作者：胡梦岩 孔繁丽 余大利 杨军

单位：华中科技大学能源与动力工程学院，中国科学院合肥物质科学研究院，中国科学技术大学研究生院科学岛分院

摘要：

数字孪生(digital twin，DT)是一种实现物理系统向信息空间数字化模型映射的技术，被列为未来国防和航天工业6 大顶尖技术之一，也被认为将在核电厂智能控制、空间反应堆、小型模块堆等先进核能系统中发挥重要作用。近年来， 部分国家已启动项目，开发应用于反应堆的数字孪生技术， 目标是显著降低未来核电厂的运行和维修成本。针对于空间核电源、月基核动力装置的数字孪生系统研发也受到关注。综合叙述了数字孪生技术在先进核能领域的研究现状与发展方向，提出了适用于核反应堆领域的多维评估数字模型， 初步建立了故障诊断流程，并对数字孪生在先进核能领域中的关键技术与应用前景进行了分析和展望。

关键词：数字孪生；GEMINA 项目；数字反应堆；故障诊断

数字孪生(digital twin，DT)技术是一种实现物理系统向数字化模型映射的关键技术。它充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理场、多时间尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。工业产品在设计和生产阶段， 会带有一定的不可知或不确定性，数字孪生技术的出现，可以充分缓解这一设计制造的难题。借助于各种高性能传感器和高速通信，数字孪生可以通过集成物理实体的多维数据，辅以数据分析和仿真模拟，近乎实时地呈现物理实体的实际情况，并通过虚实交互接口对物理实体进行反馈和控制。

工业上孪生的概念起源于美国阿波罗载人登月工程时代，需建造一个与实际飞船 1:1 的地面飞船模拟实际飞行经历的操作，以此来反映实际飞中的飞船的状态，并为飞船的监控和维护提供参考。数字孪生概念的提出可以追溯到 2003 年，美国密歇根大学(university of michigan，UM)的 Grieves 教授在向工业界展示如何进行产品生命周期管理时提出的 2 个系统，即真实系统和虚拟系统[1,5]。数字孪生作为一种融合数据、模型、人工智能(artificial intelligence，AI)等多学科于一体的技术，在产品全生命周期的设计过程中，发挥着连接物理世界与虚拟世界的桥梁纽带作用[6]。物理空间、虚拟空间以及两者间交互数据流被认为是数字孪生的 3 个基本要素，如图 1 所示，实体装置和虚拟空间中的数字虚拟装置形成孪生。虚拟空间接收从物理空间传来的数据，镜像真实系统的状态，物理空间也可以接收虚拟空间传来的指导信息，做出响应。

图1 数字孪生的基本概念模型

随着美国“工业互联网”、德国“工业 4.0” 及“中国制造 2025”等国家战略的提出，智能制造已成为全球制造业发展的共同趋势与目标。数字孪生作为解决智能制造信息物理融合问题和践行智能制造理念的关键技术，得到了学术界的广泛关注和研究，并被工业界引入到越来越多的领域进行应用[7]。研究表明，随着物联网传感器、高精度建模和其他技术的改进，数字孪生市场预计将从 2019 年的38 亿美元增长到 2025 年的 358 亿美元。高德纳(Gartner)咨询公司连续三年将数字孪生列为十大技术趋势之一[8]；洛克希德马丁公司 2017 年将数字孪生列为未来国防和航天工业 6 大顶尖技术之一；2017 年中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生列为世界智能制造十大科技进展之一。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)将物理系统与其等效的虚拟系统相结合，研究了基于数字孪生的复杂系统故障预测与消除方法，并应用于飞机、飞船、运载火箭等飞行器系统的健康管理中。

2018 年麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)开展了一项由众多研究者参与的跨学科研究并发布了研究报告《The Future of Nuclear Energy in a Carbon Constrained World》[10]。该报告提出了全新的核反应堆技术开发和部署范例，其中包括加大虚拟反应堆和数字化孪生技术的使用力度，建议采用集成的计算机模拟和建模，将开发过程缩短 10~12 年。西门子发布《The virtual nuclear reactor》白皮书，通过新型冷却剂等 3 个例子说明数字孪生技术应用于核反应堆时的价值和潜力。

