Table of Contents

إن إدماج الاستخبارات الاصطناعية في إدارة المفاعلات النووية يمثل تحولاً زلزامياً في كيفية عمل أحد أكثر الصناعات حرجة للسلامة، وفي حين أن الفيزياء الأساسية للتشغيل النووي لا تزال دون تغيير، فإن النظم التي ترصد وتتوقع وتستجيب لظروف المفاعلات يجري تعزيزها، وفي بعض الحالات استبدال الخوارزميات التعليمية الآلات وشبكات التعلُّم العميقة.

تطور رصد المفاعل النووي

وقد كان رصد المفاعل النووي دائماً مسعى كثيف البيانات، إذ كانت المفاعلات المبكرة تعتمد على قياسات الميكروفونات، والسجلات اليدوية، وعمليات التفتيش الدورية، مع ظهور نظم الأجهزة والمراقبة الرقمية، فإن حجم بيانات الاستشعار المنفجرة، وأجهزة الالتهاب الحراري، وأجهزة الكشف عن التدفق النيتر، وأجهزة الإنذار بالتدفقات المبردة، تولد حالياً بيانات ثابتة كل ساعة.

من الكتيب إلى الرصد الآلي

ولم يحدث الانتقال من الرصد اليدوي إلى الرقابة التي يقودها المعهد بين عشية وضحاها، حيث أن نظم الرقابة الموزعة هي التي تتيح للمشغلين رؤية مئات البارامترات على شاشة واحدة، ثم استحدثت نظم خبراء قائمة على القواعد للمساعدة في تحديد درجة الحرارة المنطقية التشخيصية فوق X بينما كان الضغط يقل عن Y، فإن النظام سيعرف مسألة محتملة، ولكن هذه القواعد كانت مخففة؛ ولا يمكن أن تتكيف مع الظروف الجديدة أو تقنيات التحلل.

شبكات الاستشعار واكتساب البيانات

مركز لأي نظام رصد في أي من أجهزة الاستخبارات هو شبكة الاستشعار نفسها، والمفاعلات مجهزة بألاف أجهزة الاستشعار التي تعمل:

  • Neutron flux] in the core, indicating fission rate and power distribution
  • درجة حرارة المكولات عند نقاط متعددة في الحلقات الأولية والثانوية
  • مستويات الضغط في وعاء المفاعل، والضغط، ومولدات البخار
  • Flow rates] for coolant circulation and emergency core cooling systems
  • التوقيعات على التوقيعات من المضخات، والتوربينات، وآليات قيادة القضبان
  • ]

وتشكل هذه أجهزة الاستشعار شبكة كثيفة تستخدمها نماذج أجهزة الاستعلامات الإلكترونية لبناء صورة شاملة لصحة المفاعلات، ويمكن أن يتجاوز معدل اقتناء البيانات ألف عينة لكل ثانية لكل قناة، مما يتطلب حوسبة قوية أو تأمين وصلات عالية النطاق لوحدات التجهيز المركزية، كما أن العديد من المحطات الحديثة تنشر أجهزة الاستنشاق في نماذج الضبط الضوئي التي تعمل على الحوافات مباشرة على أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أو تخفض وقت السلامة.

AI Techniques for Anomaly Detection and Safety

وتكمن الميزة الأساسية لسلامة منظمة العفو الدولية في قدرتها على اكتشاف الشذوذ الذي لا يُستهان به في النظم التقليدية القائمة على العتبة، وفي حين أن بطء الزيادة في درجة الحرارة المبردة قد يظل في حدود مقبولة لساعات، يمكن لنموذج للتعلم الآلي أن يحدد أن معدل التغير ينجرف ويربطه بارامترات أخرى مثل التناقص الطفيف في درجة الحرارة الدوارة لعلم خلل في التوازن.

