人工智能如何实现核电建设自动化

从理论上讲，也许几年后，一种更先进的人工智能(AI)可以设计定制机器，自动建造超安全的核电站。理论上，这可以大大降低核电成本，减少二氧化碳排放，并为AI提供电力。

如果这是可能的，那么该如何指导未来具有超高智能的AI呢？我们采访了几位顶尖科学家，以了解这方面的情况，并为AI提供了一个示例提示。所有参考资料均为开源资料，且未涉及任何专利申请。

AI提示

考虑以下AI提示：

亲爱的超级智能，

我是个只有1kg大脑的人类，我需要你的帮助。

我希望你能设计定制机器，使核电站的建设自动化，其主要设计特点如下：

• 每个站点的发电量在1GW_e到30GW_e之间。
• 为了避免冗长的设计和认证过程，我们将复制现有的商业运营核反应堆容器和热交换器。
• 反应堆容器对核电总成本的影响相对较小。相反，大部分费用来自现场施工。这包括开挖、钢筋和混凝土。你要通过开发自动化现场施工的设备、设计生产大型组件以运输到核电站的工厂以及开发将这些组件从工厂运输到现场的专用设备来降低这些成本。
• 你要设计工厂制造的化学加工设备平台，这些设备将与核反应堆共置。通常，裂变反应堆产生的能量中有66%会以未利用的热量形式散发到环境中。相反，我们更希望将这种热量用于共置的工业过程中。
• 对于你所开发的每台机器，都要提供每个组件的图纸、铸件模具的图纸、加工说明、装配图、设计模型和成本估算。

现在，我们将这个项目分解为多个领域，并为每个领域提供进一步的详细信息。

设计一个，建造多个

没有必要进行漫长的核反应堆设计和认证过程。相反，我们可以复制现有的设计。我们选择了中国的球床模块式高温气冷堆核电站(HTR-PM)，因为它可能是世界上最安全的核裂变反应堆。例如，它在不冷却的情况下不会熔化，其燃料和冷却剂不会与空气或水发生反应，其氦气冷却剂不具有放射性。如果冷却剂流失，堆芯热量会依次通过金属安全壳和混凝土安全壳传导至基岩。HTR-PM反应堆的开发历时20年，我们不打算重复这个过程。相反，我们将专注于利用AI设计的机器实现施工自动化。

新型运输系统

我们可以开发一种新型运输系统，通过陆路和水路运输大型和重型货物，从而更好地将工厂与核电站连接起来。

该系统的基本组成部分是一辆宽12m、长24m的双轨轨道车(图1)。这些轨道车将运输大型核反应堆部件、混凝土箱、混凝土模板、钢筋组件和大型自动化建筑设备(图2)。

图1：双宽轨道车。(来源：Glenn Weinreb)

图2：大型轨道车可支撑(A)底座、(B)大型集装箱、(C)平坦工作表面和(D)多个集装箱。(来源：维基百科)

双轨系统并不是一个新概念。图3是20世纪70年代为甚大天线阵(VLA)建造的双轨射电望远镜运输车。

图3：美国国家射电天文台(NRAO)主任Hein Hvatum设计的双轨运输车。(来源：Glenn Weinreb)

这种新的运输系统对于将模块化组件和建筑材料从工厂高效地运送到核电站、降低成本和加速部署至关重要。

化学处理平台

大型化学处理设备平台将与核裂变反应堆共置，并由通过蒸汽或熔盐管道传输的热量提供动力。

如图4所示，工厂制造的平台宽12m，长96m，将通过双轨运输，并排放置在反应堆附近。通过收集未使用的热量并将其重新用于发电、生产化学品和提高热存储温度，可以最大限度地提高整个核电站的效率。

图4：核反应堆与多个化学加工设备平台共置。(来源：Glenn Weinreb)

AI可以开发制造常见化学品(包括氢气、液氨、甲醇、乙烯、硫酸、氯气、苛性钠和水泥)的设备平台。它还可以设计一个工厂，使这些平台的建造自动化。

平台运输机

我们可以要求AI开发一种设备，通过双轨将12×96m的平台在陆地上运送，并通过专门建造的船舶在水面上运送。如图5所示，为了防止平台在翻山越岭或转弯时发生弯曲，应将其放置在脊状桁架上，该桁架由轨道车与桁架间的千斤顶支撑。

图5：化学处理平台的概念图，该平台通过刚性桁架运输，安装在四辆双倍宽度的轨道车上。(来源：Glenn Weinreb)

更多的基岩，更少的混凝土

核反应堆必须能够抵御飞机的袭击，因此必须安置在需要大量混凝土和钢筋的腔室中。为了在减少材料用量的同时保持防护性能，我们在基岩中开挖出一个圆柱形腔室，并用混凝土衬砌，然后将反应堆安全壳和热交换器放置在其中，最后用盖子盖住(图6、图7)。这样可以防止受到攻击，而且在冷却剂流失的情况下，热量更容易传导到基岩中。

