智能技術(shù)在核電領(lǐng)域中的應(yīng)用探究

鄭曉 李國棟

【摘 ?要】不可否認(rèn)，智能技術(shù)作為驅(qū)動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心推手，其與制造業(yè)的深度融合將給予傳統(tǒng)制造業(yè)充分的生命力，為制造業(yè)帶來一場深刻的變革。論文在調(diào)研人工智能已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，以核電設(shè)計為分析對象，對智能技術(shù)在核電領(lǐng)域中的部分典型應(yīng)用場景進(jìn)行了思考，為智能化、數(shù)字化核電提供一定的借鑒。

【Abstract】It is undeniable that intelligent technology is the core driver of a new round of scientific and technological revolution and industrial change. Its deep integration with the manufacturing industry will give full vitality to the traditional manufacturing industry and bring a profound change to the manufacturing industry. Based on the investigation of existing artificial intelligence technology， taking nuclear power design as the analysis object， this paper considers some typical application scenarios of intelligent technology in the field of nuclear power， and provides some reference for intelligent and digital nuclear power.

【關(guān)鍵詞】智能技術(shù);核電;設(shè)計

【Keywords】intelligent technology; nuclear power; design

【中圖分類號】TM623;TP18 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）05-0192-03

1 引言

核電行業(yè)作為高科技國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，近年來快速發(fā)展。2021年1月27日，中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布2020年我國核電運行數(shù)據(jù)[1]。截至2020年底，我國核電機(jī)組共計運行49臺（不含臺灣地區(qū)），額定裝機(jī)容量51027.16MWe，2020年全年運行機(jī)組累計發(fā)電量3662.43億千瓦時，占全國累計發(fā)電量的4.94%。2020年11月27日，我國迎來核電領(lǐng)域重大節(jié)點，“華龍一號”全球首堆——福清5號機(jī)組首次并網(wǎng)成功[2]。次日，“華龍一號”海外首堆——卡拉奇核電廠2號機(jī)組開始裝料。擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電產(chǎn)品“華龍一號”是我國核工業(yè)人自主創(chuàng)新、勇攀高峰的典型代表和集中體現(xiàn)，已成為一張靚麗的國家名片助力國家“一帶一路”倡議的推進(jìn)。

與此同時，智能技術(shù)，方興未艾。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛提升，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的智能技術(shù)得到了充分的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，助力國民經(jīng)濟(jì)以更高質(zhì)量、更快速度蓬勃發(fā)展。2017年，我國發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）[3]，從戰(zhàn)略高度分析了我國新一代人工智能的戰(zhàn)略態(tài)勢，提出了“三步走”的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，旨在2030年實現(xiàn)我國人工智能理論、技術(shù)以及應(yīng)用總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平，并明確了各階段的重點任務(wù)，為我國人工智能的發(fā)展指明了方向與道路。

人工智能（Artificial Intelligence，AI），或者說機(jī)器智能，是指由人制造出來的機(jī)器所表現(xiàn)出來的智能。例如，智能手機(jī)、瀏覽器搜索引擎等是應(yīng)用較為廣泛的弱人工智能，而這些已為人們?nèi)粘Ｊ褂玫娜跞斯ぶ悄?，人們一般不將其稱作人工智能。由此可見，人工智能是一個覆蓋范圍廣泛的話題，同時，也是一個充滿著勃勃生機(jī)的技術(shù)，智能技術(shù)的更新迭代也在不斷地為人工智能賦予新的含義。

智能技術(shù)與核電行業(yè)的深度融合擁有著豐富的內(nèi)涵。一方面，智能技術(shù)能夠切實提高核電行業(yè)的智能化、數(shù)字化、自動化水平，對助推核電行業(yè)邁向智能時代、增強(qiáng)我國核電的核心競爭力、推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義;另一方面，核電行業(yè)作為高科技產(chǎn)業(yè)，為滲透到核電設(shè)備全生命周期的各種智能技術(shù)提供了廣泛的應(yīng)用空間和發(fā)展方向，促使智能技術(shù)實現(xiàn)技術(shù)更新迭代和產(chǎn)業(yè)升級。二者相輔相成，互相促進(jìn)，達(dá)到質(zhì)與量的共同升華，而非單純的簡單疊加。

2 智能技術(shù)在核電領(lǐng)域中的應(yīng)用

智能技術(shù)在整個核能行業(yè)中應(yīng)用廣泛，從上游的全數(shù)字化鈾礦勘察開采，到一體化核電智能設(shè)計與制造數(shù)字平臺，再到核電站的退役，智能技術(shù)覆蓋核能行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈。本文著重對智能技術(shù)在核電領(lǐng)域中部分典型應(yīng)用場景進(jìn)行分析，主要包括核電設(shè)備設(shè)計研發(fā)和智能機(jī)器人兩個方面。

