2021年5月，美國能源部 (DOE) 宣布將為9個(gè)項(xiàng)目提供2700萬美元的資金，用于開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)以降低先進(jìn)反應(yīng)堆的運(yùn)營和維護(hù)成本。這筆資金隸屬于DOE高級(jí)研究計(jì)劃署能源署 (ARPA-E) 下屬的智能核資產(chǎn)發(fā)電管理 (GEMINA)。ARPA-E成立于2009年，旨在為私企的能源技術(shù)在早期高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)期提供資金。

GEMINA希望將下一代核電站的運(yùn)維成本降低至原來的十分之一，使核電站更加經(jīng)濟(jì)、靈活、高效。GEMINA計(jì)劃為一系列先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)將用于未來運(yùn)維框架的戰(zhàn)略性設(shè)計(jì)，以提高靈活性、自主性并加速設(shè)計(jì)迭代。Slaybaugh(GEMINA項(xiàng)目主管，加州大學(xué)伯克利分校的核工程教授)表示，現(xiàn)在數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)將決定未來運(yùn)維方式。

如果從一開始沒有從戰(zhàn)略上考慮運(yùn)維工作，那將是一個(gè)沒有競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)。僅僅憑借數(shù)字技術(shù)降低現(xiàn)有反應(yīng)堆成本的程度是有限的，因?yàn)楹?jiǎn)單的數(shù)字技術(shù)沒有配備收集數(shù)據(jù)以支持先進(jìn)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)所需的數(shù)字傳感器。

核能研究所(NEI)稱，核電的平均發(fā)電成本從2012年的44.57$/MWh下降到2019年的30.42$/MWh，下降了約三分之一。

平準(zhǔn)化能源成本 (LCOE)并不能說明全部情況。運(yùn)營成本同樣重要，近年來美國部分反應(yīng)堆因經(jīng)濟(jì)原因而關(guān)閉。Slaybaugh表示，事實(shí)上，運(yùn)維成本幾乎占了當(dāng)前核電站發(fā)電成本的全部，核電的固定運(yùn)維成本比天然氣高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

GEMINA專注于數(shù)字孿生技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)顯著和可持續(xù)的降低運(yùn)維成本。先進(jìn)反應(yīng)堆按照優(yōu)化的人員配備方案和固定運(yùn)維成本運(yùn)行，相比其他發(fā)電能源更具競(jìng)爭(zhēng)力。

MSRs項(xiàng)目的模塊化運(yùn)維

密歇根大學(xué)獲得了近520萬美元資助，用于為先進(jìn)反應(yīng)堆開發(fā)基于現(xiàn)實(shí)、模型并可擴(kuò)展的一體化運(yùn)維系統(tǒng)。一體化運(yùn)維系統(tǒng)將包括：可擴(kuò)展的數(shù)字孿生體;維護(hù)評(píng)估系統(tǒng)(以監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況并評(píng)估先進(jìn)反應(yīng)堆的健康狀況和維護(hù)需求);智能操作控制器(在正常和事故條件下實(shí)現(xiàn)自主控制)和運(yùn)維監(jiān)督系統(tǒng)(監(jiān)督運(yùn)維情況)。

GEMINA計(jì)劃使用密歇根大學(xué)的熔鹽堆來驗(yàn)證該運(yùn)維系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于Kairos Power的HTR 設(shè)計(jì)中，以展示如何應(yīng)用新型運(yùn)維系統(tǒng)來優(yōu)化電站設(shè)計(jì)。由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)領(lǐng)導(dǎo)的MARs項(xiàng)目正在與Kairos Power合作，旨在通過先進(jìn)的傳感器和設(shè)備降低Kairos反應(yīng)堆的運(yùn)維成本。

憑借220萬美元的資金，科學(xué)家們將開發(fā)可以適應(yīng)反應(yīng)堆內(nèi)高溫和化學(xué)環(huán)境的新型傳感器，并開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)分析傳感器數(shù)據(jù)的算法，幫助實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

ANL過程模擬和保障小組經(jīng)理Nathaniel Hoyt表示，MARs項(xiàng)目致力于使新反應(yīng)堆盡可能安全、經(jīng)濟(jì)。通過先進(jìn)的傳感器和自動(dòng)化技術(shù)，可以大大減少運(yùn)維成本。MARs項(xiàng)目的目標(biāo)是將運(yùn)維成本降低至2$/MWh。

由麻省理工學(xué)院(MIT)與MPR Associates合作領(lǐng)導(dǎo)的為期兩年的項(xiàng)目旨在更好地理解MSRs堆芯中產(chǎn)生的放射性物質(zhì)特性，以預(yù)測(cè)和降低運(yùn)維成本。該團(tuán)隊(duì)將使用MIT的研究堆對(duì)計(jì)劃用于MSRs的材料中含有燃料的熔鹽進(jìn)行輻照，同時(shí)監(jiān)測(cè)釋放的放射性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將用于MSRs項(xiàng)目數(shù)字孿生體的開發(fā)。

