تكنولوجيا الطوأمين الرقمية في مختبر أرغون تُعزز كفاءة وسلامة المفاعلات النوويّة المتقدّمة

في مدينة ليمنت بولاية إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية، أعلنت المختبرات الوطنية أركون، التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، عن تطوير تقنية التوائم الرقمية لتعزيز كفاءة وموثوقية وسلامة المفاعلات النووية. هذا الإنجاز يأتي في إطار سعي الباحثين إلى تقديم حلول مبتكرة تدعم التقدم في مجال الطاقة النووية. وفقًا لروي هو، المهندس النووي الرئيسي في أركون، تعد التوائم الرقمية خطوة مهمة نحو فهم وإدارة المفاعلات النووية المتقدمة. فهي تتيح للعاملين توقع واستجابة للتغيرات في ظروف المفاعل بسرعة ودقة فائقتين. قال هو: "تقنية التوائم الرقمية تفتح آفاقًا جديدة في فهم وإدارة المفاعلات النووية، مما يُمكننا من التنبؤ والاستجابة للتغيرات بسرعة ودقة مطلوبتين." التوائم الرقمية هي نماذج افتراضية دقيقة لمُنظومات العالم الحقيقي، تُساعد العلماء في مراقبة وتوقع سلوك المفاعلات النووية الصغيرة والمدمجة تحت مختلف الظروف. استخدم فريق أركون منهجيتهم لتطوير توائم رقمية لمفاعلين نوويين: المفاعل التجريبي غير النشط حاليًا (EBR-II) ومفاعل نووي جديد من نوع المفاعلات ذات مبردات الأملاح الفلوريدية عالية الحرارة (gFHR). كان المفاعل EBR-II بمثابة حالة اختبار لتحقق صحة نماذج المحاكاة. يُعتبر الشبكات العصبية الرسومية (GNNs) النواة الأساسية لهذه التقنية. فهي نوع من الذكاء الاصطناعي قادر على معالجة البيانات المُهيكلة كرسوم بيانية تمثل مكونات متصلة. تتميز هذه الشبكات بقدرتها على تعرف الأنماط والعلاقات المعقدة، مما يوفر رؤى قوية في الأنظمة التي تعتمد فيها العلاقات بشكل كبير. من خلال الحفاظ على تخطيط أنظمة المفاعلات ودمج القوانين الفيزيائية الأساسية، توفر التوائم الرقمية المستندة إلى GNNs نسخة دقيقة وقوية من الأنظمة الحقيقية. لتدريب شبكات GNNs وإجراء تحليل عدم اليقين، الذي يهدف إلى تحديد وتقليل عدم اليقين في النماذج، استعان الباحثون بمركز الحوسبة الريادي أركون (ALCF)، وهو أحد مرافق مكتب العلوم في وزارة الطاقة الأمريكية. هذا المركز يوفر القدرة الحاسوبية الضرورية لتحقيق هذه الهدف. تتميز التوائم الرقمية المستندة إلى GNNs بأنها أسرع بكثير من المحاكيات التقليدية، حيث يمكنها التنبؤ بسلوك المفاعل بسرعة خلال سيناريوهات مختلفة، مثل تغييرات في الإنتاج الكهربائي أو أداء نظام التبريد. يتم تحقيق هذا التطور من خلال تدريب النموذج على البيانات المحاكاة التي يتم توفيرها بواسطة أداة تحليل أنظمة المفاعلات المتقدمة (SAM) في أركون. يمكن للنموذج المدرب أن يقدم توقعات دقيقة بناءً على بيانات الاستشعار في الوقت الفعلي المحدودة، مما يدعم التخطيط وصنع القرار بشكل أفضل، ويُمكن من خفض تكاليف الصيانة والتشغيل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتوائم الرقمية مراقبة المفاعلات باستمرار وكشف أي تشوهات. عند رصد سلوك غير اعتيادي، يمكن للنظام اقتراح تعديلات لضمان السلامة ومواصلة التشغيل بسلاسة. تقدم تقنية التوائم الرقمية في أركون العديد من المزايا على الطرق التقليدية، حيث توفر توقعات أكثر موثوقية من خلال فهم كيفية تعاون جميع أجزاء المفاعل. يمكن استخدامها في التخطيط للطوارئ، صنع القرار المستنير، وفي المستقبل ربما التشغيل المستقل للمفاعلات. تمثل هذه الابتكارات خطوة كبيرة للأمام في تطوير وإطلاق المفاعلات النووية المتقدمة، مما يضمن تشغيلها بأمان وموثوقية وكفاءة، مع خفض التكاليف وتمديد عمر المكونات.