2021年5月，美國能源部(DOE)宣布將為9個項目提供2700萬美元的資金，用于開發(fā)數(shù)字孿生技術以降低先進反應堆的運營和維護成本。這筆資金隸屬于DOE高級研究計劃署能源署(ARPA-E)下屬的智能核資產(chǎn)發(fā)電管理(GEMINA)。ARPA-E成立于2009年，旨在為私企的能源技術在早期高風險時期提供資金。
GEMINA希望將下一代核電站的運維成本降低至原來的十分之一，使核電站更加經(jīng)濟、靈活、高效。GEMINA計劃為一系列先進反應堆設計開發(fā)數(shù)字孿生技術。
數(shù)字孿生技術將用于未來運維框架的戰(zhàn)略性設計，以提高靈活性、自主性并加速設計迭代。Slaybaugh(GEMINA項目主管，加州大學伯克利分校的核工程教授)表示，現(xiàn)在數(shù)字孿生體的設計將決定未來運維方式。
如果從一開始沒有從戰(zhàn)略上考慮運維工作，那將是一個沒有競爭力的系統(tǒng)。僅僅憑借數(shù)字技術降低現(xiàn)有反應堆成本的程度是有限的，因為簡單的數(shù)字技術沒有配備收集數(shù)據(jù)以支持先進的預測性維護技術所需的數(shù)字傳感器。
核能研究所(NEI)稱，核電的平均發(fā)電成本從2012年的44.57$/MWh下降到2019年的30.42$/MWh，下降了約三分之一。
平準化能源成本(LCOE)并不能說明全部情況。運營成本同樣重要，近年來美國部分反應堆因經(jīng)濟原因而關閉。Slaybaugh表示，事實上，運維成本幾乎占了當前核電站發(fā)電成本的全部，核電的固定運維成本比天然氣高一個數(shù)量級。
GEMINA專注于數(shù)字孿生技術，以實現(xiàn)顯著和可持續(xù)的降低運維成本。先進反應堆按照優(yōu)化的人員配備方案和固定運維成本運行，相比其他發(fā)電能源更具競爭力。
MSRs項目的模塊化運維
密歇根大學獲得了近520萬美元資助，用于為先進反應堆開發(fā)基于現(xiàn)實、模型并可擴展的一體化運維系統(tǒng)。一體化運維系統(tǒng)將包括：可擴展的數(shù)字孿生體;維護評估系統(tǒng)(以監(jiān)測運行情況并評估先進反應堆的健康狀況和維護需求);智能操作控制器(在正常和事故條件下實現(xiàn)自主控制)和運維監(jiān)督系統(tǒng)(監(jiān)督運維情況)。
GEMINA計劃使用密歇根大學的熔鹽堆來驗證該運維系統(tǒng)，并將其應用于Kairos Power的HTR設計中，以展示如何應用新型運維系統(tǒng)來優(yōu)化電站設計。由阿貢國家實驗室(ANL)領導的MARs項目正在與Kairos Power合作，旨在通過先進的傳感器和設備降低Kairos反應堆的運維成本。
憑借220萬美元的資金，科學家們將開發(fā)可以適應反應堆內(nèi)高溫和化學環(huán)境的新型傳感器，并開發(fā)機器學習分析傳感器數(shù)據(jù)的算法，幫助實現(xiàn)反應堆監(jiān)測的自動化。
ANL過程模擬和保障小組經(jīng)理Nathaniel Hoyt表示，MARs項目致力于使新反應堆盡可能安全、經(jīng)濟。通過先進的傳感器和自動化技術，可以大大減少運維成本。MARs項目的目標是將運維成本降低至2$/MWh。
由麻省理工學院(MIT)與MPR Associates合作領導的為期兩年的項目旨在更好地理解MSRs堆芯中產(chǎn)生的放射性物質(zhì)特性，以預測和降低運維成本。該團隊將使用MIT的研究堆對計劃用于MSRs的材料中含有燃料的熔鹽進行輻照，同時監(jiān)測釋放的放射性。監(jiān)測數(shù)據(jù)將用于MSRs項目數(shù)字孿生體的開發(fā)。
