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本研究针对小型模块化压水堆（SMR）建设成本高、空间受限及可溶硼系统经济性差等问题，基于S7G控制管概念开展了无硼运行SMR核心设计研究。通过建立三维全堆模型并开发控制管状态算法，验证了该设计在3批次换料方案下可实现keff=1的精确控制及52 MWd/kg的高卸料燃耗，为紧凑型SMR的无化学补偿运行提供了理论依据。
在核能领域，小型模块化反应堆（SMR）因其灵活性被视为未来能源的重要选项，但其“小身板”也带来了大麻烦：传统压水堆（PWR）依赖的可溶硼反应性控制系统，在SMR中因体积和成本占比过高而变得不经济；同时，SMR紧凑的堆芯空间也难以容纳传统控制棒的驱动机构。为此，研究人员将目光投向了源自美国海军潜艇的S7G反应堆技术——一种利用“水柱”高度而非“插棒”来调控核反应的颠覆性设计。
为了验证这套“老技术”能否解决SMR的“新问题”，剑桥大学的Ben L.C. Silva与Geoffrey T. Parks在《Annals of Nuclear Energy》上发表了最新研究。他们基于公开文献中最佳的S7G栅格设计，首次构建了全尺寸三维SMR堆芯模型。研究证实，通过精细调控控制管内的水位，完全可以在不使用可溶硼的情况下，实现反应堆在整个运行周期内（keff=1）的稳定运行，并达到52 MWd/kg的高燃耗目标。
关键技术方法
研究主要基于SERPENT 2蒙特卡洛程序与JEFF-3.1核数据库开展建模。首先，将Lawrence优化的2D S7G栅格（含15.6% Gd2O3控制管）转换为3D模型，堆芯高度设定为2.8 m以匹配Rolls-Royce SMR规格。其次，设计了121个组件的3批次换料方案，并通过燃耗计算评估了控制管可燃毒物的消耗效应。最关键的是开发了控制管状态算法，该算法能动态调整水位以同时满足临界条件并约束功率峰因子（Fq）。
研究结果
2D–3D栅格转换
燃料棒高度优化：研究发现，随着栅格高度增加，keff因中子泄漏减少而上升，但收益递减。结合SMR尺寸限制，最终选定2.8 m活性区高度（含25 cm水反射层），此时控制管在“水充”与“氮气充”状态间能提供足够的反应性控制裕量。
单栅格燃耗分析：在无限栅格假设下，初始模型（无轴向离散、不燃耗管壁）的循环长度为431 EFPD（有效满功率天），对应3批次卸料燃耗约1293 EFPD。进一步考虑Gd2O3管壁燃耗后发现，水充管因热中子通量高，其毒物消耗更快，导致keff在末期上升，虽延长了循环长度，但也带来了控制能力随燃耗衰退的风险。
全堆芯设计与控制
堆芯布置：参考Rolls-Royce SMR的功率（470 MWe）与尺寸，构建了121组件堆芯。采用“外旧内新”的3批次装载方案，并引入了IFBA（湿环掺钆）可燃毒物设计，成功将寿期初的功率峰因子从2.5降至1.35，满足了热工安全限值。
控制管状态算法：研究开发了基于二分搜索的算法，通过调整各组控制管的水位（离散化状态），在无硼条件下实现了双重目标：1）维持keff=1；2）将Fq控制在限值以下。模拟结果显示，该算法能在整个1300 EFPD的寿期内稳定运行，仅在寿期末因毒物烧损需引入额外的“灰色”控制组进行微调。
结论与意义
本研究证实了基于S7G控制管技术的小型压水堆在无化学补偿（无硼）运行方面的技术可行性。通过“固定式控制管+水位调节”的机械补偿方式，成功替代了传统PWR中复杂的可溶硼系统，显著降低了SMR的建造成本和系统复杂度。虽然研究证实了常规运行的可行性，但作者也指出，针对设计基准事故（如失水事故）下的控制能力及更详细的燃耗反馈效应，仍需在后续工作中进行深入评估。这项工作为开发更紧凑、更经济的下一代SMR提供了重要的理论模型和技术路径。
