核能产业的数字孪生实践

作为产业数字化的一个热门技术，如今的数字孪生已经开始在核能产业中得到应用。

据悉，目前数字孪生技术已经在核能行业中得到应用与开发，旨在改善核反应堆安全性、运行状态与设计等。这些数字孪生应用场景，又将如何重塑核能产业？

数字孪生是什么？

数字孪生是利用真实世界数据创建而成的，对应任意物理空间或物体的虚拟副本。借助传感器网络，数字孪生能够观察物理环境以动态收集实时数据。孪生副本通过与人类、设备及其他数据孪生交互以从信息中学习，由此获得支持关键决策、发现潜在问题、优化/改进系统等能力。

数字孪生目前被应用于多种场景，从设计无绳电梯到缓解交通拥堵、再到指导橄榄球联赛。而在核领域，对应核反应堆的虚拟副本也已经被建立起来。

这些技术已经在先进核反应堆设计人员、核公共事业公司、国家实验室手中得到应用，协助整个厂区建立起全生命周期监控与模拟体系。

正如负责支持MAGNET项目的爱达荷国家实验室数字工程研究员Jeren Browning所解释，“数字孪生技术的成功应用，有望彻底改变先进核工业……自主控制能够带来显著的成本节约与安全提升，它能让新的微型反应堆快速上线并轻松满足监管标准。”

关键应用1-预测性维护

核数字孪生的一大关键应用，在于预测性维护。数字孪生包含智能模块，能够持续监控单一组件及整体系统的运行情况，这对核反应堆无疑至关重要。数字孪生可以帮助预测特定组件在哪个时段可能发生故障，抢在实际问题出现之前防止意外中断。这种预测能力也使科学家们得以深入优化反应堆的维护规划与操作。

根据爱达荷国家实验室和美国核管理委员会最近发布的一份报告，包括Kairos Power、X-energy、通用电气和Westinghouse在内的各先进反应堆开发商都在开发数字孪生技术，希望借此在未来的反应堆上实现预测性维护、缩短停机时间、全面管理老化/退化等能力。

关键应用2-监督与合规性监控

数字孪生在核能领域的另一大应用，就是对核电站运行状况的监督与合规性监控。数字孪生能够提供与技术规范相关的实时信息、集成与分析，通过历史记录、产出表现和技术判断等信息充分支持各类操作决策。

例如，Westinghouse公司目前就在使用数字孪生开展设施检查与审计，例如对监控检查数据进行自动分析。再配合无人机，管理方就能检测出反应堆周边的混凝土裂缝、监测结构内的中子噪声并实时管理各种严重的反应堆事故。

行业应用1-核反应堆的设计与仿真

数字孪生还能助力设计新型核反应堆，让工程师们尝试各种不同的性能与安全优化方法。仿真数字孪生可以在设计过程中大大节约时间与资金投入，同时更好地为集中实验测试提供信息支持。

目前，美国联邦政府就通过资助项目帮助企业开发包含数字孪生的先进核反应堆，Kairos Power也借此机会尝试为其氟化盐冷却的高温反应堆开发数字孪生副本。

正如能源部高级研究计划署首席研究员Annalis Manera所解释：“通过这个项目，我们不仅希望能支持正在运行当中的反应堆，同时也想要支持那些尚处于设计阶段的反应堆。在实验数据的支持下，我们已经有能力建立起高分辨率数字孪生模型。”

行业应用2-应急响应

数字孪生还能在各类罕见紧急情况或事故当中提供帮助。例如，数字孪生可以提高响应效率、集成实时数据/模型，并协调各机构及响应者针对紧急事件做出的响应支持，借此缓解或消除事件引发的严重影响。

数字孪生还可作为日常数据的直接传输通道，帮助评估数据并利用实时数据做出决策。在数字孪生的协助下，天气、气候、地理情报等信息都将被汇聚于一处，共同支撑起严密可靠的规划、预测与建议性决策。