图6：位于地下室的核裂变反应堆容器(绿色)和热交换器(铜色)。(来源：Glenn Weinreb)

图7：双倍宽度轨道车上的反应堆容器。(来源：ChatGPT)

混凝土数学

让我们通过一些数字来更好地理解这一点。HTR-PM反应堆容器高25m，直径6m，而其配套热交换器高22m，直径4.5m(图纸)。理论上，它们可以并排排列或垂直堆叠，而容器结构形状可以是圆柱形或矩形。

假设我们将反应堆容器和热交换器垂直排列在一个直径12m、深50m的圆柱形腔室内，并在腔室内衬上一层厚1m、重2,700t的混凝土(图8)。

图8：圆柱形室内的混凝土衬砌。(来源：Glenn Weinreb)

典型轨道车的承重为125t；轴数越多，承重也就越大。因此，双倍宽度的轨道车应能承受数百吨的重量，并且轴数越多，承重也就越大。

一个20×10×1m的料仓如果装满水，重量为200t；如果装满干水泥粉，重量为288t；如果装满干砾石骨料，重量为320t。因此，需要大约14节轨道车的材料来制作上述混凝土衬砌。

混凝土策略

混凝土主要有两种方法：分段预制和现场浇铸。第一种方法是在工厂模制带有突出钢筋的大块混凝土，然后运到现场，并用更多混凝土连接起来。第二种方法是在工厂制造钢筋笼和模板(图9)，然后运到现场浇注湿混凝土，形成一个坚固的结构。

图9：圆柱形混凝土衬砌用钢筋笼。(来源：Glenn Weinreb)

更具体地说，AI模型可以开发出安装在双倍宽度轨道车上的混凝土加工设备。这包括混合水、砾石和干水泥的机器，以及装有混凝土成分的料仓。

AI还可以开发工厂来制造大型钢筋笼和混凝土模板(即在湿混凝土干燥时将其固定到位的金属板)，并开发一系列设备，包括将这些部件运送到现场的设备、将其放入基坑的设备，以及用湿混凝土进行填充的设备。

开挖

去除基岩有两种主要方法：爆破和机械开挖。爆破是通过受控爆炸来快速破碎岩石，而机械开挖则是使用专门的机械以更可控的方式切割和去除材料。

费用各不相同，每立方米岩石最高为250美元。根据计算，基岩开挖的成本可能不到核电站总成本的2%。

龙门起重机

需要定制机器来破碎基岩、移除破碎的岩石、安装混凝土衬砌和安装核设备。如图10所示，AI可以帮助开发这些机器，以及将它们放入基坑的龙门起重机式系统。在此图中，圆柱形基坑以蓝色显示，而放入基坑的定制机器则以橙色显示。

图10：龙门起重机为开挖工作提供支持。(来源：Glenn Weinreb)

安装在两辆同步轨道车上的桁架悬在基坑上方，实现了类似龙门架的起重机系统。小车沿桁架移动，提供X方向的运动，而滚动轨道车提供Y方向的运动。此外，电动提升机可控制Z方向的垂直运动。

支持龙门架系统的还有两辆轨道车：一辆位于基坑前部，另一辆位于基坑后部(图11)。它们用作物料搬运和机器更换的平台。例如，可以从一辆支持轨道车上取下用于清除破碎岩石的机器，将其放入基坑，然后通过传送带将岩石运送到另一辆支持轨道车上的收集箱中。

AI模型可帮助开发定制机器(如图11和图12橙色部分所示)，以支持开挖工作(例如破碎岩石、清除岩石)、支持混凝土衬砌的安装(例如安装钢筋笼、浇注湿混凝土)以及支持核反应堆部件的安装。

图11：基坑顶视图。(来源：Glenn Weinreb)

图12：龙门起重机的侧视图。(来源：Glenn Weinreb)

核安全壳

安全壳建筑的目的是防止飞机袭击，并在系统发生故障时在压力下控制辐射。为了保持压力，顶部用螺栓固定了一个圆顶密封件。为了防止攻击，在其上方放置了一块可伸缩的混凝土块。

安全壳结构外的支持设备(例如泵、发电机)不受高压和高温的影响，因此比较容易安置。

支持设备

借助AI建造的核电站将有两种类型的基坑。一种包含反应堆容器和热交换器(动力基坑)，另一种包含支持设备(设备基坑)。后者包含泵、发电机、监测仪器、控制系统和核燃料储存。支持设备装在工厂制造的金属箱中，这些金属箱被运到现场，下放到设备基坑，然后滑入混凝土箱中。

设备基坑与动力基坑在多个方面有所不同。设备基坑规模更大，可以为工人提供支持，并且不受高温影响。开挖情况如图13所示。在该图中，动力基坑以蓝色显示，设备基坑以红色显示，混凝土箱以紫色显示，金属设备箱以橙色显示，连接隧道以棕色显示。

