普渡大学的工程师首次在美国实现了对核反应堆功率的实验性、远程和自动实时调整——他们表示，这次演示为下一代反应堆如何从数百甚至数千英里外进行监控和控制提供了早期展望。
这次演示于7月公开，将普渡大学64年历史的研究反应堆PUR-1与爱达荷国家实验室（INL）以及微软云系统连接起来，形成一个跨越印第安纳州和爱达荷州的三方回路。不过，据主导这项工作的普渡大学助理教授、PUR-1副主任斯泰利安诺斯·查齐达基斯（Stylianos Chatzidakis）介绍，尽管这一里程碑意义重大，他还是谨慎地做了限定说明。他在接受POWER采访时表示："我们展示了可以实现反应堆的远程监控和远程控制。这是一次实验。我们并没有真正远程控制反应堆。"
这项工作以PUR-1（普渡大学一号反应堆）为基础（图1），该反应堆是一座教学反应堆，2019年改造为美国核管理委员会（NRC）批准的首个全数字化仪控（I&C）系统。这项由美国能源部（DOE）资助、编号为DE-NE000498的改造项目，为研究人员提供了一个测试仪控架构的平台，未来的小型模块化反应堆（SMR）和微反应堆预计将采用类似架构。
在这一数字化基础之上，查齐达基斯及其团队构建了普渡大学所称的美国首个实时数字孪生反应堆。该项目在DOE核能资助计划DE-NE0009174和DE-NE0009268支持下于2023年完成，数字孪生系统利用PUR-1的真实传感器数据，支持在不干扰运行中反应堆核心的情况下，对高保真数字副本进行实验。2025年，该团队增加了安全通信功能，包括在其远程访问框架上叠加的量子安全层。
查齐达基斯说："大家可以理解，核反应堆是关键基础设施，我们希望一切都是安全的，不对敌对方开放。"这项工作后来引起了联合国一个研究量子威胁的工作组的关注。他说："他们联系了我们，非常有兴趣了解更多信息，因为他们认为这可能产生国际影响"，尤其是随着量子计算技术的进步。
普渡大学一号反应堆（PUR-1）建于1962年，是普渡大学一座约10千瓦的研究反应堆。2019年的改造使其成为美国首个获得核管理委员会批准的全数字化仪控系统反应堆。图片来源：普渡大学/约翰·安德伍德
跨三地闭环连接
正如查齐达基斯所解释的，7月的实验实现了跨三个地理位置分散的地点的控制闭环。INL提供了应用场景，并在爱达荷州通过其高性能计算系统运行分析端；微软Azure在弗吉尼亚州提供云环境；伊利诺伊大学厄巴纳-香槽分校则协助处理各节点间的数据传输。
在演示过程中，分布式系统计算并传递了移动PUR-1辅助控制棒的指令。这些指令通过INL的DeepLynx先进数据与控制平台、云连接、PUR-1数字孪生系统以及INL的高性能计算系统传输。研究人员从爱达荷州利用该回路微调反应堆功率，减少小幅功率波动，并在现场无需人工操纵控制棒的情况下维持反应堆平稳运行。
值得注意的是，这次实验测试的内容远不止能否从另一地点查看反应堆数据。普渡大学此前已经通过其数字孪生系统展示了对反应堆测量数据的远程访问。7月的这项工作测试的是：运行中反应堆的测量数据能否传输到远程计算系统、进行分析、生成控制响应，并足够快速地返回，从而在PUR-1自身安全系统保持控制权的情况下，影响反应堆的实际运行行为。
该应用场景与大型数据中心可能出现的快速功率波动相关。查齐达基斯说："这些数据中心的电力需求变化非常快。"INL希望确定，为数据中心供电的反应堆能否足够快速地响应这些变化，包括涉及100兆瓦需求变化的场景。他说："反应堆能否快速响应以支持数据中心？把反应堆建在数据中心旁边有意义吗？"
该实验将PUR-1的测量状态与INL运行的预测模型连接起来，然后再返回普渡大学。PUR-1的数字系统每秒收集数千个数据点，因此早期的一个挑战是确定哪些信号是重要的，以及需要多高的采样频率。查齐达基斯说："有人可能会直接发送所有数据……但那样会有延迟。速度会变慢。你需要花更多时间处理。不是很有用。"
他指出，仅仅传输原始数字是不够的，因为远程模型还需要知道每个测量值代表什么，包括传感器的位置和单位。因此，研究人员必须先确定优先信号、适当的采样率以及模型所需的元数据，然后再将这些数据流与INL使用的数据库和计算系统进行集成。
