أثر الاستخبارات الفنية على منع وقوع حوادث الأمان النووي

الحاجة المتزايدة إلى السلامة المتقدمة في الطاقة النووية

إن الطاقة النووية تستهلك حوالي 10 في المائة من الكهرباء في العالم، ولا تزال واحدة من أقل مصادر الطاقة الكربونية المتاحة، فمع سعي البلدان لتحقيق أهداف الانبعاثات الصافية من حيث الصفر، يمتد العديد من المفاعلات الموجودة ويستثمر في الجيل القادم من تصميمات مثل المفاعلات النموذجية الصغيرة ونظم التذكير المتقدمة، ويزيد هذا التركيز مجددا على الطاقة النووية من تركيزه على السلامة، بل إن سجل صناعة تشيرنوبيل في جزيرة ميلوشيا مدمرا.

وتعتمد نظم الأمان التقليدية على نماذج محددة، وعلى حكم المشغل البشري، وعمليات التفتيش الدورية، وقد ساعدت هذه النُهج على الصناعة بشكل جيد، ولكنها تفاعلية أو مقررة بشكل أساسي، ولا يمكنها أن تتصور باستمرار أنماط الفشل التي تنشأ من التفاعلات الفرعية والمعقدة بين العناصر الناشئة، وظروف التشغيل المتغيرة، والعوامل الإنسانية، وهذا هو المكان الذي تقدم فيه الاستخبارات الصناعية خطوة إلى الأمام في مسارها الطبيعي الخفي، ومن خلال تجهيز مسارات التبعات الخفية للبيانات التقليدية في الوقت الحقيقي.

How Artificial Intelligence is Reshaping Nuclear Safety Protocols

وتزيد منظمة العفو الدولية صنع القرار الإنساني بدلا من استبداله، ففي المرافق النووية، تُعد نظم الاستشعار الأكثر إثارة من آلاف النقاط عبر قلب المفاعل، وثغرات التبريد، وهياكل الاحتواء، والنظم المساعدة، وتطبق هذه النظم التعلم الإحصائي والاعتراف بالنمط على انحرافات العلم عن السلوك العادي، ونتيجة لذلك، تتحول الصناعة من نموذج قائم على الامتثال إلى نموذج قائم على أساس البيانات.

الصيانة الافتراضية والمعدات

ومن أكثر التطبيقات تطوراً في مجال السلامة النووية الصيانة المتوقعة، إذ أن تناوب المعدات مثل المضخات والتوريبينات والضغطات - إلى جانب الأصول الثابتة مثل مبادلات الحرارة والصمامات - التي تخضع للرصد المستمر، ويمكن أن يؤدي تحليل التذبذب، والانبعاثات الصوتية، واتجاهات الحرارة، وبيانات تدهور التشحيم إلى نماذج من مؤشرات التبديد التي تحدد علامات التبكير بالارتطاء أو الفشل الافتراضي.

وفيما عدا المعدات الدوارة، يتوقع نماذج الإي آي حدوث تدهور في الكابلات والأختام والأجهزة، حيث تحتوي النباتات النووية على مئات الكيلومترات من الكابلات الكهربائية التي يمكن أن تعاني من الشيخوخة الحرارية أو التشهير الإشعاعي أو الاقتحامات الرطوبة، ويمكن لتحليل قياسات الديكليات أن يحدد أجزاء من الكابلات بمخاطر الفشل المرتفعة، مما يتيح إعادة الإحلال المستهدفة بدلا من إعادة التصفر.

نظم رصد الوقت الحقيقي والإنذار المبكر

وتُقيِّم برامج الرصد التي تعمل بالقوى الأولى باستمرار بيانات المفاعلات وتُصدر إنذارات عندما تُنجرف بارامترات العمليات خارج نطاق المعايير الآمنة المتعلمة، وعلى عكس الإنذارات المحددة التي لا تُحدث إلا عندما تُعبر متغيرات عتبة صلبة، فإن نماذج التنبيه المُعدّدة التي تُظهر تحولاً شبه شامل، بل تُستخدم على نطاق عادي، وعلى سبيل المثال، فإن الجمع بين درجات الحرارة المبردة قليلاً، ومعدل التدفق المخفض بشكل هامشي، ومتوسط،

كما أن هذه النظم تحسن الوعي بالحالة السائدة أثناء الأحداث غير العادية، وعندما تعمل إحدى المنشآت خارج الظروف العادية، يمكن أن يُثقل بها المشغلون في حجم أجهزة الإنذار، ويُظهر الإنذارات التي تُعطى الأولوية في مجال الإنذار، ويبرز الأسباب الجذرية الأكثر احتمالا، ويقلل من الحمولة المعرفية ويساعد المشغلين على التركيز على أكثر الإجراءات أهمية.