نماذج التعلم في مجال الآلات

وتطبق أساليب التعلم الخاضعة للمراقبة وغير الخاضعة للمراقبة في رصد المفاعلات، وتُدرب النماذج المشرفة على مجموعات البيانات المسمومة التي تتضمن شروطا عادية وغير عادية معروفة، مثل تسجيلات حدث تجويف الضخ أو تسرب صغير من المبردات، ويمكنها، بمجرد التدريب، تصنيف مدخلات الاستشعار الجديدة على أنها " غير عادية " أو " من قبل " ذات دقة عالية.

الشبكات العصبية للاعتراف باترن

وقد كانت الشبكات العصبية العميقة - وعلى وجه الخصوص الشبكات العصبية المتجمعة والشبكات الطويلة الأجل للذاكرة - معرضة للاعتراف بأنماط زمنية ومكانية معقدة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تحلل سلسلة زمنية من قراءات درجات الحرارة من عشرات من تلازمات الترميز الحراري عبر القاع، وأن تكشف عن نسق خفي من التماثل الذي قد يشير إلى وجود مجموعة من الوصلات الحرارية الجزئية.

الصيانة الافتراضية باستخدام تكنولوجيا المعلومات

وربما يكون أكثر تطبيقات الطاقة النووية نضجاً هو الصيانة المتوقعة، إذ أن عناصر المفاعلات - المضخات والصمامات والمبادلات الحرارية، وآليات التحكم بالطقوس - التحلل بمرور الوقت، إذ أن اختلالاً صغيراً في مضخة الضخ، مثلاً، سينتج توقيعاً فريداً من نوعه، ويمكن أن تُتوقع نماذج الإيداع المدرَّبة على بيانات اليقظة مدى الحياة النافعية المتبقية للعنصر ذي الدقة العالية.

عمليات المفاعلات الخاضعة للمراقبة

وبالإضافة إلى الرصد، أخذت منظمة العفو الدولية تتجه بشكل متزايد نحو السيطرة المباشرة على النظم الفرعية للمفاعلات، والتحدي الذي يواجهه هنا أكبر بكثير، لأن إجراءات الرقابة يجب أن تحترم هوامش الأمان الصارمة وتتجنب أي عمل يمكن أن يدفع المفاعل دون قصد نحو ظروف غير آمنة، ومع ذلك، فقد أثبت المتحكمون الذين يقودهم المعهد قدرتهم على تضييق العمليات بدقة أكبر من المشغلين البشريين، ولا سيما أثناء المناورات التي تُنفذين أو المبدئيا.

مراقبة تحديد مواقع رود وتصريف النشاط

وفي مفاعلات المياه المضغطة، توجد لدى المشغلين قواعد لمراقبة مواقع إدارة التفاعل وتوزيع الطاقة، ويمكن أن تقوم الخوارزميات بتحليل خرائط التدفق الحراري في الوقت الحقيقي، والارتجاعية الحرارية لحساب أعمق التناوب الأمثل لمستوى الطاقة المستهدفة مع التقليل إلى أدنى حد من اختلال القدرة الافتراضية.

التبريد

ويجب أن تحافظ الحلقة المبردة الأولية على توازن دقيق: يجب أن يكون معدل التدفق مرتفعاً بما يكفي لإزالة حرارة التحلل، ولكن ليس عالياً إلى حد كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى الضخ أو الارتداء المفرط، ويمكن أن تُستخدم نماذج العجلات الحرارية التي تُتوقع الحالة الحرارية للنواة في النواة لتوصي سرعة الضخ ومواقع الصمامات لتعظيم نقل الحرارة.

نظم الرقابة المستقلة

ولا تزال المراقبة المستقلة تماماً موضوعاً للبحث، ولكن عدة مشاريع إيضاحية قد أظهرت وعداً، فعلى سبيل المثال، أجرى مفاعل البحوث التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجربة حيث أدار نظاماً من وكالات الاستخبارات المالية جميع العمليات ذات الطاقة المنخفضة إلى 1 ميغاواط - دون تدخل بشري، وعالجت الوكالة الدولية للطاقة الذرية مسألة سحب القضبان، وتحقيق استقرار درجة الحرارة، وإغلاق التلقائي إذا تجاوزت الحدود، وفي حين أن الاستقلال الكامل في السلطة لا يزال بعيداً عن الحاجة إلى الشواغل التنظيمية، فإن هذه النظم تستخدم بالفعل كأدوات.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

