智能技術在核電領域中的應用探究

鄭曉 李國棟

【摘 ?要】不可否認，智能技術作為驅動新一輪科技革命和產業變革的核心推手，其與制造業的深度融合將給予傳統制造業充分的生命力，為制造業帶來一場深刻的變革。論文在調研人工智能已有技術的基礎上，以核電設計為分析對象，對智能技術在核電領域中的部分典型應用場景進行了思考，為智能化、數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.

【關鍵詞】智能技術;核電;設計

【Keywords】intelligent technology; nuclear power; design

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

1 引言

核電行業作為高科技國家戰略產業，近年來快速發展。2021年1月27日，中國核能行業協會發布2020年我國核電運行數據[1]。截至2020年底，我國核電機組共計運行49臺（不含臺灣地區），額定裝機容量51027.16MWe，2020年全年運行機組累計發電量3662.43億千瓦時，占全國累計發電量的4.94%。2020年11月27日，我國迎來核電領域重大節點，“華龍一號”全球首堆——福清5號機組首次并網成功[2]。次日，“華龍一號”海外首堆——卡拉奇核電廠2號機組開始裝料。擁有完整自主知識產權的三代核電產品“華龍一號”是我國核工業人自主創新、勇攀高峰的典型代表和集中體現，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。

與此同時，智能技術，方興未艾。隨著計算機技術的迅猛提升，數字化、智能化、網絡化的智能技術得到了充分的發展，廣泛應用于各行各業，助力國民經濟以更高質量、更快速度蓬勃發展。2017年，我國發布了《新一代人工智能發展規劃》（國發〔2017〕35號）[3]，從戰略高度分析了我國新一代人工智能的戰略態勢，提出了“三步走”的戰略發展目標，旨在2030年實現我國人工智能理論、技術以及應用總體達到世界領先水平，并明確了各階段的重點任務，為我國人工智能的發展指明了方向與道路。

人工智能（Artificial Intelligence，AI），或者說機器智能，是指由人制造出來的機器所表現出來的智能。例如，智能手機、瀏覽器搜索引擎等是應用較為廣泛的弱人工智能，而這些已為人們日常使用的弱人工智能，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的技術，智能技術的更新迭代也在不斷地為人工智能賦予新的含義。

智能技術與核電行業的深度融合擁有著豐富的內涵。一方面，智能技術能夠切實提高核電行業的智能化、數字化、自動化水平，對助推核電行業邁向智能時代、增強我國核電的核心競爭力、推動經濟高質量發展具有重要意義;另一方面，核電行業作為高科技產業，為滲透到核電設備全生命周期的各種智能技術提供了廣泛的應用空間和發展方向，促使智能技術實現技術更新迭代和產業升級。二者相輔相成，互相促進，達到質與量的共同升華，而非單純的簡單疊加。

2 智能技術在核電領域中的應用

智能技術在整個核能行業中應用廣泛，從上游的全數字化鈾礦勘察開采，到一體化核電智能設計與制造數字平臺，再到核電站的退役，智能技術覆蓋核能行業全產業鏈。本文著重對智能技術在核電領域中部分典型應用場景進行分析，主要包括核電設備設計研發和智能機器人兩個方面。

2.1 核電設備設計研發

核電系統覆蓋范圍較廣，涉及機械結構、熱工水力、堆芯物理、力學以及屏蔽防護等諸多專業。以核電站最核心的反應堆結構設計為例，目前，反應堆結構設計方式仍處于二維設計向三維設計轉化的過程中，設計過程中所需的設計圖紙、技術文件、設計變更單、技術聯系單等交付物仍以紙質形式為主[4]。國內已逐步開始了對智能設計手段的嘗試與摸索，并取得了一定的成果。

2.1.1 三維結構智能設計

三維模型是智能技術在核電設備設計研發過程中的重要載體，區別于二維圖紙，三維模型擁有的屬性更為繁多，內涵也更為豐富。基于三維模型的核電設備結構設計，可以在設計初期實現數字化、智能化全專業協同設計，通過預先制定的協同設計準則，實現核電設備的智能設計。區別于其他行業，核電設備的產品類型相對比較穩定，擁有較高的標準化、系列化、規范化水平。在充分收集核電設備已有結構設計參數以及設計經驗的基礎上，采用智能分析技術，可以實現核電產品的快速設計與迭代，降低設計人員人因失誤。

