2秒完成检测，将AI与3D打印相结合，科学家实现小型核反应堆高级监测

人工智能学家 · 公众号 · AI · 2024-11-23 11:40

正文

来源：ScienceAI

编辑：白菜叶

随着人工智能时代对电力的需求不断增长，全球科技公司正逐渐将小型核反应堆作为可持续能源解决方案。

采用先进人工智能的新型远程监控技术能够在短短两秒钟内检测出这些反应堆的潜在危险。这一创新系统能够实时监控内部状况，大大降低管理成本并提高安全性。

由韩国蔚山科学技术院（UNIST）的 Im Doo Jung 教授、Namhun Kim 教授以及庆尚大学（G.N.U）的 Hyungmo Kim 教授共同领导的研究团队推出了一种用于远程监控小型核反应堆的智能组件系统。

该研究以「 Direct energy deposition for smart micro reactor 」为题，于 2024 年 10 月 10 日发布在《Virtual and Physical Prototyping》。

核微反应堆（MR）因其安装位置的多功能性而备受关注，尤其是随着大型数据处理设施对可持续绿色能源的需求日益增长。然而，确保其安全运行需要频繁检查，这对实际有效的管理来说是一个挑战。

研究人员提出了一种新方法，利用直接能量沉积将光纤传感器整合到 MR 组件中，从而实现人工智能实时监控。嵌入式光纤可生成实时数据，从而实现 AI 驱动的体内热变形分析。

该研究的创新之处在于将 3D 打印与 AI 相结合的新技术，能够快速处理来自光纤传感器的多个连续变量。该团队使用定向能量沉积（DED）打印方法成功制造了智能核部件，将光纤传感器无缝集成到金属部件中。

这种设计确保了即使在核反应堆典型的恶劣环境中也能保持稳定性。AI 系统快速分析来自光学传感器的数据，实时监测热变形，使操作员能够通过基于增强现实（AR）的数字孪生界面远程检测异常情况并评估情况。

设备组成

图示：DED 传感器嵌入和监测过程。（来源：论文）

该团队使用 DED 打印机（Inssteck MX600）构建微型反应器组件。分布式光纤应变传感器被用作 MR 组件的内部嵌入式传感器。

为此使用了 Luna Innovations 的 ODiSI 6100 询问器。分布式光纤传感器利用沿其长度产生的脉冲的反向散射。

具体来说，光时域反射仪 (OTDR) 计算到达测量位置并返回所需的时间，从而实现精确的位置确定。传感器还通过分析背向散射脉冲的特性来测量应变。

这些传感器不需要在测量区域供电，并且随着长度的增加信号损失最小，因此适合多种应用。这些应用包括建筑物结构监测、管道和深海测量。

此外，光纤传感器不受电磁干扰，具有出色的耐热和抗辐射性能，非常适合核电站等具有挑战性的环境。

图示：路径优化、传感器嵌入过程和微型反应器 DED 制造结果。（来源：论文）

用AR进行数字孪生模拟实验

研究人员使用增强现实（AR）眼镜进行了数字孪生模拟实验。

图示：增强现实中的实时应变呈现。（来源：论文）

采用 Arduino 模块和 Wi-Fi 通信将传感器数据传输到 AR 眼镜。测量的传感器数据经过预处理，然后传输到 Arduino Nano 33 IoT 模块。

随后，Arduino 模块将数据发送到 Wi-Fi 服务器，AR 眼镜也连接到该服务器以接收数据。MR 组件温度变化导致的应变数据在 AR 中实现。

在 40-120 度的范围内以 5 度为间隔模拟了三种不同的筒式加热器温度条件，并在 AR 环境中使用了这些有限元方法（FEM）图像。

测试显示，从数据采集到数字孪生环境的可视化，整个过程在不到 2 秒的时间内完成。

图示：人工智能集成的 MR 组件数字孪生监测结果。（来源：论文）

性能稳定

与传统的大型核反应堆相比，MR 可以在能源密集型设施附近提供稳定的发电。然而，维护这些工厂的安全至关重要。

这项新技术有望通过使人工智能能够监测通常无法通过人工检查检测到的关键热变形信号，显著提高下一代小型核反应堆的安全性和运行效率。

Jung 教授指出：「我们通过人工智能融合技术解决了传统检查方法带来的挑战，这可以大大提高下一代小型核电站的稳定和高效运行。」

他进一步预测，「这种融合技术的应用范围可以扩展到核能之外，并可能使自主制造系统、航空航天和先进国防等不同行业受益。」

论文链接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2024.2411024