMR，該設計由勞斯萊斯(Rolls-Royce)、雅各布(Jacobs)、Assystem和Atkins等公司組成的財團聯合支持，由核能AMRC等研究機構負責進行開發; 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堆冷卻劑泵，各驅動冷卻劑一個相應的垂直U形管蒸汽發生器中。

冷卻系統主要是強制循環流，但對于被動衰變熱排出，也配置有自然循環流。 儀控系統通常要求包括：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化。

根據大型核電站的最佳實踐經驗，英國SMR的儀控架構包括：反應堆保護系統、硬接線“多樣性保護系統”(HDPS)、反應堆設備控制系統、燃料裝卸保護系統、燃料路線和危險品監測系統，以及嚴重事故管理系統。

硬線技術優先邏輯系統可以進行仲裁，如果發出故障信號，反應堆保護系統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字傳感器，與轉換器在硬接線多通道數字電氣網絡上進行通信。

反應堆廠房控制系統將采用工業可編程邏輯控制器或分布式控制系統。

英國SMR設計團隊正研究開發智能儀器和智能設備的應用，以使平臺現代化，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、安全控制和嚴重事故時、事故發生后管理系統的輔助控制室，作為事故后電廠運行的備用。

非安全相關儀控系統包括分布式控制、網絡通信和傳感器、轉換器和儀表，自動化系統。 英國SMR開發處于一個相對早期階段，到目前為止，儀控設計開發主要集中在反應堆及安全相關的系統上。勞斯萊斯的模塊技術很可能被用作安全儀控系統的基礎。

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; 紐斯凱爾能源模塊堆有兩個內部螺旋線圈蒸汽發生器，位于一個地下高壓安全殼內，該容器放在不銹鋼內襯的混凝土水池中，使用浮力驅動的自然循環原理運行，即使在瞬態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獨立工作，同一個水池中最多有12個模塊。該設計還具有兩個冗余的非能動安全系統(衰變熱排出系統和安全殼排熱系統)，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)提交了設計認證申請，于2020年8月獲得設計批準。

能源模塊儀控系統包括一個基于現場可編程門陣列(FPGA)技術的全數字控制系統，遵循獨立性、冗余性、可預測性和可重復性、分集性和縱深防御的原則。 紐斯凱爾在儀控相關領域(包括堆芯監測、遠程監測和控制棒驅動機構)獲得了約14項專利。

儀控體系結構包括一個模塊保護系統和中子監測系統(被歸類為安全相關系統)，以及核電站保護系統、安全顯示和指示系統、模塊控制系統、電站控制系統、堆芯儀表系統、健康物理網絡和固定區域輻射監測。

模塊保護系統使用高度集成保護系統(HIPS)平臺，而且該平臺已獲得NRC批準。基于FPGA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堆安全系統。

紐斯凱爾的控制室還設計了一些獨特的功能。空間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-系統接口的一部分。 紐斯凱爾的設計團隊還為操作人員設計了一個連貫屏幕基程序——操作員可以在一個控制室監控多個反應堆發電廠。

3、西屋(Westinghouse)

西屋SMR，采用AP1000設計技術。

西屋公司的SMR，反應堆容器和非能動堆芯冷卻系統都位于一個地下高壓鋼制安全殼中。冷卻系統是八個屏蔽電機泵，水平安裝在密封法蘭下方的壓力容器外殼上，可以驅動冷卻液。

儀控系統采用Ovation數字控制系統平臺，該平臺已經經過驗證，并獲得了NRC批準，目前已在AP1000電廠中部署。 西屋SMR儀控系統主要繼承自AP1000，包括保護和監測系統、多樣性驅動系統、核電廠控制系統、數據顯示和處理系統、操作和控制中心系統、輻射監測系統、堆芯儀表系統，特殊監控系統和汽輪機操作系統。

保護和監控系統提供適當的安全相關功能，以保持核電廠處于安全停堆狀態，并控制從主控室或遠程停堆工作站操作的非安全相關部件。 其他系統與安全無關。多樣性驅動系統提供了兩個替代方法，啟動反應堆停堆和啟動選定專設工程安全設施。

二、傳感器、儀器和智能設備

由于這些SMR設計基于久經考驗的PWR技術，大多數傳感器和儀表都是已通過核工業認證的現成產品。將這些應用于SMR相對簡單。 其他基于四代堆技術的SMR設計，可能需要新型的先進傳感器，目前尚在開發階段。

據報道，原型堆技術使用約翰遜噪聲測溫法、光纖和超聲波傳感器等技術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，以上設計都不會獲得SMR應用認證，更不可能進行商業化推廣。

與人工控制的模擬系統相比，數字化在自動化和可靠性方面具有巨大優勢。 數字智能設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，由于數字化和自動化，俄羅斯Novovoronezh II的操作人員數量縮減30-40%。

然而，采用最新的數字組件和儀控技術，將會給SMR設計師、許可證持有人和監管機構帶來新的挑戰，尤其是需要資質認證的智能設備。 網絡安全問題對于數字儀控系統認證至關重要。

據美國國土安全部下屬的工業控制系統網絡應急小組(Industrial Control Systems Cyber Emergency Response Team)稱，近年來，針對控制系統的網絡攻擊和安全侵權行為大幅增加。隨著越來越多的數字智能設備應用于各種核電站，當務之急是保護智能設備和數字儀控系統免受黑客組織的網絡攻擊和惡意侵入。

在英國，針對核安全關鍵應用中使用的智能儀器和設備，儀控核工業論壇為開發出了一種創新性評估工具——Emphasis(智能儀表對于安全性的高完整性應用任務的必要性評估)，目前該工具應用評估良好，符合IEC61508和ISO9001標準，已獲得英國核監管局(ONR)認證。

三、規范、標準和法規

盡管SMR商業概念已經提出了幾十年，但還沒有一個國家擁有由專用SMR相關標準執行的儀控系統、結構和組件的許可證或認證程序。

SMR行業必須與規范和標準組織合作，以應對具體變化帶來的挑戰，并與學術界和研究機構合作制定規范和標準。 現有標準可以相對容易地適用于PWR型SMR，因為行業和監管機構在大型PWR規范和標準方面擁有足夠的經驗和知識。但在大多數情況下，需要為先進堆制定新的規范和標準。

新規范和標準的制定是一個非常漫長的過程。發布核工業的新標準需要資源和時間，在新的SMR開發人員提交設計認證申請之前，我們可能還看不到一個新標準。

四、市場準備就緒

在美國，NRC最近完成了紐斯凱爾的設計認證申請，并向田納西河谷管理局(Tennessee Valley Authority)簽發了一份早期現場施工許可證，允許在Clinch River現場建造兩個或多個未明確設計的SMR。

在英國，ONR成立了一個專門的先進核技術團隊，負責監督SMR和先進模塊堆技術流程。英國SMR項目組的目標是，及時完成ONR的通用設計評估過程，以便在2025年開始建造第一座同類電廠。

許多SMR設計，包括上述三種設計，都有可能用于循環熱聯合發電、區域供熱或海水淡化工程。 如果出于經濟原因，熱電聯產過程位于同一地點，這將增加監管機構批準電廠儀控設計的復雜性，因為必須考慮額外的安全措施。例如，控制系統的附加安全功能和疏散計劃必須經管轄當局批準，以便在發生事故時有序關閉核電站和工業電廠。