第四节
人工智能与核能

关于核能，我们首先需要了解核能是什么。

根据百度百科，核能是通过核反应从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程 E = m c 2 。其中， E 为能量， m 为质量，c为光速。核能可通过3种核反应释放：第一种是核裂变，较重的原子核分裂释放结核能；第二种是核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结核能；第三种是核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。

20世纪尤其是20世纪下半叶，人类在能源开发利用的道路上取得了重大突破，通过控制原子核的变化（核裂变和核聚变）来获取巨大的能量。二十世纪三四十年代，德国和美国进行了核裂变实验。通过实施曼哈顿计划，美国成功利用核裂变反应制备原子弹，并于“二战”结束前在日本广岛和长崎投下两颗原子弹。“二战”结束后，人类希望和平利用核能。1954年，苏联奥布宁斯克核电站并网发电。1957年，世界第一座商用核电站——美国希平港（Shippinport）核电站（见图1-6）并网发电。自此，人类进入了和平利用核能的时代，揭开了核能用于发电的序幕。

（1）实验示范阶段（1954—1965年）

1954—1965年，全世界共有38个核电机组投入运行，属于早期原型反应堆，即第一代核电站。其间，1954年，苏联建成世界上第一座核电站——5MW实验性石墨沸水堆；1956年，英国建成45MW原型天然铀石墨气冷堆核电站；1957年，美国建成60MW原型压水堆核电站；1962年，法国建成60MW天然铀石墨气冷堆；1962年，加拿大建成25MW天然铀重水堆核电站。法国PALUEL核电站见图1-7。

（2）高速发展阶段（1966—1980年）

1966—1980年，全世界共有242台核电机组投入运行，属于第二代核电站。由于石油危机的影响及被人们看好的核电经济性，核电得以高速发展。其间，美国成批建造了500～1100MW的压水堆、沸水堆，并出口其他国家；苏联建造了1000MW石墨堆，以及440MW、1000MW VVER型压水堆；日本、法国引进和消化了美国的压水堆、沸水堆技术；法国核电发电量增加了20.4倍，比例从3.7％增加到40％以上；日本核电发电量增加了21.8倍，比例从1.3％增加到20％。美国三英里岛核电站、苏联切尔诺贝利核电站分别见图1-8和图1-9。

（3）减缓发展阶段（1981—2000年）

1981—2000年，由于1979年美国三英里岛核电站及1986年苏联切尔诺贝利核电站事故的发生，直接致使世界核电发展停滞，人们开始重新评估核电的安全性和经济性，为保证核电站的安全，世界各国采取增加更多的安全设施、制定更严格的审批制度等措施，以确保核电站的安全可靠。

（4）开始复苏阶段（2001年至今）

21世纪以来，随着世界经济的复苏，以及越来越严重的能源、环境危机，核电作为清洁能源的优势重新显现。同时，经过多年的技术发展，核电的安全性、可靠性进一步提高，世界核电的发展开始进入复苏阶段，世界各国都制定了积极的核电发展规划。美国、欧洲、日本等国家和地区开发的先进轻水堆核电站，即第三代核电站取得重大进展，部分已投入商运。

综上所述，70年来，核电经历了1954—1965年的实验示范阶段、1966—1980年的高速发展阶段、1981—2000年的缓慢发展阶段，以及2001年至今的开始复苏阶段。根据IAEA统计，截至2019年6月底，全球共有449台核电机组在运行，分布在30个国家，核电装机近4亿千瓦，另有54台核电机组在建，核电装机约为5500万千瓦，全球核电运行堆年超过1.8万年。世界核协会年度报告显示，2018年，全球核发电量超过2500亿千瓦时，占全球电力供应的10.5％。

从中国核能的宏观政策来看，近中期目标是优化自主第三代核电技术；中长期目标是开发以钠冷快堆为主的第四代核能系统，积极开发模块化小堆，开拓核能供热和核动力等利用领域；长远目标则是发展核聚变技术。

中国核电的发展主要经历了起步阶段、适度发展阶段和快速发展阶段。

（1）起步阶段（20世纪70年代初期—20世纪90年代中期）

20世纪70年代初期，我国核电开始起步。1985年3月20日，中国自主设计建造的第一座30万千瓦压水堆核电站在浙江秦山开工建设，1991年12月15日成功并网发电，结束了中国无核电的历史。