2.1 核電設(shè)備設(shè)計研發(fā)

核電系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱工水力、堆芯物理、力學(xué)以及屏蔽防護(hù)等諸多專業(yè)。以核電站最核心的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，目前，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計方式仍處于二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)化的過程中，設(shè)計過程中所需的設(shè)計圖紙、技術(shù)文件、設(shè)計變更單、技術(shù)聯(lián)系單等交付物仍以紙質(zhì)形式為主[4]。國內(nèi)已逐步開始了對智能設(shè)計手段的嘗試與摸索，并取得了一定的成果。

2.1.1 三維結(jié)構(gòu)智能設(shè)計

三維模型是智能技術(shù)在核電設(shè)備設(shè)計研發(fā)過程中的重要載體，區(qū)別于二維圖紙，三維模型擁有的屬性更為繁多，內(nèi)涵也更為豐富?；谌S模型的核電設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在設(shè)計初期實現(xiàn)數(shù)字化、智能化全專業(yè)協(xié)同設(shè)計，通過預(yù)先制定的協(xié)同設(shè)計準(zhǔn)則，實現(xiàn)核電設(shè)備的智能設(shè)計。區(qū)別于其他行業(yè)，核電設(shè)備的產(chǎn)品類型相對比較穩(wěn)定，擁有較高的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化水平。在充分收集核電設(shè)備已有結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)以及設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用智能分析技術(shù)，可以實現(xiàn)核電產(chǎn)品的快速設(shè)計與迭代，降低設(shè)計人員人因失誤。

2.1.2 三維結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化

隨著核電設(shè)計需求的增加以及設(shè)計水平的提升，有限元理論及計算被廣泛應(yīng)用于核電設(shè)備的仿真優(yōu)化中，高精度大規(guī)模多物理場耦合仿真已逐漸成為發(fā)展趨勢。然而高精度的多物理場耦合仿真必然導(dǎo)致仿真周期的增加，結(jié)構(gòu)優(yōu)化成本上升。

人工智能技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了思路。以反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)流場設(shè)計分析為例，在設(shè)計初期通常并不需求高保真模擬，而是需要快速迭代多個設(shè)計方案以給出決策依據(jù)。可以采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多層感知器學(xué)習(xí)反應(yīng)堆幾何結(jié)構(gòu)特征和CFD模擬輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)挖掘篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)被忽略的數(shù)據(jù)，從而尋找數(shù)據(jù)中的規(guī)律，獲得輸入結(jié)構(gòu)與計算流場之間的映射關(guān)系，進(jìn)一步地快速給出其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果以及合理科學(xué)的數(shù)據(jù)分析報告，便于設(shè)計人員作出決策，初步確定設(shè)計方案。

2.2 智能機(jī)器人

核工業(yè)領(lǐng)域由于其特殊的放射性為核電的運行、維修、退役帶來了極大的難度，機(jī)械設(shè)備特別是反應(yīng)堆堆本體設(shè)備，劑量水平保持在較高水平，近距離的檢查、維修不可避免地會為操作人員帶來輻照傷害。如何在高效完成核電任務(wù)的同時，盡可能降低操作人員的工作強(qiáng)度、保障操作人員始終處于可接受的劑量水平環(huán)境中，是核電設(shè)計人員始終探索的一個課題。正因如此，相較于其他行業(yè)，核電行業(yè)對于智能機(jī)器人的需求更為迫切，智能機(jī)器人應(yīng)用與核電行業(yè)也更加相得益彰。

2.2.1 智能機(jī)器人在核電中的應(yīng)用

以核電站安全退役為例。作為核電站的全生命周期的最后階段，核電站安全退役關(guān)乎國家環(huán)境安全與能源安全。利用智能機(jī)器人開展核電站退役工作，可以有效減少操作人員所受的輻照劑量水平、加快退役進(jìn)度、降低退役總體成本、減少不確定性因素。

2007年，捷克斯洛伐克國內(nèi)第一臺核電站A-1完成退役工作。A-1核電站退役過程中，為降低操作人員所受輻射，VUJE公司研發(fā)出多種先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)，更為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地完成了核電站的退役[5]，包括MT-15普通型移動機(jī)器人、MT-80通用型機(jī)器人以及DENAR-41長臂機(jī)器人等。MT-15機(jī)器人是一款移動遙控機(jī)器人，可以在放射性環(huán)境下開展采樣、測量以及凈化任務(wù);MT-80機(jī)器人更多應(yīng)用于高輻照環(huán)境下的復(fù)雜任務(wù)，如設(shè)備拆卸、管道切割、廢物回收等;DENAR-41機(jī)器人則是一種長臂液壓機(jī)器人，用于對地下存儲罐內(nèi)部進(jìn)行切割、去污等工作。