كشف الشذوذ والاعتراف به

تولد محطات الطاقة النووية بيانات عن مدى حياتها التشغيلية، ظروفاً بارزة مثل التآكل تحت العزل، أو نشر التتبع الجزئي في الرصيف، أو التحلل البطيء لهياكل الاحتواء الخرساني قد لا يكشف عنها لسنوات، نماذج اختبارات الذرة التي تم تدريبها على بيانات التفتيش التاريخي، بما في ذلك قياسات سميكة الأشعة فوق الصوتية، إشارات دريديّة، وصور البصرية من الزحف الآلي

التوائم الرقمية والتنبؤات القائمة على المحاكاة

وتخلق التكنولوجيا الرقمية المزدوجة نسخة افتراضية من نظام المفاعلات المادية التي تعكس سلوكه في الوقت الحقيقي، وتعزز التوائم الرقمي بالتعلم من البيانات التشغيلية لتحسين عملية المحاكاة، ويمكن للمهندسين أن يديروا سيناريوهات " ما إذا كان " على أساس التواؤم الرقمي مثل فقدان حادث التبريد أو انقطاع المحطة أو حدوث حادث سيزمي، ويلاحظوا كيف يتوقّع النموذج المتطور باستمرار.

AI Techniques Powering Nuclear Safety Systems

ويجري حاليا نشر أو بحث عدة طرق محددة لتعلم الأجهزة والأجهزة لأغراض تطبيقات السلامة النووية، ويساعد فهم هذه الأساليب على توضيح كيف تسهم في التنبؤ بالحادثات.

التعليم المشرف على التصنيف والتراجع

وتُدرَّب النماذج المشرفة على مجموعات البيانات المسمّاة حيث تُطابق أحداث الفشل المعروفة أو حالات التحلل مع التوقيعات على أجهزة الاستشعار، فعلى سبيل المثال، فإن مجموعة بيانات الفشل في المضخات السابقة مع المواصفات المشابهة للتشغيل تسمح بنموذج عشوائي للحراجة أو أجهزة الدعم لتصنيف البيانات الجديدة على أنها " غير عادية " أو " ذات نوعية سابقة " .

التعليم غير المشرف وشبه المشرف

وتكشف أساليب التعلم غير المشرفة مثل أجهزة التكوين والمقاييس التكتيكية عن الشذوذ دون اشتراط بيانات الفشل المسمّى، ويتعلم جهاز آلي إعادة بناء بيانات التشغيل العادية؛ وعندما يقدم بيانات غير مسموعة، يتصاعد خطأ إعادة البناء، ويبرز الشذوذ، ويكتسب هذا النهج أهمية خاصة في الكشف عن نماذج الفشل الجديدة غير المتوقعة.

التعلم العميق لمجموعة الزمن المتعددة

وقد صممت شبكات الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة والنماذج القائمة على التحولات على نحو ملائم لتحليل سلسلة زمنية متعددة الأنواع من المفاعلات النووية، حيث تستوعب هذه البنايات معالين زمنيين طويلي المدى وتفاعلات بين مجاري الاستشعار المتعددة، وعلى سبيل المثال، فإن نموذجاً للنموذج المزود بمقياس التركيز المتوسط والمدرب على البيانات المستمدة من المفاعلات الأساسية، ونقاش التبريد الأولي، ونظام البخار الثانوي يمكن أن يتوقّع على تقنيات التدفق

