近日，普渡大学一号反应堆(PUR-1)凭借其独特的数字化能力，正站在核能革命的前沿，有望推动新一代更安全、高效且具成本效益的核反应堆发展，加速向无碳电力的过渡。
该反应堆是开发下一代反应堆人工智能、远程监控和自主控制的理想试验台。普渡大学照片
PUR-1作为美国首个实现全数字控制和运行的反应堆，其整个“神经系统”——仪表和控制系统，均依托计算机屏幕、键盘和以太网电缆。普渡大学的工程师和学生借助PUR-1开展了一系列开创性实验，这些实验成果直接影响了小型模块化反应堆(SMR)和微反应堆等先进反应堆的研发进程。
这些规模较小、建造更为便捷的反应堆，旨在为农村和偏远地区等更广泛的社区提供电力，并且主要依靠数字通信，从集中控制中心进行远程操作。数字化的飞跃还使得实时数据收集和人工智能(AI)工具的集成成为可能，进而实现了对反应堆性能的持续监测。这种主动监测方式通过更好地预测和检测定期维护期间可能出现的问题，有效提高了安全性，并延长了反应堆的使用寿命。
为进一步巩固普渡大学在该领域的领先地位，核工程实验室助理教授兼PUR-1副主任Stylianos Chatzidakis已完成了PUR-1的“数字孪生”构建。这一完全集成的物理和数据驱动模拟项目同样由能源部资助，它能够从PUR-1的传感器接收实时数据，并采用人工智能驱动的算法进行预测，为反应堆的运行提供有力支持。Chatzidakis强调：“我们是唯一一所拥有真正核反应堆数字孪生的大学，能够利用反应堆产生的信号开展研究，这让我们与众不同。”
Chatzidakis与来自普渡大学和阿贡国家实验室的合作者在《自然科学报告》上发表的一项研究，展示了数字孪生在测试旨在提高SMR性能的机器学习算法方面的能力。该算法对反应堆发电量变化的预测准确率高达99%，充分证明了其在实际应用中的潜力。通过数字孪生远程访问PUR-1测量数据的能力，对于探索远程操作先进反应堆的可行性至关重要。
Chatzidakis在新闻稿中解释道：“假设有一批在偏远地区运行的小型模块化反应堆或微反应堆，如果工作人员能在数百或数千英里之外的控制室同时监控多个反应堆，我们就能最大限度地降低运营和维护成本。使用PUR-1，我们可以量化潜在的成本降低。”
不过，远程操作对网络安全提出了极高要求。在美国核管理委员会发布的一份技术信函报告中，Chatzidakis和他的团队利用PUR-1的实时反应堆数据，评估了人工智能和机器学习模型在识别核系统内异常网络安全状态方面的能力。他们在研究中成功检测到此类事件，为核工业开发网络安全人工智能提供了宝贵参考。
此外，该实验室还在研究量子加密的尖端应用，以确保与反应堆之间的通信安全。Chatzidakis表示：“基于量子原理的加密技术无法被任何计算机破解，无论你拥有的是超级计算机还是量子计算机，它都是牢不可破的。”通过使用PUR-1数据进行模拟，该团队探索了量子加密如何促进先进反应堆的安全远程监控和运行。
他们的下一步计划包括开展真实世界实验，以测试量子设备是否可以通过其数字孪生访问加密来自PUR-1的信号，从而进一步巩固普渡大学在推动未来核能发展方面的作用。
PUR-1主管True Miller总结道：“当人们第一次看到反应堆时，都会感到敬畏。很多人并不真正理解核能的含义。在参观期间，向他们解释核能究竟是什么，以及它背后的真相和迷思，是一个很好的时机。”
