作為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的一個熱門技術(shù)，如今的數(shù)字孿生已經(jīng)開始在核能產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。

據(jù)悉，目前數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)在核能行業(yè)中得到應(yīng)用與開發(fā)，旨在改善核反應(yīng)堆安全性、運行狀態(tài)與設(shè)計等。這些數(shù)字孿生應(yīng)用場景，又將如何重塑核能產(chǎn)業(yè)？

數(shù)字孿生是什么？

數(shù)字孿生是利用真實世界數(shù)據(jù)創(chuàng)建而成的，對應(yīng)任意物理空間或物體的虛擬副本。借助傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字孿生能夠觀察物理環(huán)境以動態(tài)收集實時數(shù)據(jù)。孿生副本通過與人類、設(shè)備及其他數(shù)據(jù)孿生交互以從信息中學(xué)習(xí)，由此獲得支持關(guān)鍵決策、發(fā)現(xiàn)潛在問題、優(yōu)化/改進系統(tǒng)等能力。

數(shù)字孿生目前被應(yīng)用于多種場景，從設(shè)計無繩電梯到緩解交通擁堵、再到指導(dǎo)橄欖球聯(lián)賽。而在核領(lǐng)域，對應(yīng)核反應(yīng)堆的虛擬副本也已經(jīng)被建立起來。

這些技術(shù)已經(jīng)在先進核反應(yīng)堆設(shè)計人員、核公共事業(yè)公司、國家實驗室手中得到應(yīng)用，協(xié)助整個廠區(qū)建立起全生命周期監(jiān)控與模擬體系。

正如負責(zé)支持MAGNET項目的愛達荷國家實驗室數(shù)字工程研究員Jeren Browning所解釋，“數(shù)字孿生技術(shù)的成功應(yīng)用，有望徹底改變先進核工業(yè)……自主控制能夠帶來顯著的成本節(jié)約與安全提升，它能讓新的微型反應(yīng)堆快速上線并輕松滿足監(jiān)管標準。”

關(guān)鍵應(yīng)用1-預(yù)測性維護

核數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵應(yīng)用，在于預(yù)測性維護。數(shù)字孿生包含智能模塊，能夠持續(xù)監(jiān)控單一組件及整體系統(tǒng)的運行情況，這對核反應(yīng)堆無疑至關(guān)重要。數(shù)字孿生可以幫助預(yù)測特定組件在哪個時段可能發(fā)生故障，搶在實際問題出現(xiàn)之前防止意外中斷。這種預(yù)測能力也使科學(xué)家們得以深入優(yōu)化反應(yīng)堆的維護規(guī)劃與操作。

根據(jù)愛達荷國家實驗室和美國核管理委員會最近發(fā)布的一份報告，包括Kairos Power、X-energy、通用電氣和Westinghouse在內(nèi)的各先進反應(yīng)堆開發(fā)商都在開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)，希望借此在未來的反應(yīng)堆上實現(xiàn)預(yù)測性維護、縮短停機時間、全面管理老化/退化等能力。

關(guān)鍵應(yīng)用2-監(jiān)督與合規(guī)性監(jiān)控

數(shù)字孿生在核能領(lǐng)域的另一大應(yīng)用，就是對核電站運行狀況的監(jiān)督與合規(guī)性監(jiān)控。數(shù)字孿生能夠提供與技術(shù)規(guī)范相關(guān)的實時信息、集成與分析，通過歷史記錄、產(chǎn)出表現(xiàn)和技術(shù)判斷等信息充分支持各類操作決策。

例如，Westinghouse公司目前就在使用數(shù)字孿生開展設(shè)施檢查與審計，例如對監(jiān)控檢查數(shù)據(jù)進行自動分析。再配合無人機，管理方就能檢測出反應(yīng)堆周邊的混凝土裂縫、監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)的中子噪聲并實時管理各種嚴重的反應(yīng)堆事故。

行業(yè)應(yīng)用1-核反應(yīng)堆的設(shè)計與仿真

數(shù)字孿生還能助力設(shè)計新型核反應(yīng)堆，讓工程師們嘗試各種不同的性能與安全優(yōu)化方法。仿真數(shù)字孿生可以在設(shè)計過程中大大節(jié)約時間與資金投入，同時更好地為集中實驗測試提供信息支持。

目前，美國聯(lián)邦政府就通過資助項目幫助企業(yè)開發(fā)包含數(shù)字孿生的先進核反應(yīng)堆，Kairos Power也借此機會嘗試為其氟化鹽冷卻的高溫反應(yīng)堆開發(fā)數(shù)字孿生副本。

正如能源部高級研究計劃署首席研究員Annalis Manera所解釋：“通過這個項目，我們不僅希望能支持正在運行當中的反應(yīng)堆，同時也想要支持那些尚處于設(shè)計階段的反應(yīng)堆。在實驗數(shù)據(jù)的支持下，我們已經(jīng)有能力建立起高分辨率數(shù)字孿生模型。”

行業(yè)應(yīng)用2-應(yīng)急響應(yīng)

數(shù)字孿生還能在各類罕見緊急情況或事故當中提供幫助。例如，數(shù)字孿生可以提高響應(yīng)效率、集成實時數(shù)據(jù)/模型，并協(xié)調(diào)各機構(gòu)及響應(yīng)者針對緊急事件做出的響應(yīng)支持，借此緩解或消除事件引發(fā)的嚴重影響。

數(shù)字孿生還可作為日常數(shù)據(jù)的直接傳輸通道，幫助評估數(shù)據(jù)并利用實時數(shù)據(jù)做出決策。在數(shù)字孿生的協(xié)助下，天氣、氣候、地理情報等信息都將被匯聚于一處，共同支撐起嚴密可靠的規(guī)劃、預(yù)測與建議性決策。