新一代小型模塊堆（SMR）正在鼓勵供應商和監(jiān)管機構考慮新的數(shù)字儀控（I&C）設計。盡管儀控技術在核電站的總資本投資中占比相對較小，但儀控在核電站的安全性、可靠性和高效運行方面發(fā)揮著巨大作用。
1、SMR中的儀控應用
認識到儀控技術的潛在優(yōu)勢，美國核管理委員會（NRC）和其他監(jiān)管機構開始重視核設施中的數(shù)字儀控技術。目前正在開發(fā)的新一代SMR尤其適合采用新的數(shù)字儀控技術解決方案。相比于全規(guī)模核電站，SMR的成本、選址和安全方面具有更多優(yōu)勢，但缺乏一定的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。在操作和維護（O&M）職能部門的人員配備方面尤其如此。
SMR設計優(yōu)點主要為，在出現(xiàn)問題時減少人為干預。新的數(shù)字自動化技術仍有大量機會來改善SMR性能、降低運維成本，并進一步提高整體安全性。
Moltex Energy的首席核能主管蓋伊·安德森（Guy Anderson）強調，只要有可能，該公司的方法就是利用固有的設計特征來提供大多數(shù)控制和安全功能。SSR-W假想圖（圖源：Moltex）
Moltex Energy正在開發(fā)加拿大300 MWe的穩(wěn)定鹽反應堆廢氣燃燒器（SSR-W）SMR。他認為，盡管仍然需要儀器，但將主要用于支持操作員的監(jiān)控和顯示功能。BWRX-300（圖源：網(wǎng)絡）
GE-日立的喬恩·艾倫（Jon Allen）表示，該公司的BWRX-300 SMR，“與現(xiàn)有的LWR（輕水反應堆）機組相比，對運營商的要求有限。因為它是一種自然循環(huán)的BWR（沸水反應堆），帶有被動安全系統(tǒng)，在（發(fā)生事故）不采取措施的情況下，至少能提供七天的應對時間”。NuScale Power的小型模塊堆（圖源：網(wǎng)絡）
NuScale Power（紐斯凱爾能源公司）的營銷和通信副總裁戴安·休斯（Diane Hughes）評論說：“NuScale Power模塊設計非常安全，操作簡單，無需操作員操作，也無需復雜的自動化程序來確保安全。”
Holtec的SMR-160還設計在發(fā)生事故時將操作負載降至最低。反應堆是被動冷卻的，用于設計基準關閉。在事故情況下，反應堆冷卻劑系統(tǒng)通過熱虹吸作用繼續(xù)循環(huán)。核服務和技術供應商法馬通儀控集團的巴耶恩·拉菲（Bayen Rafeh）表示，SMR的正常運行將需要更少的人為干預，組件和架構的簡化和集成也意味著需要實現(xiàn)更少的功能，從而減少對自動化設備的需求。
2、SMR自動化趨勢
由于SMR固有的簡化性，供應商設想，新的自動化和信息技術將被用來減少操作員的基本過程控制負擔，而不是提供監(jiān)控功能，以增強態(tài)勢感知，并支持多模塊規(guī)劃和調度功能。
據(jù)Holtec電氣和儀控集團的團隊負責人帕特里克·埃斯納（Patrick Essner）說，“多個電廠負荷給運營商帶來了新的挑戰(zhàn)。
使用新技術肯定是有機會的。Holtec將使用已批準用于核服務的最新可用技術。”該公司最新設計是GE日立的BWRX-300的儀控和人機界面（HMI）。
艾倫表示，“當前的保護、控制和監(jiān)控及其相關的HMI設計方法，將按照經(jīng)驗證的指導原則和實踐來使用。HMI優(yōu)化確保操作人員能夠抓住重點。”
3、反應堆模塊的集中控制
NuScale的控制室模擬器由12個反應堆控制終端和操作員工作站組成。
為了減少操作人員，通過更少的操作員在一個SMR設施內同時監(jiān)測和控制多個SMR，大多數(shù)將配備中央控制室。
NuScale Power公司正在開發(fā)77 MWe的NuScale功率模塊，該公司的休斯評論道，“美國的大多數(shù)核電站由單反應堆或雙反應堆組成，目前的法規(guī)將一個控制室控制的反應堆數(shù)量限制為兩個。”
“SMR控制室很可能是全數(shù)字的，并改變目前模擬核電站控制室中存在的運行模式。……NuScale開發(fā)已獲得NRC批準，允許在一個控制室中操作多達12個NuScale電源模塊。”Holtec的埃斯納表示，“我們的總體目標是使系統(tǒng)操作簡單、安全。”
為此，整個工廠將有一個單一的操作界面。總體控制理念是集中控制室，以簡化操作，提高操作員的效率。安全系統(tǒng)和非安全系統(tǒng)是分開的，但可以相互通信以簡化操作。“控制系統(tǒng)基本上是一個帶有遠程I/O[輸入輸出]柜的集中控制器和控制室。”他補充說，核電站規(guī)模相對較小，這意味著布線要求比全尺寸核電站簡單得多。