MIT還將與美國電力研究所(EPRI)密切合作進行概念論證研究，探索擺脫傳統(tǒng)的運維方法。EPRI領導的項目旨在研究“更換和翻新”模型，其中組件的設計壽命更短、更可預測(采用類似商業(yè)航空業(yè)的方法)。
MIT項目負責人、核科學與工程系教授Koroush Shirvan表示，這個合作項目將通過讓核技術更好地適應不斷變化的能源市場條件來重新審視降低運維成本。MIT的作用是確定適用于各先進反應堆技術的降低成本的途徑。
為BWRX-300開發(fā)數(shù)字孿生體
GE Research和MIT已獲得資助，將組織開發(fā)數(shù)字孿生技術的項目團隊，同時采用人工智能和先進建?？刂葡到y(tǒng)。
GE Research領導的團隊(包括Exelon發(fā)電公司、橡樹嶺國家實驗室、田納西大學諾克斯維爾分校和GE Hitachi[GEH])將構(gòu)建BWRX-300關鍵組件的數(shù)字孿生體，并使用人工智能做出風險決策。
Exelon公司運營著美國最大的核電站，將提供歷史數(shù)據(jù)，為先進反應堆的模型和運維成本降低目標提供信息。GE Research的高級人工智能科學家兼項目負責人Abhinav Saxena表示，GE已經(jīng)在一系列產(chǎn)品和部門中開發(fā)和部署了超過120萬個數(shù)字孿生體。
GE已經(jīng)在風力渦輪機和燃氣輪機中應用其Humble AI技術，提高了其效率和能量輸出。
GE的目標是為核行業(yè)帶來同樣利益，在降低運維成本的同時提高電站自動化程度。
MIT領導的團隊(包括GE Research和GEH)將展示預測性維護方法和基于模型的故障系統(tǒng)檢測技術。
為HTRs降低成本
Framatome將為高溫氣冷堆(HTR)開發(fā)兩個新型數(shù)字孿生體，并結(jié)合Metroscope一起使用(連接數(shù)字孿生體及其故障庫并對其進行監(jiān)控的軟件包，使用算法在早期發(fā)現(xiàn)問題)。AEL正在設計非能動冷卻方案的數(shù)字孿生體。
該項目由AEL科學家Darius Lisowski領導，將使用來自AEL自然對流關閉排熱測試的數(shù)據(jù)模擬自然空氣和水循環(huán)冷卻反應堆。這些數(shù)據(jù)將用于開發(fā)Framatome的數(shù)字孿生體并提高其可靠性和成熟度。然后Framatome將通過數(shù)字孿生技術對非能動冷卻系統(tǒng)與典型的冷卻系統(tǒng)進行比較，以確定HTR中蒸汽回路的冷卻系統(tǒng)。
X-energy公司獲得了600萬美元用于數(shù)字孿生項目，該項目旨在將其Xe-100 HTR反應堆的固定運維成本降低至2$/MWh。
該項目將使用人因工程、概率風險評估、危害分析以及安全和維護評估來確定需要優(yōu)化的領域。X-energy還將使用自動化、機器人、遠程和集中維護以及監(jiān)控等先進技術來優(yōu)化人員配備方案并確保電站最佳運營。
數(shù)字孿生技術的未來?
最初以為僅依靠現(xiàn)實和數(shù)字化的結(jié)合就足以創(chuàng)建準確的數(shù)字模型。然后，隨著更復雜的實驗設施和示范反應堆的建造，數(shù)字孿生技術可以生成更準確的數(shù)據(jù)并改進模型。美國能源部(DOE)正在部署一個多功能測試反應堆，該反應堆計劃在2026年投入運行，Oklo、Terrapower、Karios和NuScale的設計方案計劃在該反應堆上進行演示。
數(shù)字孿生技術的最終目標是使開發(fā)的工具成為標準并在未來在先進反應堆中應用。