2.1 核电站数字孪生

切尔诺贝利核事故、三里岛核事故及福岛核事故影响了全球核电的发展，安全保障成为核电发展的首要前提。对于核电站操作人员，一个重要训练手段是采用全范围仿真机。与其他行业不同，核工业一般难以使用完整的核反应堆进行持续实验。因此，对于数字孪生技术的需求更为迫切。在核电站建成后，数字堆和实体堆继续进行信息交互，保持状态同步。另可借助大数据、机器学习等技术推测一些难以测量或预测的指标或工况，从而提供更全面的评估、诊断和预测。有研究者对数字孪生技术在核领域的作用提出质疑。但不可否认的是，目前对核反应堆进行安全分析[53-54]时由于模型不确定性、比例缩放不确定性[56]等导致结果具有不确定性，而在数字孪生平台上可耦合各种数据以量化不确定性，减少不必要的保守性，这将为核电站的安全性及经济效益带来福音。

核反应堆是融合了热工、流体、物理、机械、控制、结构等学科分支的复杂系统，除用于陆上电站外，不同形式的反应堆也开始在舰船、海上、太空等区域得到应用。此前有报道美国、俄罗斯等国家已有计划在月球上建造核反应堆。月基核反应堆是为月球基地提供长期能源的重要选项，其研究与开发是当前的高技术竞争热点。目前月基核反应堆还面临自主操控及长期服役的问题，数字孪生技术是解决这些这些问题的有效手段之一。

由于月基反应堆远离地球，在地面上部署其数字孪生体是实现远程监测与无人运行的一个显著需求。通过实现月基对象的数字孪生，则在地面即可实现远程操控。参考舰船领域应用数字孪生技术的研究[78]，本文对月基核反应堆电源[79]数字孪生技术的应用场景进行探索。

一个完整的月基核反应堆数字孪生系统大致可包括如下子系统：物理实体反应堆、数字孪生反应堆、数据处理系统、仿真模拟系统及控制系统。设计过程中 CAD 和 ANSYS 等几何参数、热工水力和中子辐射屏蔽等物理模型、能量转换方式及运行经验等数据都存储于数据处理系统。堆芯、发动机、支撑架、辐射器等零部件或子系统设计完成后进行数字化、系统级自上而下及自下而上的仿真及验证，弥补传统设计过程中基于文档的建模方法在耦合方面的不足。月基核反应堆部署完成后，安装的传感器采集实时运行、环境数据并存储于数据处理系统，供地面的数字孪生反应堆保持同步运行及仿真模拟系统的实时预测。

如数字孪生系统的实时预测功能可用于月基反应堆的辅助决策、故障诊断及寿命预测。以热管冷却型月基反应堆[80]堆芯内热管发生故障为例分析数字孪生系统的故障诊断功能。某时刻月基反应堆堆芯内部分热管出现故障，无法有效导出燃料棒的热量，其余正常工作的热管绝热段温度将升高，传感器监测到该异常数据后地面控制端出现警报，而仿真模拟系统读取数据处理系统的当前数据同步预测出由该异常可能导致的事故后果(如燃料包壳峰值温度超过安全值)，同时依据历史计算数据、维修保障数据等进行故障定位，找出处于异常状态的位置， 并在控制系统用户端形成可视化数据图景，给出可视化故障信息。此外，仿真模拟系统还可根据当前故障计算出可行措施，控制室操作人员根据仿真模拟系统推荐的指令/措施及时、定点地对月基物理反应堆进行远程干预，预防故障或者自动解决故障。

数字孪生技术逐渐应用于越来越多的领域，包括核能。美国、法国等国家已启动了 GEMINA、PSPC 等相关研究计划，为数字孪生技术用于核能领域的研发工作提供支持，我国许多机构也先后开始了相关研究。

数字化是提高核能竞争力和效率的关键技术之一，在核电站、空间核反应堆、小型模块堆等核能系统使用数字孪生技术是目前的热门研究课题。本文介绍了国内外对数字孪生技术的研究，包括美国的 GEMINA 项目等；随后提出了核领域应用数字孪生技术的基本概念模型；同时，数字孪生技术有望率先在小型模块堆、空间反应堆的研发上得到应用。不过，数字孪生技术在核能领域中的应用近几年才受到关注，研发尚处于初级阶段。未来，数字孪生技术预期在核电厂智能运维、故障预测，空间反应堆和小型堆设计运行、故障诊断及预防等先进核能领域中得到广泛的应用。