法馬通設想，多模塊SMR工廠可以共享一個主控制室，但在設計的早期階段將需要大量的人為因素工程和模擬。
4、工廠安裝的儀表
由于SMR概念要求，反應堆和其他模塊在工廠制造，然后運至現(xiàn)場進行最終組裝，因此產(chǎn)生的問題是，是否大部分儀表和相關電纜也將在工廠安裝和驗證。
休斯表示，與保護和控制過程相關的NuScale電源模塊的儀表，將在工廠制造和組裝期間盡可能嵌入，用于電廠平衡的儀控部件將在電廠施工活動期間安裝。Holtec的埃斯納表示，“模塊化的目標是簡化工廠建設。這包括在合理的情況下利用工廠安裝的儀器。”GE日立和Moltex還計劃在工廠安裝至少一些儀器。
5、商用安全和非安全系統(tǒng)
按照核監(jiān)管機構的要求，SMR設施將繼續(xù)使用完全不同且基本獨立的系統(tǒng)，以適用于安全和非安全電廠應用。
雖然其中許多系統(tǒng)將基于成熟的商用平臺，但其他系統(tǒng)將使用定制開發(fā)的解決方案。NuScale的安全保護系統(tǒng)平臺，主要基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術。
該系統(tǒng)采用專利移除電源驅動設計。非安全控制系統(tǒng)的供應商，NuScale將在未來幾個月公布，將利用NuScale在開發(fā)電廠控制室模擬器時進行的廣泛設計和測試。
Holtec已與日本三菱電機合作，將該公司的MELTAC Nplus數(shù)字安全控制器用于安全控制，將MELTAC-RX系統(tǒng)用于非安全控制。這些系統(tǒng)已在日本獲得認證，并被美國NRC接受用于數(shù)字安全系統(tǒng)。
GE日立正在采取以國際原子能機構（IAEA）和國際電工委員會（IEC）為中心的方法，提供“一種清晰、明確、合理的安全戰(zhàn)略方法，具有確定性和基于風險的防線”。
該公司認為，該框架支持現(xiàn)代數(shù)字儀控解決方案的實施，因為核監(jiān)管機構和其他利益相關者更容易理解體系結構和風險。安全等級2和3以及非安全儀控系統(tǒng)中的控制裝置，將為商用硬件和軟件。安全等級1將是商用和專有系統(tǒng)的混合。
Moltex的設計基礎是，控制和監(jiān)控系統(tǒng)，將采用標準的數(shù)字工業(yè)過程控制技術。然而，任何保護設備都可能是硬接線的。Moltex正在與幾家公司討論，以確定它們是否適合作為首選儀器和部件供應商。
法馬通的模塊化、商用數(shù)字安全平臺Teleperm XS Compact專為小型分散的一級系統(tǒng)設計，適用于SMR應用。據(jù)該公司稱，其設計簡化了資格認證。該公司還提供其強硬的非編程安全平臺和中子儀器系統(tǒng)。
6、模擬技術應用
雖然幾十年來，模擬技術在核電行業(yè)以某種方式得到了應用，但對于SMR來說，這項技術似乎正在走向成熟。包括使用高保真模擬器來支持監(jiān)管機構的驗收，以及前期工程和設計、優(yōu)化和持續(xù)運行與維護。例如，NuScale已經(jīng)建立了一個控制室模擬器，該公司用它來測試和證明新的數(shù)字接口對電廠運行是安全有效的。Holtec將使用模擬器在工廠對其系統(tǒng)進行預驗證。法馬通的子公司CORYS已經(jīng)為電力和其他行業(yè)提供培訓和工程模擬器超過30年。
7、遠程監(jiān)控和診斷
由于許多SMR設施可能建在偏遠地區(qū)，且現(xiàn)場資源有限，一旦克服了相關的網(wǎng)絡安全和監(jiān)管障礙，遠程監(jiān)控和診斷功能似乎非常適合。
NuScale的休斯表示，“分析、機器學習和人工智能都可以用來優(yōu)化預測性維護模型，以最大限度地提高可靠性，最大限度地減少成本和停機時間。”NuScale的服務交付計劃還將能夠為所有客戶操作和維護數(shù)據(jù)提供一個中央存儲庫，使該公司能夠在其未來的工廠群中微調預測性維護計劃。
GE 日立的艾倫表示：“先進的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取、組織和歸檔電廠過程數(shù)據(jù)及其下游分析應用程序，對于實現(xiàn)狀態(tài)和預測性維護解決方案至關重要。”GE日立還致力于將所需的儀器納入其設計，并解決網(wǎng)絡安全問題，以便能夠利用GE在多個行業(yè)的遠程監(jiān)控和預測性維護方面的現(xiàn)有優(yōu)勢。
8、更多的創(chuàng)新即將到來