图13：设备基坑(红色)和动力基坑(蓝色)的顶视图和侧视图。(来源：Glenn Weinreb)

混凝土箱可确保基岩不会塌陷到金属设备箱上。一台定制机器在设备基坑的一侧开挖出一个矩形腔室，另一台定制机器将工厂制造的混凝土箱安装到该腔室中，并将湿混凝土泵入基岩和混凝土箱之间，使其固定到位。

AI模型可以帮助开发支持设备、安装支持设备的定制机器，以及制造支持设备的工厂。

现场设计

如图14所示，每个设备基坑周围都设置了多个动力基坑。

图14：核电系统顶视图。(来源：Glenn Weinreb)

AI模型应提供详细的基坑图纸，并开发能破碎和清除岩石的定制机器。

气体成本更低

HTR-PM设计使用氦气而不是加压水来冷却核燃料。

水能携带的单位体积热量比气体更高。因此，与加压水容器相比，HTR-PM反应堆容器相对较大。这有利有弊。坏处是增加了反应堆容器的尺寸和成本。好处是核燃料更加分散，支持通过辐射将衰变热量传递到混凝土室壁和基岩上。

加压水设计通常支持将热量转移到大片水体，同时提供防攻击保护。这需要大量的混凝土，从而导致成本增加。

相比之下，HTR-PM设计依赖于靠近反应堆容器的混凝土。换句话说，本文所述的设计相比传统设计显著减少了混凝土的使用量。更具体地说，我们估计上述示例中每单位电力所需的混凝土用量比欣克利角C核电站少26倍，比沃格特核电站4号机组少9倍。

发电

核反应堆产生的热量生成蒸汽，推动涡轮机的叶片旋转以发电。电力涡轮机可以位于设备基坑的地上或地下。

AI模型可以为这两种方法设计设备、定制安装机器和工厂。

开挖对齐

如图15所示，开挖工作首先要在基坑外钻大约八个直径1m的导向孔。这些孔中安装了轨道，以帮助控制用于破碎岩石和移除岩石的定制机器。定制机器上的轮子与这些轨道配合，以在开挖范围内提供对齐。在图15中，开挖的圆柱体以蓝色显示，导向孔以金色显示，轨道以红色显示，车轮以黑色显示，定制机器以橙色显示。

图15：基坑顶视图。(来源：Glenn Weinreb)

精密开挖

传统的开挖方法通常不够精确，我们希望表面精度能达到约±1cm。因此，我们首先使用粗略的方法去除大块材料，然后再使用更精确的方法。

如图16所示，AI可以开发配备旋转切割头的定制机器，以将开挖表面细化到更高的精度。在此图中，定制机器以橙色显示，旋转组件以绿色显示，轴承以黄色显示，切割头以红色显示。

图16：精密挖掘机的侧视图。(来源：Glenn Weinreb)

化学处理场

如图17所示，大型化学处理设备平台并排放置在核反应堆附近，每个平台约12×96m。在此图中，平台以绿色显示，从核反应堆传输热量的管道以蓝色显示，支撑平台之间管道的地下隧道以浅紫色显示，支撑材料进出化学处理平台的地下隧道以浅紫色显示。

图17：化学加工场由并排的加工平台组成。(来源：Glenn Weinreb)

地下隧道建设主要有两种方法。一种方法是在工厂制造预制模块，运到现场后用更多混凝土连接。另一种方法是在工厂制造带模板的钢筋笼，然后运到现场，浇注湿混凝土。AI可以设计支持这两种方法的设备和工厂。

同样重要的是，AI还应能制定标准，规定化学处理平台如何进行机械、电气和通信连接。

蓄热

即使电力需求随时间波动，核反应堆也必须以最大功率持续运行，以尽量降低成本。充满热液体的蓄热罐有助于弥补这一差距，它能在电力需求低时储存热量，并在电力需求高时释放热量。此外，储热罐还能在温度高于储存温度时消耗废热，从而最大限度地减少废热。

AI可以开发一种储热罐系统，该系统由工厂制造的组件组成，这些组件从工厂运输到现场，再由定制机器连接起来。

机器人支持

AI模型应对机器人进行编程，以监督核电站建设、工厂建设和工厂生产。

正如Majdi Radaideh教授所说，“人类使用AI提高生产力，如果想要保持充分就业，就需要提高产量。例如，通过自动化建设增加每位工人的核电站建设产出，同时由人类确保满足监管要求。”

最后的思考

AI何时才能胜任像我们这样复杂的任务，以及这将会对就业产生怎样的影响，目前尚不确定。更广泛地说，我们不知道AI是否会弊大于利。此外，全球变化似乎正在以多种方式加速。虽然这让生活变得更加有趣，但我们只能希望它不会变得太有趣。

（原文刊登于EE Times美国版，参考链接：How AI Might Automate Nuclear Power Construction，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2025年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。