一旦确定了该数据集，来自PUR-1仪控系统的测量数据经过预处理后传输至INL。代表假设数据中心负荷和反应堆动态的模型生成了关于何处需要功率的预测。这些输出结果作为控制相关信息返回普渡大学。PUR-1应用了限定范围内的调整，随后产生的反应堆数据再返回爱达荷州，用于更新模型并重复这一循环。
查齐达基斯说："我们首次在印第安纳州和爱达荷州之间实现了这一点。"该回路必须考虑网络延迟以及厂房硬件响应所需的时间。信号需要在两地之间传输，软件需要对其进行处理，反应堆的电机随后需要时间执行相应指令，之后更新的测量数据才能通过系统返回。
跨三地、多个软件堆栈以及从反应堆传感器到远程模型再返回的完整路径的集成，是主要的技术挑战。查齐达基斯说："这花了我们相当长的时间才把所有东西整合到一起。"
不过，远程控制权限仍然有限，且从属于PUR-1现有的保护系统。PUR-1是一座约10千瓦的研究反应堆，专为实验性工作配置。查齐达基斯指出："它不是商用反应堆。不是小型模块化反应堆。不是微反应堆。它是专门为此类实验设计的研究反应堆。"
这次演示还超越了基本的数字控制回路。研究人员引入了一个运行在软件中的强化学习模型，模拟反应堆的物理行为，测试系统能否在PUR-1安全控制范围内做出越来越自主的调整。INL将该架构描述为：系统可以分析情况、预测结果并做出调整，而反应堆的独立安全系统保留最终决定权。
先远程监控，自主化要晚得多
据查齐达基斯介绍，该项目更广泛的一个关键目标，是了解类似架构在从一开始就围绕数字控制设计的反应堆中能够实现什么。查齐达基斯预计，下一代核能系统将面临比当今大型轻水反应堆更严格的成本限制和不同的运行模式。他指出："新一代（核能系统）需要更高效。它们必须有更好的性能。"
一个全数字化的仪控系统，为数字孪生提供数据输入，也能处理远超人类操作员实时吸收能力的信息量。他说："我们从反应堆收集所有数据，这些数据每秒达数千个数据点，操作员不可能实时查看……这些数据。"相反，数字孪生系统利用人工智能（AI）和基于物理原理的模型，实时或近实时分析这些信息，并将结果反馈给操作员。他表示，这些模型可以标记异常情况、建议运行调整，或找出减少燃料使用、维护或性能退化的方法。
PUR-1的数字化架构已经提供了其原有模拟控制系统所无法实现的测量精度水平。普渡反应堆主管特鲁·米勒（True Miller）曾表示，模拟系统显示功率的精度约为5%以内，而数字系统能够将变化分辨到不到1瓦。普渡大学研究人员还利用数字孪生系统测试了一个与阿贡国家实验室合作开发的机器学习算法，该算法预测反应堆稳定性指标变化的准确率达到99%。
目前，查齐达基斯认为远程监控是更近期的应用方向，尤其适用于反应堆机组群。一个控制室可能在一个场地监控五到六个SMR模块，而公用事业公司总部则可以汇总"全国100座小型模块化反应堆"的运行数据。这种架构可以让操作员和技术团队比较反应堆性能、识别异常，并利用数字孪生的AI和基于物理原理的模型来解读那些原本难以实时处理的数据。
普渡大学此前曾表示，这种架构可以通过让集中的工作人员从数百甚至数千英里外监控多座反应堆，从而帮助降低运营和维护成本。其研究人员正在利用PUR-1开始量化这些好处可能是什么样的。
不过，自主运行是另一个不同的命题。查齐达基斯指出："传统上，我们有一名操作员……这一点不会改变。对于小型模块化反应堆、对于传统反应堆，这一点不会改变。"他的团队展望的是可能"30年后、40年后"的未来，届时针对某些专门用途的微反应堆，长期人员配置或许并不实际。
他以月球微反应堆概念为例。他说："在那里操作真的很难。所以你希望反应堆能够自主运行。"针对这类应用，该团队正在探索强化学习模型，以确定它们是否能够在保持安全和设计约束的前提下支持"某种程度的半自主控制"。查齐达基斯强调，这项研究还处于早期阶段，主要针对特定的未来系统。他说："这不是我们会应用于现有反应堆的东西。这是针对特殊情况的。"
任何部署也都需要NRC的批准。查齐达基斯表示，他的团队与该机构、DOE以及行业保持沟通，以了解技术标准、监管要求，以及公用事业公司是否认为这种方法有价值。其他国家实验室和大学也在研究自主控制。他指出："这是一个既有好处、也有挑战的领域。"