2.1.2 三維結構智能優化

隨著核電設計需求的增加以及設計水平的提升，有限元理論及計算被廣泛應用于核電設備的仿真優化中，高精度大規模多物理場耦合仿真已逐漸成為發展趨勢。然而高精度的多物理場耦合仿真必然導致仿真周期的增加，結構優化成本上升。

人工智能技術的發展為解決這一問題提供了思路。以反應堆結構流場設計分析為例，在設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計方案以給出決策依據。可以采用卷積神經網絡與多層感知器學習反應堆幾何結構特征和CFD模擬輸出數據之間的關系，通過數據挖掘篩選關鍵數據，發現被忽略的數據，從而尋找數據中的規律，獲得輸入結構與計算流場之間的映射關系，進一步地快速給出其他結構參數的優化結果以及合理科學的數據分析報告，便于設計人員作出決策，初步確定設計方案。

2.2 智能機器人

核工業領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，機械設備特別是反應堆堆本體設備，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的同時，盡可能降低操作人員的工作強度、保障操作人員始終處于可接受的劑量水平環境中，是核電設計人員始終探索的一個課題。正因如此，相較于其他行業，核電行業對于智能機器人的需求更為迫切，智能機器人應用與核電行業也更加相得益彰。

2.2.1 智能機器人在核電中的應用

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，核電站安全退役關乎國家環境安全與能源安全。利用智能機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公司研發出多種先進機器人技術，更為安全、可靠、經濟地完成了核電站的退役[5]，包括MT-15普通型移動機器人、MT-80通用型機器人以及DENAR-41長臂機器人等。MT-15機器人是一款移動遙控機器人，可以在放射性環境下開展采樣、測量以及凈化任務;MT-80機器人更多應用于高輻照環境下的復雜任務，如設備拆卸、管道切割、廢物回收等;DENAR-41機器人則是一種長臂液壓機器人，用于對地下存儲罐內部進行切割、去污等工作。

2011年3月1日，日本福島發生嚴重的核事故，釋放出大量放射性物質。福島事故發生后，至少有30多種機器人被投入福島核電廠1～3號機組，用于廠房外航測、作業區域去污、廠房內部檢測等任務。應用于福島事故中的智能機器人類型多種多樣，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，主要用于反應堆廠房外的環境探查和障礙物清理，為后續執行其他任務的機器人提供條件保障;探查類機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，被投入區域覆蓋反應堆廠房外部、廠房1～6層以及安全殼內部，主要用于內部環境探查（包括圖像、輻照水平、溫度、水位等），該類機器人是目前為止使用頻次最多的機器人;去污類機器人的代表型號包括Warrior、ASTACO-SoRa、Raccoon、高壓水去污機器人等，主要用于作業區域和通道的去污工作[6，7]。

2.2.2 核環境下智能機器人關鍵技術

①耐輻照技術

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

②通信技術

機器人進入作業區域后，如何快速、可靠地向操作人員反饋現場信息，是一項亟需解決的技術難點。采用有線通信方式，在復雜的作業環境內，機器人的過多操作可能會發生通信線路打結纏繞的情況，致使通信功能喪失、機器人無法返回;采用無線通信方式，在強輻照環境下，無線通信的通信距離、通信穩定性都受到極大的限制。目前，較多采用通信中繼器或者優化通信線路設計的方式來實現穩定通信功能。

③先進控制技術

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

3 結論

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

【參考文獻】

【1】中國核能行業協會.2020年1-12月全國核電運行情況[EB/OL].http：//www.china-nea.cn/site/content/38577.html，2021-01-27.

【2】.“華龍一號”全球首堆并網成功[J].水泵技術，2020（6）：57.

【3】.新一代人工智能發展規劃[J].科技創新與生產力，2017（8）：2+121.

【4】杜華，羅英，余志偉，等.智能技術與反應堆結構設計的結合[J].科技創新與應用，2021（3）：98-100.

【5】Capuska S，Brecka S，Kosnac S，et al.Manipulator robotics in use for decommissioning of A-1 nuclear power plant[C]//International Conference on Icar.IEEE，2005.

【6】陳法國，楊明明，韓毅，等.機器人在福島核事故中的應用和啟示[J].輻射防護，2018，38（4）：344-351.

【7】馮常，王從政，趙建平，等.核環境作業機器人研究現狀及關鍵技術分析[J].光電工程，2020，47（10）：88-98.

【8】劉波，王欣，吳王鎖，等.機器人在核與輻射事故應急中的應用展望[J].工業安全與環保，2015，41（1）：62-64.