近日，普渡大學一號反應堆(PUR-1)憑借其獨特的數字化能力，正站在核能革命的前沿，有望推動新一代更安全、高效且具成本效益的核反應堆發展，加速向無碳電力的過渡。

該反應堆是開發下一代反應堆人工智能、遠程監控和自主控制的理想試驗臺。普渡大學照片

PUR-1作為美國首個實現全數字控制和運行的反應堆，其整個“神經系統”——儀表和控制系統，均依托計算機屏幕、鍵盤和以太網電纜。普渡大學的工程師和學生借助PUR-1開展了一系列開創性實驗，這些實驗成果直接影響了小型模塊化反應堆(SMR)和微反應堆等先進反應堆的研發進程。

這些規模較小、建造更為便捷的反應堆，旨在為農村和偏遠地區等更廣泛的社區提供電力，并且主要依靠數字通信，從集中控制中心進行遠程操作。數字化的飛躍還使得實時數據收集和人工智能(AI)工具的集成成為可能，進而實現了對反應堆性能的持續監測。這種主動監測方式通過更好地預測和檢測定期維護期間可能出現的問題，有效提高了安全性，并延長了反應堆的使用壽命。

為進一步鞏固普渡大學在該領域的領先地位，核工程實驗室助理教授兼PUR-1副主任Stylianos Chatzidakis已完成了PUR-1的“數字孿生”構建。這一完全集成的物理和數據驅動模擬項目同樣由能源部資助，它能夠從PUR-1的傳感器接收實時數據，并采用人工智能驅動的算法進行預測，為反應堆的運行提供有力支持。Chatzidakis強調：“我們是唯一一所擁有真正核反應堆數字孿生的大學，能夠利用反應堆產生的信號開展研究，這讓我們與眾不同。”

Chatzidakis與來自普渡大學和阿貢國家實驗室的合作者在《自然科學報告》上發表的一項研究，展示了數字孿生在測試旨在提高SMR性能的機器學習算法方面的能力。該算法對反應堆發電量變化的預測準確率高達99%，充分證明了其在實際應用中的潛力。通過數字孿生遠程訪問PUR-1測量數據的能力，對于探索遠程操作先進反應堆的可行性至關重要。

Chatzidakis在新聞稿中解釋道：“假設有一批在偏遠地區運行的小型模塊化反應堆或微反應堆，如果工作人員能在數百或數千英里之外的控制室同時監控多個反應堆，我們就能最大限度地降低運營和維護成本。使用PUR-1，我們可以量化潛在的成本降低。”

不過，遠程操作對網絡安全提出了極高要求。在美國核管理委員會發布的一份技術信函報告中，Chatzidakis和他的團隊利用PUR-1的實時反應堆數據，評估了人工智能和機器學習模型在識別核系統內異常網絡安全狀態方面的能力。他們在研究中成功檢測到此類事件，為核工業開發網絡安全人工智能提供了寶貴參考。

此外，該實驗室還在研究量子加密的尖端應用，以確保與反應堆之間的通信安全。Chatzidakis表示：“基于量子原理的加密技術無法被任何計算機破解，無論你擁有的是超級計算機還是量子計算機，它都是牢不可破的。”通過使用PUR-1數據進行模擬，該團隊探索了量子加密如何促進先進反應堆的安全遠程監控和運行。

他們的下一步計劃包括開展真實世界實驗，以測試量子設備是否可以通過其數字孿生訪問加密來自PUR-1的信號，從而進一步鞏固普渡大學在推動未來核能發展方面的作用。

PUR-1主管True Miller總結道：“當人們第一次看到反應堆時，都會感到敬畏。很多人并不真正理解核能的含義。在參觀期間，向他們解釋核能究竟是什么，以及它背后的真相和迷思，是一個很好的時機。”