تجهيز اللغة الطبيعية لتحليل الحوادث التاريخية

(و) أن تُعدّ هذه الوثائق غير المُنظمة لاستخراج الأنماط والعوامل المساهمة، وأن تُظهر النماذج وتعرف الكيانات المُسمّاة تساعد على تحديد تسلسل الفشل المتكرر، أو مسارات الأخطاء البشرية، أو الأسر التي تنطوي على مخاطر كبيرة، وتُعدّ هذه المعارف نماذج مُتطوّرة وتساعد على تحسين قواعد بيانات الهيئة النرويجية للبحوث النووية.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد برهن العديد من المشغلين النوويين ومنظمات البحوث على نظم التنبؤ بالحوادث القائمة على أساس " آي " ، وفي الولايات المتحدة، شارك معهد بحوث الطاقة الكهربائية في استخدام المرافق لنشر نماذج للتعلم الآلي للتنبؤ بمخاطر عطل الوقود، وتدهور أنابيب المولدات الكهربائية، وتدهور ختم المضخات المبردة، وقد أظهرت هذه النماذج القدرة على كشف القضايا الناشئة قبل أسابيع من الرصد التقليدي، مما أعطى المشغلين الوقت اللازم لتعديل الكيمياء، أو خفض حجم الطاقة.

وفي كندا، نفذ توليد الطاقة في أونتاريو كشفاً عن الشذوذ في محطاته النووية في دارلنجتون وبيكرينغ، ويقوم النظام برصد البيانات من أكثر من 000 10 جهاز استشعار، ويصدر إنذارات مبكرة بشأن الانحرافات في البارامترات مثل درجة حرارة الموصل، وضغط نظام النقل الحراري، وإنتاج المولدات، وقد أفادت المرافق العامة عن انخفاض في الإنذارات الكاذبة واكتشافها في وقت سابق للمسائل التي تنطوي على الانذار التقليدي.

وقد أنشأت الوكالة الدولية للطاقة الذرية مشاريع بحثية منسقة بشأن تطبيق نظام المعلومات الإدارية المتكامل في مجال السلامة النووية، بما في ذلك وضع مجموعات بيانات مرجعية للتحقق من نموذج التنفيذ، وتهدف هذه الجهود إلى وضع قياسات موحدة للأداء وضمان أن تكون نماذج التنفيذ المأمون قوية وعامة في مختلف أنواع المفاعلات وظروف التشغيل.

وفي كوريا الجنوبية، وضع المعهد الكوري لبحوث الطاقة الذرية نظاما للتعلم العميق للتنبؤ بنسبة التدفق الحرج في مفاعلات المياه المصحوبة، وهو مواصفات رئيسية للسلامة تحدد الهامش إلى الخروج عن الغسيل النواة، وقد حقق النموذج قدرا كبيرا من الدقة في بيانات الاختبارات المستمدة من المحاكاة المحاكاة، ويجري تقييمه لاستخدامه في نظم دعم المشغلين.

التحديات والحدود

ورغم الإمكانات الواضحة، فإن نشر منظمة العفو الدولية في مجال التنبؤ بحادثات السلامة النووية يواجه تحديات كبيرة يجب حلها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

نوعية البيانات ومدى توافرها

وتحتاج نماذج المعلومات المسبقة عن علم إلى مجموعات بيانات كبيرة ومجهزة جيداً لتعلم أنماط موثوقة، وفي الطاقة النووية، تمثل شح البيانات مشكلة لأن الحوادث الكبرى نادرة، بل قد لا يتم بصورة منهجية استخلاص بيانات بسيطة، إذ أن العديد من النباتات تفتقر إلى الكثافة المستشعرة أو البنية الأساسية لحفظ البيانات اللازمة لتدريب النماذج المعقدة، وبالإضافة إلى ذلك، قد لا تنقل البيانات من مختلف النباتات أو تصميمات المفاعلات نقلاً جيداً بسبب الاختلافات في الأدوات، والممارسات التشغيلية، وتوليد البيانات.

القدرة على التفسير والثقة

وتقتضي ثقافة الأمان النووي ثقة كبيرة في أي نظام يؤثر على القرارات، وقد تواجه نماذج البرمجيات ذات الصبغة السوداء التي لا يمكن أن تفسر توقعاتها مقاومة من المشغلين والمنظمين، وتحسن أساليب التلقيح المفسّر، ولكن لا يوجد معيار عالمي لما يشكل تفسيرا كافيا في سياق يتسم بأهمية السلامة، وقد يتطلب القائمون على التنظيم التحقق رسميا من أن النظم القائمة على التنفيذ هي نماذج قابلة للتنبؤ يمكن التنبؤ بها.

