智能技术在核电领域中的应用探究

郑晓 李国栋

【摘  要】不可否认，智能技术作为驱动新一轮科技革命和产业变革的核心推手，其与制造业的深度融合将给予传统制造业充分的生命力，为制造业带来一场深刻的变革。论文在调研人工智能已有技術的基础上，以核电设计为分析对象，对智能技术在核电领域中的部分典型应用场景进行了思考，为智能化、数字化核电提供一定的借鉴。

【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.

【关键词】智能技术;核电;设计

【Keywords】intelligent technology; nuclear power; design

【中图分类号】TM623;TP18                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）05-0192-03

1 引言

核电行业作为高科技国家战略产业，近年来快速发展。2021年1月27日，中国核能行业协会发布2020年我国核电运行数据[1]。截至2020年底，我国核电机组共计运行49台（不含台湾地区），额定装机容量51027.16MWe，2020年全年运行机组累计发电量3662.43亿千瓦时，占全国累计发电量的4.94%。2020年11月27日，我国迎来核电领域重大节点，“华龙一号”全球首堆——福清5号机组首次并网成功[2]。次日，“华龙一号”海外首堆——卡拉奇核电厂2号机组开始装料。拥有完整自主知识产权的三代核电产品“华龙一号”是我国核工业人自主创新、勇攀高峰的典型代表和集中体现，已成为一张靓丽的国家名片助力国家“一带一路”倡议的推进。

与此同时，智能技术，方兴未艾。随着计算机技术的迅猛提升，数字化、智能化、网络化的智能技术得到了充分的发展，广泛应用于各行各业，助力国民经济以更高质量、更快速度蓬勃发展。2017年，我国发布了《新一代人工智能发展规划》（国发〔2017〕35号）[3]，从战略高度分析了我国新一代人工智能的战略态势，提出了“三步走”的战略发展目标，旨在2030年实现我国人工智能理论、技术以及应用总体达到世界领先水平，并明确了各阶段的重点任务，为我国人工智能的发展指明了方向与道路。

人工智能（Artificial Intelligence，AI），或者说机器智能，是指由人制造出来的机器所表现出来的智能。例如，智能手机、浏览器搜索引擎等是应用较为广泛的弱人工智能，而这些已为人们日常使用的弱人工智能，人们一般不将其称作人工智能。由此可见，人工智能是一个覆盖范围广泛的话题，同时，也是一个充满着勃勃生机的技术，智能技术的更新迭代也在不断地为人工智能赋予新的含义。

智能技术与核电行业的深度融合拥有着丰富的内涵。一方面，智能技术能够切实提高核电行业的智能化、数字化、自动化水平，对助推核电行业迈向智能时代、增强我国核电的核心竞争力、推动经济高质量发展具有重要意义;另一方面，核电行业作为高科技产业，为渗透到核电设备全生命周期的各种智能技术提供了广泛的应用空间和发展方向，促使智能技术实现技术更新迭代和产业升级。二者相辅相成，互相促进，达到质与量的共同升华，而非单纯的简单叠加。

2 智能技术在核电领域中的应用

智能技术在整个核能行业中应用广泛，从上游的全数字化铀矿勘察开采，到一体化核电智能设计与制造数字平台，再到核电站的退役，智能技术覆盖核能行业全产业链。本文着重对智能技术在核电领域中部分典型应用场景进行分析，主要包括核电设备设计研发和智能机器人两个方面。

2.1 核电设备设计研发

核电系统覆盖范围较广，涉及机械结构、热工水力、堆芯物理、力学以及屏蔽防护等诸多专业。以核电站最核心的反应堆结构设计为例，目前，反应堆结构设计方式仍处于二维设计向三维设计转化的过程中，设计过程中所需的设计图纸、技术文件、设计变更单、技术联系单等交付物仍以纸质形式为主[4]。国内已逐步开始了对智能设计手段的尝试与摸索，并取得了一定的成果。

2.1.1 三维结构智能设计

三维模型是智能技术在核电设备设计研发过程中的重要载体，区别于二维图纸，三维模型拥有的属性更为繁多，内涵也更为丰富。基于三维模型的核电设备结构设计，可以在设计初期实现数字化、智能化全专业协同设计，通过预先制定的协同设计准则，实现核电设备的智能设计。区别于其他行业，核电设备的产品类型相对比较稳定，拥有较高的标准化、系列化、规范化水平。在充分收集核电设备已有结构设计参数以及设计经验的基础上，采用智能分析技术，可以实现核电产品的快速设计与迭代，降低设计人员人因失误。

2.1.2 三维结构智能优化

随着核电设计需求的增加以及设计水平的提升，有限元理论及计算被广泛应用于核电设备的仿真优化中，高精度大规模多物理场耦合仿真已逐渐成为发展趋势。然而高精度的多物理场耦合仿真必然导致仿真周期的增加，结构优化成本上升。

人工智能技术的发展为解决这一问题提供了思路。以反应堆结构流场设计分析为例，在设计初期通常并不需求高保真模拟，而是需要快速迭代多个设计方案以给出决策依据。可以采用卷积神经网络与多层感知器学习反应堆几何结构特征和CFD模拟输出数据之间的关系，通过数据挖掘筛选关键数据，发现被忽略的数据，从而寻找数据中的规律，获得输入结构与计算流场之间的映射关系，进一步地快速给出其他结构参数的优化结果以及合理科学的数据分析报告，便于设计人员作出决策，初步确定设计方案。