2011年3月1日，日本福島發(fā)生嚴(yán)重的核事故，釋放出大量放射性物質(zhì)。福島事故發(fā)生后，至少有30多種機(jī)器人被投入福島核電廠1～3號機(jī)組，用于廠房外航測、作業(yè)區(qū)域去污、廠房內(nèi)部檢測等任務(wù)。應(yīng)用于福島事故中的智能機(jī)器人類型多種多樣，按主要功能可大致分為清障、探查、去污三類。清障類機(jī)器人的代表型號包括Talon、Bobcat、Brokk-90、Brokk-330、遙控工程車輛等，其最早被投入使用，主要用于反應(yīng)堆廠房外的環(huán)境探查和障礙物清理，為后續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)的機(jī)器人提供條件保障;探查類機(jī)器人的代表型號包括T-hawk、Drone、FRIGO-MA、JAEA3、SmallDevice、Quince1、Qunce2、Rosemary、Quadruped、water boat、Trydiver、Shape-Shifing、PMORPH、Mini Manbou等，被投入?yún)^(qū)域覆蓋反應(yīng)堆廠房外部、廠房1～6層以及安全殼內(nèi)部，主要用于內(nèi)部環(huán)境探查（包括圖像、輻照水平、溫度、水位等），該類機(jī)器人是目前為止使用頻次最多的機(jī)器人;去污類機(jī)器人的代表型號包括Warrior、ASTACO-SoRa、Raccoon、高壓水去污機(jī)器人等，主要用于作業(yè)區(qū)域和通道的去污工作[6，7]。

2.2.2 核環(huán)境下智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

①耐輻照技術(shù)

核作業(yè)環(huán)境的特殊性，首先體現(xiàn)在高輻照劑量水平。耐輻照能力直接決定了核用機(jī)器人的使用周期以及使用范圍。以福島核事故為例，事故發(fā)生后最先投入使用的部分應(yīng)急機(jī)器人受限于強(qiáng)放射性環(huán)境而無法作業(yè)并返回，既沒有完成既定任務(wù)，同時，也額外增加了放射性廢物。反應(yīng)堆內(nèi)的α、β、γ射線和中子會對機(jī)器人的電子元器件以及傳感器造成嚴(yán)重?fù)p壞，特別是攝像模塊，采用的光電傳感器容易受到強(qiáng)輻照干擾，從而喪失功能。目前，國內(nèi)外研究人員主要從耐輻照材料的研發(fā)工作入手，開展了大量的工作。

②通信技術(shù)

機(jī)器人進(jìn)入作業(yè)區(qū)域后，如何快速、可靠地向操作人員反饋現(xiàn)場信息，是一項亟需解決的技術(shù)難點。采用有線通信方式，在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，機(jī)器人的過多操作可能會發(fā)生通信線路打結(jié)纏繞的情況，致使通信功能喪失、機(jī)器人無法返回;采用無線通信方式，在強(qiáng)輻照環(huán)境下，無線通信的通信距離、通信穩(wěn)定性都受到極大的限制。目前，較多采用通信中繼器或者優(yōu)化通信線路設(shè)計的方式來實現(xiàn)穩(wěn)定通信功能。

③先進(jìn)控制技術(shù)

傳統(tǒng)的單一遙控機(jī)器人在智能技術(shù)的推動下，逐漸向擁有智能決策功能的機(jī)器人演化。通過搭配的攝像模塊、紅外、超聲波等傳感器[8]，極大地豐富了對環(huán)境條件的反饋能力，通過機(jī)器人自帶的智能控制芯片以及后臺人員輔助操作，可以實現(xiàn)智能機(jī)器人對環(huán)境的智能感知、操作任務(wù)分析判斷及自動化實施，從而實現(xiàn)“人-機(jī)-環(huán)”的深度融合。

3 結(jié)論

核能發(fā)展雖然歷經(jīng)波折，但總體而言依然具有廣闊的前景，特別是蓬勃發(fā)展、不斷更新迭代的智能技術(shù)與核電深度融合，既為核電行業(yè)的深刻變革提供了核心驅(qū)動，也為核電的穩(wěn)定性、可靠性提供了技術(shù)保障。目前，我國智能技術(shù)與國際先進(jìn)水平仍存在一定的差距，技術(shù)水平相對較低。一方面，要關(guān)注先進(jìn)智能技術(shù)前沿;另一方面，要積極引入智能技術(shù)，不斷提升核電行業(yè)的數(shù)字化、智能化水平。

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