MIT還將與美國電力研究所 (EPRI) 密切合作進(jìn)行概念論證研究，探索擺脫傳統(tǒng)的運(yùn)維方法。EPRI領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目旨在研究“更換和翻新”模型，其中組件的設(shè)計(jì)壽命更短、更可預(yù)測(cè)(采用類似商業(yè)航空業(yè)的方法)。

MIT項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、核科學(xué)與工程系教授Koroush Shirvan表示，這個(gè)合作項(xiàng)目將通過讓核技術(shù)更好地適應(yīng)不斷變化的能源市場(chǎng)條件來重新審視降低運(yùn)維成本。MIT的作用是確定適用于各先進(jìn)反應(yīng)堆技術(shù)的降低成本的途徑。

為BWRX-300開發(fā)數(shù)字孿生體

GE Research和MIT已獲得資助，將組織開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，同時(shí)采用人工智能和先進(jìn)建模控制系統(tǒng)。

GE Research領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)(包括Exelon發(fā)電公司、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、田納西大學(xué)諾克斯維爾分校和 GE Hitachi [GEH])將構(gòu)建BWRX-300關(guān)鍵組件的數(shù)字孿生體，并使用人工智能做出風(fēng)險(xiǎn)決策。

Exelon公司運(yùn)營著美國最大的核電站，將提供歷史數(shù)據(jù)，為先進(jìn)反應(yīng)堆的模型和運(yùn)維成本降低目標(biāo)提供信息。GE Research的高級(jí)人工智能科學(xué)家兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Abhinav Saxena表示，GE已經(jīng)在一系列產(chǎn)品和部門中開發(fā)和部署了超過 120 萬個(gè)數(shù)字孿生體。

GE已經(jīng)在風(fēng)力渦輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用其Humble AI技術(shù)，提高了其效率和能量輸出。

GE的目標(biāo)是為核行業(yè)帶來同樣利益，在降低運(yùn)維成本的同時(shí)提高電站自動(dòng)化程度。

MIT領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)(包括GE Research 和GEH)將展示預(yù)測(cè)性維護(hù)方法和基于模型的故障系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)。

為HTRs降低成本

Framatome將為高溫氣冷堆(HTR)開發(fā)兩個(gè)新型數(shù)字孿生體，并結(jié)合Metroscope一起使用(連接數(shù)字孿生體及其故障庫并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控的軟件包，使用算法在早期發(fā)現(xiàn)問題)。AEL正在設(shè)計(jì)非能動(dòng)冷卻方案的數(shù)字孿生體。

該項(xiàng)目由AEL科學(xué)家Darius Lisowski領(lǐng)導(dǎo)，將使用來自AEL自然對(duì)流關(guān)閉排熱測(cè)試的數(shù)據(jù)模擬自然空氣和水循環(huán)冷卻反應(yīng)堆。這些數(shù)據(jù)將用于開發(fā)Framatome的數(shù)字孿生體并提高其可靠性和成熟度。然后Framatome將通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)與典型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行比較，以確定HTR中蒸汽回路的冷卻系統(tǒng)。

X-energy公司獲得了600萬美元用于數(shù)字孿生項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在將其Xe-100 HTR反應(yīng)堆的固定運(yùn)維成本降低至2$/MWh。

該項(xiàng)目將使用人因工程、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、危害分析以及安全和維護(hù)評(píng)估來確定需要優(yōu)化的領(lǐng)域。X-energy還將使用自動(dòng)化、機(jī)器人、遠(yuǎn)程和集中維護(hù)以及監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)來優(yōu)化人員配備方案并確保電站最佳運(yùn)營。

數(shù)字孿生技術(shù)的未來?

最初以為僅依靠現(xiàn)實(shí)和數(shù)字化的結(jié)合就足以創(chuàng)建準(zhǔn)確的數(shù)字模型。然后，隨著更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和示范反應(yīng)堆的建造，數(shù)字孿生技術(shù)可以生成更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)并改進(jìn)模型。美國能源部(DOE)正在部署一個(gè)多功能測(cè)試反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆計(jì)劃在2026年投入運(yùn)行， Oklo、Terrapower、Karios和NuScale的設(shè)計(jì)方案計(jì)劃在該反應(yīng)堆上進(jìn)行演示。

數(shù)字孿生技術(shù)的最終目標(biāo)是使開發(fā)的工具成為標(biāo)準(zhǔn)并在未來在先進(jìn)反應(yīng)堆中應(yīng)用。