（2）适度发展阶段（20世纪90年代中后期—2004年）

20世纪90年代中后期，我国确立了“适度发展核电”的方针。在此方针指导下，我国相继建成了浙江秦山二期核电站、广东岭澳一期核电站、浙江秦山三期核电站等，使我国核电设计、建造、运行和管理水平得到很大提高，为我国核电加快发展奠定了良好的基础。

（3）快速发展阶段（2005年至今）

2005年10月，根据“十一五”规划，我国核电的发展方针由“适度发展”转变为“积极发展”。自此，中国核电迈入批量化、规模化的快速发展阶段。截至2021年12月，我国商运核电机组共51台，装机容量为5327.5万千瓦，仅次于美国、法国，位列全球第三名；2020年发电量达到世界第二名；在建核电机组20台，在建核电机组数量和装机容量多年居全球首位。

在碳达峰、碳中和的背景下，我国能源电力系统清洁化、低碳化转型进程进一步加快。预计到2025年，我国核电在运装机容量可达7000万千瓦左右；到2030年，核电在运装机容量可达1.2亿千瓦，核电发电量约占全国发电量的8％。目前，积极有序发展核能的战略定位更加明确，核能将在支撑我国碳达峰、碳中和目标实现过程中发挥更加不可或缺的作用。核能国家发展规划见图1-10，其中，MOX表示混合氧化物，CFETR表示中国聚变工程实验堆，Z-FFR表示Z-箍缩驱动聚变裂变混合堆。

人工智能技术将如何推动核能发展？

核工业作为战略基石行业，拥有大量顶尖科学家和实力雄厚的国家级实验室。在此轮人工智能浪潮中，各大核实验室凭借其人才储备、计算资源及实验设施等优势，已经开展了很多人工智能方面的研究。例如，美国的阿贡、橡树岭、爱达荷等核领域国家实验室，正在使用人工智能方法开展新型核材料研发、分子尺度物理现象模拟等工作。国内清华大学在核电厂状态智能诊断算法方面已经开展了多年研究。除基础研究外，国内核工业界也开展了一些智能应用研发工作，部分产品已基本成熟，具备工程应用的能力。

2018年，我国多个部门联合发布了《关于进一步加强核电运行安全管理的指导意见》，明确要求“推进信息化、智能化、大数据等新技术在核电运行安全管理中的应用，加强对设备状态的监控和人员行为的评价，提高安全管理水平”。国内各核电集团均已全面启动“数字核电”“智慧核电”建设，国际上各核电强国也纷纷布局发力，“智慧核电”已成为世界各核电国家竞相争夺的新高地。

例如，在裂变能领域，人工智能在核电厂设备运行维护方面表现出色。核电厂有数10个系统，囊括上百个专业，设备众多，传统运行维护及检修需要耗费大量人力、物力。随着智能仪表的广泛应用，大量设备状态信号被监测，形成核电运行大数据，配合智能算法，能够对设备状态进行快速预测和诊断。2018年11月，中国核能电力股份有限公司对外发布设备可靠性管理系统ERDB。大数据寿命预测是ERDB的亮点功能之一，通过对核电厂设备各类数据的智能分析、数据的深度学习，可科学、准确地预测设备的劣化趋势，及时、合理地为后续维修策略提供依据。此外，安全是核工业的“生命线”。在引发核电各种事故的诸多因素中，人因失效是重要方面。考虑到人因的特点，将人工智能技术引入核电人因工程，可以有效地提升核电安全运行水平。

在核聚变能的研究中，美国的Tri Alpha公司和谷歌公司研究部门合作，创建了“验光师算法”（Optometrist Algorithm），以帮助核聚变试验更有效地产生所需的等离子体。新算法使计算机模拟结果与人类判断结果相结合，为科学家提供“机器设置和相关结果”，人为的输入可以反过来衡量进一步测试的备选方案。普林斯顿大学和哈佛大学与能源部合作的研究人员，希望人工智能对核聚变的预测能力可以更接近实际。他们将深度学习技术应用到计算机上，以便能够预测用于核聚变的核反应堆聚变等离子体破裂，从而阻止其对核反应堆的破坏。 tEV6g6LbZ75oTjPSD4ot3iImqnbmDN5RA/eejRG6QG7bVzsKqOyBM6y3F7lXr7HP