2.2 智能机器人

核工业领域由于其特殊的放射性为核电的运行、维修、退役带来了极大的难度，机械设备特别是反应堆堆本体设备，剂量水平保持在较高水平，近距离的检查、维修不可避免地会为操作人员带来辐照伤害。如何在高效完成核电任务的同时，尽可能降低操作人员的工作强度、保障操作人员始终处于可接受的剂量水平环境中，是核电设计人员始终探索的一个课题。正因如此，相较于其他行业，核电行业对于智能机器人的需求更为迫切，智能机器人应用与核电行业也更加相得益彰。

2.2.1 智能机器人在核电中的应用

以核电站安全退役为例。作为核电站的全生命周期的最后阶段，核电站安全退役关乎国家环境安全与能源安全。利用智能机器人开展核电站退役工作，可以有效减少操作人员所受的辐照剂量水平、加快退役进度、降低退役总体成本、减少不确定性因素。

2007年，捷克斯洛伐克国内第一台核电站A-1完成退役工作。A-1核电站退役过程中，为降低操作人员所受辐射，VUJE公司研发出多种先进机器人技术，更为安全、可靠、经济地完成了核电站的退役[5]，包括MT-15普通型移动机器人、MT-80通用型机器人以及DENAR-41长臂机器人等。MT-15机器人是一款移动遥控机器人，可以在放射性环境下开展采样、测量以及净化任务;MT-80机器人更多应用于高辐照环境下的复杂任务，如设备拆卸、管道切割、废物回收等;DENAR-41机器人则是一种长臂液压机器人，用于对地下存储罐内部进行切割、去污等工作。

2011年3月1日，日本福岛发生严重的核事故，释放出大量放射性物質。福岛事故发生后，至少有30多种机器人被投入福岛核电厂1～3号机组，用于厂房外航测、作业区域去污、厂房内部检测等任务。应用于福岛事故中的智能机器人类型多种多样，按主要功能可大致分为清障、探查、去污三类。清障类机器人的代表型号包括Talon、Bobcat、Brokk-90、Brokk-330、遥控工程车辆等，其最早被投入使用，主要用于反应堆厂房外的环境探查和障碍物清理，为后续执行其他任务的机器人提供条件保障;探查类机器人的代表型号包括T-hawk、Drone、FRIGO-MA、JAEA3、SmallDevice、Quince1、Qunce2、Rosemary、Quadruped、water boat、Trydiver、Shape-Shifing、PMORPH、Mini Manbou等，被投入区域覆盖反应堆厂房外部、厂房1～6层以及安全壳内部，主要用于内部环境探查（包括图像、辐照水平、温度、水位等），该类机器人是目前为止使用频次最多的机器人;去污类机器人的代表型号包括Warrior、ASTACO-SoRa、Raccoon、高压水去污机器人等，主要用于作业区域和通道的去污工作[6，7]。

2.2.2 核环境下智能机器人关键技术

①耐辐照技术

核作业环境的特殊性，首先体现在高辐照剂量水平。耐辐照能力直接决定了核用机器人的使用周期以及使用范围。以福岛核事故为例，事故发生后最先投入使用的部分应急机器人受限于强放射性环境而无法作业并返回，既没有完成既定任务，同时，也额外增加了放射性废物。反应堆内的α、β、γ射线和中子会对机器人的电子元器件以及传感器造成严重损坏，特别是摄像模块，采用的光电传感器容易受到强辐照干扰，从而丧失功能。目前，国内外研究人员主要从耐辐照材料的研发工作入手，开展了大量的工作。

②通信技术

机器人进入作业区域后，如何快速、可靠地向操作人员反馈现场信息，是一项亟需解决的技术难点。采用有线通信方式，在复杂的作业环境内，机器人的过多操作可能会发生通信线路打结缠绕的情况，致使通信功能丧失、机器人无法返回;采用无线通信方式，在强辐照环境下，无线通信的通信距离、通信稳定性都受到极大的限制。目前，较多采用通信中继器或者优化通信线路设计的方式来实现稳定通信功能。

③先进控制技术

传统的单一遥控机器人在智能技术的推动下，逐渐向拥有智能决策功能的机器人演化。通过搭配的摄像模块、红外、超声波等传感器[8]，极大地丰富了对环境条件的反馈能力，通过机器人自带的智能控制芯片以及后台人员辅助操作，可以实现智能机器人对环境的智能感知、操作任务分析判断及自动化实施，从而实现“人-机-环”的深度融合。

3 结论

核能发展虽然历经波折，但总体而言依然具有广阔的前景，特别是蓬勃发展、不断更新迭代的智能技术与核电深度融合，既为核电行业的深刻变革提供了核心驱动，也为核电的稳定性、可靠性提供了技术保障。目前，我国智能技术与国际先进水平仍存在一定的差距，技术水平相对较低。一方面，要关注先进智能技术前沿;另一方面，要积极引入智能技术，不断提升核电行业的数字化、智能化水平。

【参考文献】

【1】中国核能行业协会.2020年1-12月全国核电运行情况[EB/OL].http：//www.china-nea.cn/site/content/38577.html，2021-01-27.

【2】.“华龙一号”全球首堆并网成功[J].水泵技术，2020（6）：57.

【3】.新一代人工智能发展规划[J].科技创新与生产力，2017（8）：2+121.

【4】杜华，罗英，余志伟，等.智能技术与反应堆结构设计的结合[J].科技创新与应用，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】陈法国，杨明明，韩毅，等.机器人在福岛核事故中的应用和启示[J].辐射防护，2018，38（4）：344-351.

【7】冯常，王从政，赵建平，等.核环境作业机器人研究现状及关键技术分析[J].光电工程，2020，47（10）：88-98.

【8】刘波，王欣，吴王锁，等.机器人在核与辐射事故应急中的应用展望[J].工业安全与环保，2015，41（1）：62-64.