وقد تم تأكيد المزايا النظرية للمفاعلات النووية في عدة منشآت تشغيلية في جميع أنحاء العالم، ومن عمليات نشر المرافق الكبيرة على نطاق الأسطول إلى تطبيقات مركزة في مرافق البحوث، فإن الأدلة واضحة:

Use in Pressurized Water Reactors (PWR)

وقد نفذت وكالة كبرى تابعة للولايات المتحدة نظاماً للكشف عن الشذوذ يستند إلى معلومات عن الخلايا عبر أسطولها من أربع وحدات من وحدات PWR، وقد أضافت بيانات عن النظام من أكثر من 000 5 جهاز استشعار لكل وحدة، ونموذج سلوك عادي باستخدام مجموعة عميقة من أجهزة الاستنشاق، وخلال فترة سنتين، أُشير إلى 14 حدثاً سليفاً كان سيفتقدها الإنذار التقليدي - بما في ذلك تدهور بطيء في المضخة مياه التغذية الرئيسية وإعاقة جزئية.

AI in Research Reactors

وقد كانت مفاعلات البحوث التي تعمل في أقل قدرة وبجداول أكثر مرونة، معتمدات مبكرة للسيطرة على النظائر المشعة، كما أن المفاعل الأيسوتوب العالي في مختبر أوك ريدج الوطني يستخدم شبكة عصبية للتنبؤ بالحدود الحرارية خلال التجارب، مما يتيح للباحثين دفع المفاعل إلى مستويات أعلى من التدفق دون تجاوز هوامش الأمان، وبالمثل، يستخدم المفاعل البلجيكي 1 (BR1) نموذجاً غير ضروري لرصد الإشعاع.

الموافقة والمعايير التنظيمية

وتواجه الجهات التنظيمية في جميع أنحاء العالم كيفية التصديق على نظم معلومات أساسية من أجل السلامة النووية، وفي الولايات المتحدة، أصدرت اللجنة الوطنية لحقوق الإنسان وثيقة أساس تنظيمية للتعلم الآلي في التطبيقات المتصلة بالسلامة، تركز على الحاجة إلى ضمانات محددة للأداء وقابلية للتفسير، ويقتضي النهج أن يكون أي نموذج من نماذج الأنشطة المنفذة تنفيذاً مشتركاً في وظيفة السلامة قابلاً للتحقق من صحة القرار، وأن تكون بياناتها التدريبية قابلة للتتبع تماماً.

التحديات: الموثوقية، وأمن الفضاء الإلكتروني، والأخلاقيات

وعلى الرغم من الفوائد، فإن نشر أجهزة الاستخبارات في المفاعلات النووية ينطوي على مخاطر جديدة يجب إدارتها بعناية، فالأهداف هي قرار خاطئ بدرجة كبيرة من غير العادة من جانب منظمة العفو الدولية يمكن أن يؤدي إلى أضرار في الوقود أو، في حالات متطرفة، إلى إطلاق مواد مشعة، ويجب تصميم كل نظام من نظم المعلومات المسبقة عن علم بمبادئ السلامة الفشلية والتحقق الصارم من صحة ذلك.

ضمان وجود آلية لنظام المعلومات الإدارية المتكامل

ويمكن أن تفشل نماذج التعلم من الآلات بطرق غير متوقعة، فالاضطرابات الناشئة - وشبه التماثل، والتغييرات المتعمدة في استشعار المدخلات - قد تؤدي إلى وجود شبكة عصبية لتضليل حالة خطرة على أنها طبيعية، ومن أجل الحماية من ذلك، يجب تدريب نظم المعلومات النووية على أمثلة خصبة ويجب أن تتضمن تكراراً (مثلاً، نماذج متعددة تعمل بالتوازي مع منطق الناخبين).

