核电数字化转型趋势

2023-08-16 11:38    数字核电  小堆  SMR  英国核电

随着JET运营期限的结束,JET新颖的工作方式正在引起行业注意,在其影响下,最终我们可能会看到一个更加开放的核工业。


随着JET运营期限的结束,JET新颖的工作方式正在引起行业注意,在其影响下,最终我们可能会看到一个更加开放的核工业。

1、数字化转型


JET将于今年年底完成其科学任务

今年早些时候,在英国政府的招标门户网站上,UKAEA发布了一份公开呼吁,要求接受市场对“使用创新可视化技术实现实时报告方面,人工智能、虚拟现实和其他自动化方面”的意见。

UKAEA表示,它“特别有兴趣了解颠覆性技术是否有可能应用于核能领域”。

在这一呼吁发出之际,英国能源行业正处于数字化转型之中。

英国行业监管机构和政府一直在敦促该国的能源网络和能源资产所有者进行数字化转型,并且警告称,如果不转向数字环境,目前该行业资产属性——从几个大型发电站到数百万个附属设施,从几千瓦的家庭到数十亿瓦的裂变和聚变反应堆——革命将无法实现。

这些趋势正在推开一扇敞开的大门。能源行业也看到了数字化的巨大机遇,从而节省成本和简化运营,在数字化中,能源业的资产“数字孪生”等工具能够使他们能够开发和培训运营商,或测试在虚拟环境中工作的新方式,然后再承担在现实世界中高成本和风险的行动。

作为未来聚变发电的中心,位于卡尔哈姆的UKAEA必须像电力行业的其他部门一样实现数字化飞跃。

与此同时,UKAEA的长寿命资产现在正进入报废阶段,主要是欧共体联合聚变中心(JET),它将于年底完成其科学任务。

正如UKAEA对市场的呼吁所表明的那样,对数字机遇的开放,对这两项活动都同样重要。

但是,正如UKAEA明确表示的那样,数字化核工业可能会改变核能与其他行业的互动,并可能帮助其消除关闭工厂的影响。

2、颠覆或创新

罗伯·巴金汉(Rob Buckingham)是UKAEA的执行董事,他领导着机器人部门RACE(严苛环境中的远程应用程序),现在还负责JET的退役和重新利用。

谈到该组织的公开呼吁,巴金汉迅速提出了“颠覆”的定义。他说:“人们喜欢创新,不喜欢颠覆。但它们当然是一样的。创新导致颠覆。”

他正在寻找可以测试和扩大规模的变革,“这将颠覆我们做事的方式”。

谈到退役的准备工作,巴金汉指出,许多部门都需要复杂的退役过程,无论是在海上设备、太空设备还是无法进入的陆上设施,如核反应堆。


通过合作开发的技术可用于塞拉菲尔德设施的退役(图源:塞拉菲尔德核电退役现场)

他说,处理这些外部因素从一开始就应该是工程师工作的一部分。

他的组织与英国核退役管理局(NDA)密切合作,负责清理英国最早的17个核设施,但UKAEA对聚变的关注给它带来了不同的挑战。

他说:“我们从自然界中知道,永远没有免费的午餐……总会有后果,我们应该睁大眼睛。”

JET及其升级版的燃料是氘和氚,氚具有放射性,容易发生迁移,“我们最终会得到含氚材料。我们如何管理和提取氚真的很重要。还有其他材料被聚变中子激活。虽然没有长寿命的,但必须加以管理。”

管理不仅仅是处置,还包括减少危险废物元素、重复使用和回收。

3、向其他行业学习


JET工作人员在UKAEA 卡尔哈姆

创新和颠覆的一部分——以及UKAEA对市场的呼吁——是向其他行业学习。

巴金汉解释说,他花了大量精力向英国政府证明,聚变与裂变行业不同,有不同的危险因素,对于聚变行业来说,与其受核监管办公室的监管,更应该可以由健康与安全执行局(HSE)和环境署(EA)监管——这是一个其他行业熟悉的监管机构。

根据这一论点,该行业的风险和危害评估,很大程度上可以借鉴其他行业类似的方式。

巴金汉说:“这给了一个向他人学习的机会”,并促使你以新的方式看待这个问题。

例如,“有一个有趣的问题是,聚变是一个有放射性废物的加工行业,还是相反。处理废物的起点很重要。”

巴金汉承担了JET退役和重新利用的责任,这个项目意义重大,这是一个机会,“这是第一次有机会让聚变发电厂退役,也是在未来50年的第一次退役,所以这是一个非常重要的学习机会。与其只想着摆脱它,不如让我们思考一下这个行业有什么技术,我们能做些什么”。

4、数字化的未来


在JET使用数字孪生技术进行远程操作(图源:©MontyRakusen)

如上所述,JET正进入退役阶段,而此时许多公司——包括能源行业的公司——正在利用新的数字化机会,建立其设备设施的“数字孪生”。

巴金汉详细介绍了这种数字孪生的一些机会和优势。

数字孪生支持发展规划和战略,因为虚拟环境允许共享世界视图。他们提供了一个平台,可以更快地进行培训、测试和决策,并规划和排练特定的操作,“因为你不局限于硬件”。

利用数字环境中的所有可用数据,设施所有者和运营商可以“向后滚动”过去发生的事情,并“向前滚动”来想象和测试潜在的程序或策略。

谈到在UKAEA使用这些数字工具,巴金汉说,“JET一直有很好的反应堆内部模型,并使用数字孪生进行规划。我们对它的外观图像进行了数字化,包括机器人和实时移动的机器人。同时,我们也正在添加其他信息,如辐射图,它提供增强现实。我们也在添加力,因为我们有‘人在环’机器和触觉(复制‘感觉’)。如果你处理一个组件,你可以感受到所涉及的力度。”