مخاطر الأمن السيبرى

ويزيد نظام المعلومات المسبقة عن علم من سطح الهجوم على المرافق النووية، إذ يمكن للخصيص أن يتلاعب ببيانات التدريب لتسميم النموذج، أو يتلاعب بمدخلات الاستشعار من أجل التسبب في التنبؤات الخاطئة، أو أن يهاجم مباشرة محرك الاستطلاع من أجل تعطيل نواتجه، حيث أن حماية نماذج المعلومات المسبقة عن علم من الأمثلة على الخصومات مجال بحث نشط، ولكن لا يوجد حل مثالي، ويجب أن تتضمن النباتات النووية نظماً للرصد الإلكتروني ضمن أطرها الحالية لأمن الفضاء الإلكتروني، مع مراعاة المبادئ المتطورة في مجال الدفاعية.

الرقابات التنظيمية

وقد صممت أنظمة الأمان النووي الحالية لعالم بدون منظمة العفو الدولية، وترخيص نظام يعتمد على التعلم الآلاتي - حيث يمكن أن يتغير سلوك النموذج مع تحديات جديدة تمثل تحديات جديدة، ويتعين على الجهات التنظيمية الإجابة عن الأسئلة المتعلقة بالتثبت من النماذج، ومراقبة التغيير، وإدارة الحياة، والتحقق من القوة، وتقوم بعض الولايات القضائية بوضع صناديق رملية تنظيمية للأجهزة العاملة في مجال الطاقة لاستكشاف هذه القضايا، ولكن طرق واضحة لترخيص هذه المنظمات غير كاملة.

الاعتبارات الأخلاقية والتنظيمية

المساءلة هي أحد الشواغل الرئيسية إذا أوصى نظام المعلومات المسبقة عن علم بإجراء يؤدي إلى حادث أمان، يكون المسؤول، المطور، المتحكم، أو المشرف، أو المشغل نفسه؟

وثمة بُعد أخلاقي آخر ينطوي على الإنصاف والوصول إلى المعلومات، إذ إن أدوات التنفيذ المتقدمة باهظة التكلفة وتتطلب خبرة متخصصة، مما قد يوسع الفجوة بين المشغلين النوويين ذوي الموارد الجيدة والجهات الموجودة في البلدان النامية، ويمكن للتعاون الدولي وتطوير النماذج المفتوحة المصدر أن يساعدا على توزيع القدرات على نحو أكثر إنصافا، ولكن التمويل والهياكل الأساسية التقنية ما زالتا حواجز.

والخصوصية أقل قلقاً في هذا السياق لأن بيانات الاستشعار من المعدات الصناعية لا تنطوي على معلومات شخصية، غير أن نماذج المعلومات المسبقة عن علم التي تم تدريبها على البيانات المستمدة من إحدى المنشآت يمكن أن تكشف عن أنماط تشغيلية يمكن للمنافس أو الخصم أن يستغلها، مما يثير معضلات في تبادل البيانات لأغراض البحث التعاوني.

مستقبل الوكالة الدولية للطاقة الذرية في مجال السلامة النووية

إن مسارات الوكالة الدولية للطاقة الذرية في مجال الأمان النووي تشير إلى نظم أكثر تكاملاً وتكيفاً واستقلالية، وهناك تطورات عديدة في الأفق تعد بزيادة تعزيز قدرات التنبؤ بالحوادث.

نماذج المؤسسة للتطبيقات النووية

ويستكشف الباحثون استخدام نماذج واسعة النطاق للتدريب قبل التدريب - شبيهة بالنماذج المستخدمة في تجهيز اللغات الطبيعية - يمكن تكييفها لأداء مهام محددة تتعلق بالسلامة النووية، ويمكن أن يؤدي نموذج أساسي مدرَّب على مجموعة واسعة من بيانات المفاعلات، ونواتج المحاكاة، والإجراءات التشغيلية إلى التعجيل بوضع نماذج متخصصة لفرادى النباتات، وسوف تستوعب هذه النماذج القوانين العامة للفيزياء النووية والسلوك النباتي مع السماح بالتكيف مع الظروف المحلية التي تنطوي على بيانات صغيرة نسبيا.