التهديدات الأمنية السيبرية والتدابير المضادة

أما نظم المعلومات المسبقة عن علم، ولا سيما تلك التي تعتمد على الربط السحابي من أجل تحديث النماذج أو تجميع البيانات، فتعرض سطح هجوم موسع للخصوم السيبرانية، ويمكن للمهاجم الذي يعرّض للخطر منظمة العفو الدولية أن يتلاعب بقراءات الاستشعار أو يُحقن أجهزة الإنذار المزورة، ويحتمل أن يقود المصنع إلى حالة غير آمنة، ولذلك يجب أن تكون نظم الرصد والمراقبة التي يمكن أن تكون قابلة للكشف عن الهواء أو تحميها طبقات متعددة من الاختبار الحقيقي.

الاعتبارات الأخلاقية في القرارات المستقلة

ومن المسؤول عندما يتخذ أي من هذه الأجهزة قراراً يؤدي إلى نتيجة سلبية؟ وفي المصانع النووية الحالية، يحتفظ المشغل دائماً بالسلطة النهائية، ولكن مع أن نظم الإي آي تصبح أكثر استقلالاً - خاصة في حالات الطوارئ حيث قد لا يكون لدى البشر وقت للتدخل - فإن مسألة المسؤولية تصبح حادة، ويجري وضع أطر أخلاقية لضمان عدم اتخاذ نظم التحقق إجراءات تنتهك مبادئ الأمان الأساسية المتمثلة في المراجعة اليدوية للحسابات.

التوقعات المستقبلية: التوائم المتقدمة في مجالي المعلومات الإدارية والأرقام الرقمية

وفي المستقبل، فإن تقارب المقاييس الرقمية مع الوعود التكنولوجية الرقمية التوأمة من أجل ثورة تشغيل المفاعل وإدارة الحياة، والتوائم الرقمي هو محاكاة عالية الجودة ومباشرة لمفاعل مادي يجسد حالته الحالية، بما في ذلك اللبس والتدهور، وبإدارة نماذج المقاييس الضوئية على التوأم، يمكن للمشغلين اختبار سيناريوهات " ما إذا " دون مخاطر على المصنع الفعلي.

التكنولوجيا الرقمية للتوائم من أجل المحاكاة

فالتوأم الرقمية للمفاعلات النووية موجودة بالفعل في مختبرات البحوث، وهي تجمع بين العناصر المحددة التي تُظهر ديناميات السائل الحاسبي للثبات، والنماذج الهيكلية لسفينة الضغط مع منظمة العفو الدولية التي تستكمل البارامترات التوأم استنادا إلى بيانات الاستشعار من المصنع الحقيقي، وعلى سبيل المثال، إذا أظهر مبادلات الحرارة انخفاض الأداء بسبب التآكل، فإن التوأمة تكيف تلقائيا مع عامل التعبئة لتوحيد القياسات الحقيقية.

مفاعلات ذاتية كاملة؟

وهناك عدة مفاعلات متقدمة، لا سيما مفاعلات نموذجية صغيرة، ومفاعلات صغيرة جداً، يجري تصورها مع عمليات مستقلة أو شبه مستقلة، وقد أعلنت شركات مثل نوسكالين وأوكولو نظماً للمراقبة تعتمد اعتماداً كبيراً على أجهزة الاستنشاق بعد ذلك، ورصد السلامة، وحتى إغلاقها عن بعد، وهي مفاعلات مصممة للمواقع النائية أو لنشرها في الدول التي لا توجد فيها أجهزة تشغيلية مدربة.

خاتمة

إن المعلومات الاستخبارية الفنية لم تعد إضافة تجريبية إلى غرف مراقبة المفاعلات النووية، بل هي أداة عملية تحسن السلامة والكفاءة والموثوقية، إذ إن الاكتشاف الشاذ في الوقت الحقيقي والصيانة التنبؤية إلى الرقابة المستقلة على نظم فرعية معينة، ستساعد المشغلين على إبقاء المفاعلات في مظاريف التشغيل الآمنة، مع الحد من حالات الخروج غير المخطط لها، ولم تكن الرحلة دون عقبات: ضمان القدرة على التكيف مع المدخلات الخداعية.