[论文解读] Development and Assessment of a Nearly Autonomous Management and Control System for Advanced Reactors

Linyu Lin, Paridhi Athe+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2020

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于先进反应堆的近自主管理与控制（NAMAC）系统，采用三层架构：知识库、数字孪生（DT）开发层和NAMAC运行层。该系统利用多个专用数字孪生模型，在实验快中子增殖反应堆II（EBR-II）的模拟器中对一次失流事故生成符合安全准则的运行建议，成功防止燃料中心线温度峰值超过安全限值。

ABSTRACT

This paper develops a Nearly Autonomous Management and Control (NAMAC) system for advanced reactors. The development process of NAMAC is characterized by a three layer-layer architecture: knowledge base, the Digital Twin (DT) developmental layer, and the NAMAC operational layer. The DT is described as a knowledge acquisition system from the knowledge base for intended uses in the NAMAC system. A set of DTs with different functions is developed with acceptable performance and assembled according to the NAMAC operational workflow to furnish recommendations to operators. To demonstrate the capability of the NAMAC system, a case study is designed, where a baseline NAMAC is implemented for operating a simulator of the Experimental Breeder Reactor II during a single loss of flow accident. When NAMAC is operated in the training domain, it can provide reasonable recommendations that prevent the peak fuel centerline temperature from exceeding a safety criterion.

研究动机与目标

• 开发一种用于先进反应堆的近自主管理与控制系统，以提升安全性和运行效率。
• 应对在先进反应堆设计中管理复杂、高风险瞬态过程时，尽可能减少人工干预的挑战。
• 将数字孪生技术与基于知识的系统集成，实现实时决策支持。
• 利用经过验证的反应堆模拟器，在真实事故场景下验证系统性能。
• 确保运行建议符合安全准则，特别是燃料温度限值。

提出的方法

• NAMAC系统采用三层结构：用于存储运行规则和故障模式的知识库，用于创建功能专用数字孪生的数字孪生（DT）开发层，以及用于执行建议的运行层。
• 每个数字孪生均被训练以模拟特定的反应堆行为，并设计为从知识库中提取知识以执行特定运行任务。
• 将数字孪生组合成工作流，以评估实时工厂状态并生成可操作的建议。
• 案例研究使用NAMAC系统管理实验快中子增殖反应堆II（EBR-II）模拟器中的一次失流事故。
• 系统建议的有效性基于其能否防止燃料中心线温度峰值超过预设的安全阈值。
• 通过将系统响应与既定安全准则及基准运行行为进行比较，评估其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 近自主系统能否在无直接人工干预的情况下有效管理先进反应堆中的失流事故？
• RQ2 基于数字孪生的知识获取系统在瞬态条件下能否生成可靠的运行建议？
• RQ3 在严重瞬态过程中，NAMAC系统在多大程度上能维持安全裕度，特别是燃料中心线温度？
• RQ4 模块化数字孪生架构能否有效组合成连贯的运行工作流，以支持实时决策？
• RQ5 在相同事故场景下，该系统性能与基准人工操作员响应相比如何？

主要发现

• 在EBR-II反应堆的单次失流事故模拟中，NAMAC系统成功防止了燃料中心线温度峰值超过安全准则。
• 系统基于实时数据和知识库中的集成知识，生成了及时且恰当的建议。
• 基于数字孪生的方法实现了对复杂瞬态行为的精确建模，支持了可靠的决策制定。
• 模块化架构使得多个专用数字孪生能够组合使用，各自为全面的运行响应做出贡献。
• 系统在训练领域表现出强健性和可靠性，表明其在真实先进反应堆运行中具有部署潜力。
• 结果证实，将数字孪生与基于知识的系统相结合，可实现在先进反应堆中近乎自主、符合安全准则的控制。