与"创世纪计划"保持一致
普渡大学的这项工作也与DOE的"创世纪计划"（Genesis Mission）保持一致，该计划的研究挑战中就包括核能自主运行。INL表示，7月的这次演示直接推动了这一努力，尽管查齐达基斯强调，该项目本身并非正式属于"创世纪计划"的一部分。
自那次演示以来，DOE已选定由INL主导的"普罗米修斯"项目——"创世纪计划"中"更快、更安全、更廉价地提供核能"挑战项目——获得为期三年、总额6000万美元的第二阶段拨款，具体金额须视拨款情况而定。这个由32家合作伙伴组成的项目，旨在通过人机协同的工作流程，将AI应用于反应堆设计、许可审批、制造、施工和运营各环节。查齐达基斯表示，他希望普渡大学的研究成果，尤其是在集成和实际实施方面的经验，能够为这一更广泛的努力提供参考。
普罗米修斯：为核能部署打造的AI
美国能源部的"普罗米修斯"项目是"创世纪计划"下为期三年的第二阶段项目，旨在将人工智能应用于核反应堆全生命周期——从设计和许可审批，到制造、施工和运营。DOE于7月选定了由爱达荷国家实验室主导的这一项目，授予为期三年、总额6000万美元的拨款，具体金额须视拨款情况而定。INL表示，这个由32家合作伙伴组成的团队还筹集了超过2亿美元的行业配套资金和超过3000万美元的行业资本投入。
"普罗米修斯"项目源于DOE所称的"创世纪计划"中"更快、更安全、更廉价地提供核能"这一挑战。INL和英伟达在2026年早些时候开始公开推进这一努力，目标是通过人机协同的AI工作流程，将反应堆部署周期至少缩短一半，并将运营成本降低超过50%。更广泛的团队现在包括阿贡实验室、橡树岭实验室、桑迪亚实验室、四所大学以及超过20家行业合作伙伴。
该项目旨在将AI与工程模型、核数据和高性能计算相结合，贯穿多个工作流。据INL介绍，该平台将支持反应堆设计和许可审批、制造和施工规划、自主运行以及数据整理。一个关键目标是维持一条连续的数字线索，将设计决策、许可文件、制造记录、施工活动以及最终的电厂运营连接起来。
与许多实验室软件演示不同，"普罗米修斯"项目还被开发为面向行业使用的生产级平台。INL表示，该系统预计将在商业托管环境中运行，并通过"创世纪计划"平台、商业云市场以及私有本地部署等方式支持部署，企业可以将专有信息保留在自己的防火墙后面。
该项目还设计了衡量自身价值的方式，与非AI工作流程进行对比。INL表示，AI带来的改进将与已记录的基准数据进行对标，数据集和评估协议将在重大里程碑节点公开发布，以便对所宣称的收益进行独立审查。
在早期种子资金支持下，一个初始原型已经开发完成。INL表示，该生产平台目标是在2027年3月于"创世纪计划"平台上进行初步部署，随后当年晚些时候将发布可迁移的技术规范，旨在支持DOE和商业领域更广泛的采用。
短期内，普渡大学计划继续在PUR-1周围测试该架构。该校还在一个新的全尺寸反应堆控制室中建设第二个PUR-1数字孪生系统。该设施将容纳普渡大学多维综合测试装置（PUMA）的数字孪生系统，这是一个按比例缩小的先进轻水反应堆设施，普渡大学计划为其升级数字化仪控系统，用于SMR和其他先进反应堆技术的研究。
——索纳尔·帕特尔（Sonal Patel）是POWER杂志高级编辑（@sonalcpatel，@POWERmagazine）。
Q&A
Q1：普渡大学的PUR-1反应堆试验实现了什么？
A：普渡大学工程师首次在美国实现了对核反应堆功率的实验性、远程和自动实时调整，将PUR-1反应堆与爱达荷国家实验室及微软云系统连接成跨越印第安纳州和爱达荷州的三方回路，展示了远程监控和控制反应堆的可行性。
Q2：什么是"普罗米修斯"项目？
A：这是美国能源部"创世纪计划"下由爱达荷国家实验室主导的三年期项目，获得6000万美元第二阶段拨款，旨在将人工智能应用于核反应堆设计、许可审批、制造、施工和运营全流程，目标是加快反应堆部署速度并降低运营成本。
Q3：PUR-1反应堆试验能实现完全自主控制吗？
A：目前不能。查齐达基斯表示，传统操作员模式不会改变，远程控制权限仍从属于PUR-1现有安全系统。自主运行主要针对未来30到40年后特定场景，比如月球微反应堆等难以人工操作的特殊应用。