Federated Learning for Cross-Plant Intelligence

فالتعليم الموحد يتيح لمصانع نووية متعددة تدريب نموذج مشترك للمبادرة دون تقاسم البيانات الأولية، ومعالجة الشواغل المتعلقة بتقاسم البيانات مع تحسين الأداء النموذجي، وكل محطة تدرب نموذجا محليا على بياناتها، ولا تستكمل سوى البيانات التي ترسل إلى خادوم مركزي، ويستفيد النموذج الإجمالي من التجارب التشغيلية المتنوعة مع الحفاظ على المعلومات المتعلقة بالملكية والحساسية، وقد تجلى هذا النهج في الرعاية الصحية والمالية، وتكيفه مع السلامة النووية.

نظم السلامة المستقلة

أطول أجلاً، قد تمكن (آي آي) من نظم الأمان المستقلة التي يمكنها اكتشاف حادث وشيك وبدء إجراءات حماية أسرع من المشغلين البشريين، هذه النظم ستعمل ضمن حدود صارمة تحددها الموافقة التنظيمية ويمكن أن تقتصر على سيناريوهات جيدة مثل رحلة المفاعلات في ظروف مؤكدة، والانتقال إلى التشغيل الآلي يثير أسئلة أعمق حول تركيب المسافات البشرية والمستوى المناسب من السلطة الآلية،

التوائم الرقمية في حالة السلامة المستمرة

إن المصانع النووية المستقبلية قد تعمل بتوائم رقميين مستمرين يحتفظون بقضيّة أمان حديثة، حيث أن التوأم الرقمي يتضمّن بيانات جديدة من عمليات التفتيش، والقراءات المستشعرة، والخبرة التشغيلية، فإن حالة الأمان تُحدّث في وقت قريب من الوقت الحقيقي، ونموذج " آي " في إطار التوأم سيحدد المخاطر الناشئة ويقترح تعديلات على حدود التشغيل أو جداول التفتيش، ويمكن استعراض حالة الأمان الدينامية هذه دورياً من قبل الجهات القائمة على نظام التأشيرات، مع الاستمرار في إجراء تحليلات.

خاتمة

فالاستخبارات الفنية تحسن بالفعل التنبؤ بحوادث السلامة النووية من خلال تمكين الكشف المبكر عن تدهور المعدات، والاعتراف بأوضاع أكثر دقة، وتقديم دعم أكثر فعالية في مجال اتخاذ القرارات للمشغلين، فالعمليات الافتراضية، والرصد في الوقت الحقيقي، والتوائم الرقمية، وتقنيات التعلم الآلات المتقدمة، تنتقل من البحث إلى الاستخدام التشغيلي في النباتات في جميع أنحاء العالم، وهذه التكنولوجيات تتيح إمكانية الحد من تواتر الحوادث وحدتها، ودعم التشغيل الآمن والموثوق للطاقة النووية كجزء من التحول العالمي.

بيد أن تحقيق هذه الإمكانات يتطلب التصدي للتحديات الحقيقية في مجال توافر البيانات، وإمكانية التفسير النموذجي، وأمن الفضاء الإلكتروني، والتطوير التنظيمي، ويجب أن تمضي الصناعة بعناية، وبناء الثقة من خلال الشفافية، والتحقق الصارم، والرقابة البشرية المستدامة، والتعاون بين المرافق، ومطوري التكنولوجيا، ومؤسسات البحوث، والجهات التنظيمية، أمر أساسي لوضع معايير قوية وممارسات مقبولة، وببذل جهود مدروسة، يمكن أن تصبح منظمة شريكة موثوق بها في الأمان النووي، وتساعد الجهات المشغلة على تحمل المخاطر، ومواصلة تنفيذ معايير الأمان الكربون.

For further reading, see the resources from the International Atomic Energy Agency], the ]U.S. Nuclear Regulatory Commission, and the Electric Power Research Institute.