这些数字工作方式并不是聚变行业独有的——事实上,与传统的核工业相比,许多软件与其他行业,如游戏行业有很多共同点。

5、经验借鉴

在某种程度上,UKAEA与广阔市场的接触,旨在挖掘在这些行业的经验和相关工具。

巴金汉表示,以前核能是“在一个相当小的池塘里捕鱼”,但现在,“核能部门就需要接触游戏部门的工作人员和所有其他人,以跟上时代发展潮流,然后在我们的环境和法规范围内应用有用的部分”。

他说,该行业试图为自己重新创造在其他地方已经用过的解决方案是愚蠢的,既耗资巨大又效率低下。

“我们使用的游戏引擎是在汽车、航空航天等行业使用的软件产品——通用工具和控制系统。只有当接触到特定环境中具有特定危险的机器时,才会感到特别。”

在实践中,为了让新加入者发挥出最佳水平,巴金汉说:“你必须给他们一些前后背景”。重要的是,在与以前不属于核工业的公司交谈时,不要过于笼统,浪费双方的开发时间,同时,在早期阶段不要过于针对核能,错过可以适应核工业需求的选择。

他举的例子之一是LongOps倡议,这是一项耗资1,200万英镑(1,530万美元)、为期四年的核工业合作项目,由UKRI、NDA和TEPCO资助,UKAEA的RACE团队领导。

他解释道:“我们都对使用数字孪生感兴趣。该计划的一个条件是将50%的资金投入供应链,我们询问他们是否在这些领域拥有相关技术,并能做出贡献。我们已经从其他公司那里得到了很多经验,再看到这些公司展示出来的技术真是太棒了。”

他说,80%的参与者是业内熟悉的公司,20%是有新思维的新公司,例如,有一家公司多年来一直在开发手术触觉系统。

巴金汉表示,他们正在与这家公司密切合作,“希望我们能从他们改进产品的过程中受益”。

6、未来可期

展望未来,巴金汉表示,“现在的世界有了一个数字层”,所有的数字孪生将开始走到一起,比如在包括交通、建筑等在内的复杂城市模型中。

对他来说,这与复杂的核电站类似,他说:“我认为我们将有一整个核电站,包括非常详细的数据。”

“我坚信聚变发电厂必须远程操作,在这种情况下,数字模型很重要。虽然仍然有人在操作,但实际上不需要动手,不过在真正投入之前,需要大量的计划。”

这符合小型模块化反应堆的一些运行模式,并且已经被用于管理电力系统中的其他设施,如电池阵列、风电场和太阳能发电场,或多种设施的复杂组合。

此外,还需要与其他部门交流经验。巴金汉说:“英国皇家研究院有一个名为‘机器人创造更安全的世界’的项目,目标是给那些生活在偏远地区的人们提供能源。这些领域包括近海、太空、采矿和核能。”

其成果包括数字服务,使人们能够提高技能,从而使用数字工具完成工作或学习任务,在进入现实环境时提高生产力、安全性和速度。

“核工人和矿工之间有一些相似之处。他们在进入了危险环境都需要穿戴防护设备。如何避免人员在工作中产生的危险?这里面有着巨大的空间。制造工具、操作工具、计划如何更好地使用工具——这些都是颠覆。”巴金汉说。

面对数字化的世界,需要具备更大的应变能力。

他说:“所有这些数字工具会变得更好、更快。必须提高适应性和灵活性,这些工具在不断发生变化,并提供新的机遇。必须不断跟上,并制定淘汰战略。”

令人惊讶的是,巴金汉认为变化不会那么剧烈的一个领域是人工智能。

他说:“在受监管的行业,我们将利用数字化工具作为规划的一部分,随后将其重新交给人们控制。我们所有的控制——法律、法规、保险——都是基于人们的行为。我们制定了这些制衡机制,以获得一致的绩效和良好的行为。管理这种情况的方法是使用这些新技术来确定更好的做事方式。一旦掌握了这些新知识,就会用来改进现有的流程和技术”。

7、社会变革


JET大楼(图源:EUROFusion)

除了技术变革外,这种以数字和机器人为主导的模式还将推动社会变革——无论是在广泛的行业领域,还是在核工业内部——核工业过去常常被视为员工和供应商的“封闭车间”。

巴金汉指出了发展专业集群的机会。

他们的另一项倡议,机器人与人工智能合作组织(RAICo),该组织包括NDA、塞拉菲尔德、曼彻斯特大学和UKAEA,位于坎布里亚郡的小镇怀特哈文,靠近塞拉菲尔德,以方便开展工作。

塞拉菲尔德是该地区最大的雇主,但正如巴金汉所说,“在坎布里亚郡提供数字和人工智能工作将形成一个集群,让人们有更多的理由来这里工作”。

同样,数字技术允许远程工作,这为集群成员提供了一种无需离开该地区的替代方案。

对于未来的专家来说,核工业和其他行业之间可能会有更多的流动,因为不同行业的数字特定角色非常相似。

正如巴金汉所说:“每个人都认为自己的行业是‘特殊的’,但事实并非总是如此。世界各地都有大量非常有创造力的人,要努力尝试利用这种创造力。”

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