在普渡大学，一座仅有步入式衣柜大小的核反应堆，正在悄然改变核能的未来。这座名为“普渡大学一号反应堆”（PUR-1）的设施，不仅是美国首个完全数字化的核反应堆，更成为了探索AI监控、量子加密等尖端技术的试验场。它的突破性研究，正为下一代小型、远程和自主核反应堆的发展铺平道路。
图：普渡大学助理教授Stylianos Chatzidakis（中）和他的学生们正在与普渡大学反应堆数字孪生设备进行交互。
创新的数字核反应堆
PUR-1深藏于普渡大学校园的地下，于2019年在美国能源部（DOE）的资助下完成升级。这座反应堆彻底告别了传统的模拟旋钮和刻度盘，取而代之的是计算机屏幕和以太网电缆，成为美国首个全面采用数字仪表和控制系统的核反应堆。虽然其他国家的核电站已部分使用数字控制，但在美国，PUR-1是唯一一个将数字化贯穿核心控制系统的设施。
普渡大学核工程学院院长、PUR-1设施主任金承镇（Seungjin Kim）表示：“拥有一座与实时反应堆相连的数字孪生体，是其他大学所不具备的。这是一个全新的平台，专门用于测试核能领域的未来技术。”这一创新让PUR-1成为了核能数字化的先锋。
AI与数字孪生技术的应用
PUR-1的核心亮点在于其“数字孪生体”——一个由AI驱动的实时模拟模型。这一模型由PUR-1副主任Stylianos Chatzidakis及其团队于2023年开发，能够接收反应堆传感器的实时数据，并通过AI算法进行预测和分析。
在《自然》旗下《科学报告》期刊发表的一项研究中，Chatzidakis与普渡大学及阿贡国家实验室的合作者展示了数字孪生体的强大功能。他们开发了一种机器学习算法，用于提升小型模块化反应堆的性能。研究表明，该算法能够以99%的准确率预测反应堆功率输出的波动，这一成果为提高小型反应堆的效率和安全性提供了重要依据。
不仅如此，Chatzidakis的团队还在探索量子加密技术如何保护反应堆通信安全。量子加密被认为是牢不可破的，即便面对量子计算机的攻击也能确保数据无虞。PUR-1的实时数据为模拟这些加密通道提供了基础，未来还将进行物理测试以验证其可行性。
未来核能的展望
PUR-1的研究意义远不止于此。普渡大学的研究人员向美国核管理委员会提交了一份技术报告，展示了如何利用AI训练检测核系统中的网络攻击。这表明，PUR-1不仅在技术创新上领先，也在保障核能安全方面走在前沿。
这些突破对开发小型模块化反应堆和微型反应堆至关重要。这类反应堆可部署在偏远地区，而数字技术则能实现远程监控和操作。Chatzidakis指出：“如果我们能在数百甚至数千英里外的控制室同时监控多个反应堆，就能大幅降低运营和维护成本。通过PUR-1，我们可以量化这种成本节约的潜力。”
为进一步深化研究，普渡大学正在建设第二个数字孪生体，并计划打造一个全尺寸的反应堆控制室。这个控制室将容纳PUR-1的模拟模型，以及一个新的数字模型——普渡大学多维积分测试组件（PUMA），后者是轻水反应堆技术的缩小版测试平台。该设施由美国能源部资助，将成为测试AI、网络安全防御和远程控制系统的共享平台。
原文链接：
https://www.power-eng.com/nuclear/purdue-university-reactor-paves-the-way-for-nuclear-digital-breakthroughs/
作者：Kevin Clark
本文已进行编译。
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