Дин Прайс, доцент кафедры ядерной науки и техники, видит светлое будущее для атомной энергетики и считает, что искусственный интеллект может помочь нам реализовать это видение. 
«Став инженером-ядерщиком, вы становитесь одним из немногих избранных, ответственных за производство безуглеродной энергии в Соединенных Штатах», — говорит доцент Массачусетского технологического института Дин Прайс. Фото: Гретхен Эртл
Сегодня в Соединенных Штатах работают 94 ядерных реактора — больше, чем в любой другой стране мира, и эти установки в совокупности обеспечивают почти 20 процентов электроэнергии страны. По словам Дина Прайса, это большое достижение, но он считает, что нашей стране нужно гораздо больше от ядерной энергии, особенно в тот момент, когда отчаянно ищутся альтернативы электростанциям, работающим на ископаемом топливе. Именно поэтому он стал инженером-ядерщиком — чтобы убедиться, что ядерные технологии способны обеспечить необходимые ресурсы в это время острой необходимости.
«Ядерная энергетика на протяжении последних 60 лет играла огромную роль в энергетической инфраструктуре нашей страны, и число людей, которые поддерживают эту инфраструктуру, невероятно мало», — говорит Прайс, доцент кафедры ядерной науки и инженерии (NSE) Массачусетского технологического института, а также профессор кафедры энергетических исследований имени Атлантик-Ричфилд. «Став инженером-ядерщиком, вы становитесь одним из немногих избранных людей, ответственных за производство безуглеродной энергии в Соединенных Штатах».
Он с энтузиазмом взялся за эту миссию, и поставленные перед собой цели были отнюдь не скромными: он хотел помочь в разработке и внедрении нового класса ядерных реакторов, опираясь на безопасность, экономичность и надежность существующего ядерного парка.
Прайс никогда не отступал от этой цели, и на этом пути он находил только поддержку. По его словам, сообщество инженеров-ядерщиков «небольшое, сплоченное и очень дружелюбное. Как только вы в него попадаете, большинство людей не склонны заниматься чем-либо другим».
Выявление взаимосвязей между физическими процессами
В рамках своего первого исследовательского проекта в качестве студента Иллинойского университета в Урбане, штат Иллинойс, в Шампейне, Прайс изучал безопасность стальных и бетонных контейнеров, используемых для хранения отработанных топливных стержней реакторов после их охлаждения в резервуарах с водой, как правило, в течение нескольких лет. Его анализ показал, что этот метод хранения достаточно безопасен, хотя вопрос о том, что в конечном итоге следует делать с этими контейнерами с топливом с точки зрения долгосрочной утилизации, остается открытым в нашей стране.
После начала обучения в аспирантуре Мичиганского университета в 2020 году Прайс занялся другим направлением исследований, которым занимается и по сей день. Эта область исследований, называемая мультифизическим моделированием, включает в себя изучение различных физических процессов, происходящих в ядре ядерного реактора, с целью выявления их взаимодействия — это альтернатива изучению этих процессов по отдельности.
Один из ключевых процессов, нейтронная физика, описывает движение нейтронов в активной зоне реактора, вызывающее ядерное деление, которое и обеспечивает выработку энергии. Второй процесс, называемый тепловой гидравликой, включает охлаждение реактора для отвода тепла, выделяемого нейтронами. Многофизическое моделирование, анализирующее взаимодействие этих двух процессов, могло бы показать, как тепло, отводимое при выработке энергии реактором, влияет на поведение нейтронов, поскольку чем горячее топливо, тем меньше вероятность того, что оно вызовет деление.
«Если вы когда-либо захотите изменить уровень мощности или выполнить какие-либо другие действия с реактором, температура топлива станет критически важным параметром, который вам необходимо знать», — говорит Прайс. «Многофизическое моделирование позволяет нам соотнести нейтронные процессы деления с тепловым свойством — температурой. Это, в свою очередь, может помочь нам предсказать, как реактор будет вести себя в различных условиях».
Прайс говорит, что многофизическое моделирование легководных реакторов, которые сегодня работают с мощностью порядка 1000 мегаватт, достаточно хорошо разработано. Но методы моделирования более совершенных реакторов — малых модульных реакторов (ММР мощностью от 20 до 300 МВт) и микрореакторов (мощностью от 1 до 20 МВт) — гораздо менее развиты. Сегодня работает лишь очень небольшое количество таких реакторов, но Прайс сосредоточил свои усилия на них из-за их потенциала производить электроэнергию дешевле и безопаснее, а также из-за большей гибкости в отношении мощности и размеров.
Хотя многофизические симуляции предоставили ядерному сообществу огромное количество информации, для решения или нахождения приблизительных решений связанных и чрезвычайно сложных нелинейных уравнений могут потребоваться суперкомпьютеры. В надежде значительно снизить вычислительную нагрузку, Прайс активно изучает подходы на основе искусственного интеллекта, которые могли бы дать аналогичные ответы, полностью обойдя эти обременительные уравнения. Это стало центральной темой его исследовательской программы с тех пор, как он присоединился к преподавательскому составу Массачусетского технологического института в сентябре 2025 года.
Ключевая роль искусственного интеллекта
Искусственный интеллект и методы машинного обучения, в частности, хорошо справляются с поиском закономерностей, скрытых в данных, таких как корреляции между переменными, критически важными для функционирования атомной электростанции. Например, Прайс говорит: «Если вы сообщите мне уровень мощности вашего реактора, он [ИИ] сможет определить температуру топлива и даже трехмерное распределение температуры в активной зоне». И если это можно сделать без решения сложных дифференциальных уравнений, вычислительные затраты могут быть значительно снижены.
Прайс исследует несколько областей применения, где ИИ может быть особенно полезен, например, в разработке новых типов реакторов. «Тогда мы могли бы использовать разработанные за последние 50 лет системы обеспечения безопасности для проведения анализа безопасности предлагаемой конструкции», — говорит он. «Таким образом, ИИ не будет напрямую взаимодействовать ни с чем, что имеет критическое значение для безопасности». По его мнению, роль ИИ будет заключаться в дополнении существующих процедур, а не в их замене, помогая заполнить существующие пробелы в знаниях.
Когда модели машинного обучения предоставляется достаточное количество данных для обучения, она может помочь нам лучше понять взаимосвязь между ключевыми физическими процессами — опять же, без необходимости решения нелинейных дифференциальных уравнений.
«Тщательно определив эти взаимосвязи, мы сможем принимать более обоснованные проектные решения на ранних этапах», — говорит Прайс. «А когда эта технология будет разработана и внедрена, ИИ сможет помочь нам принимать более интеллектуальные решения в области управления, что позволит нам эксплуатировать наши реакторы более безопасным и экономичным способом».
Отдавая должное сообществу, которое его воспитало.
Проще говоря, одна из его главных целей — привнести преимущества ИИ в атомную промышленность, и он считает, что возможности в этой области огромны и во многом не использованы. Прайс также считает, что, будучи профессором в Массачусетском технологическом институте, он имеет все возможности приблизить нас к тому ядерному будущему, которое он себе представляет. По его мнению, он работает не только над разработкой реакторов следующего поколения, но и над подготовкой следующего поколения лидеров в этой области.
Прайс познакомился с некоторыми потенциальными членами этого «следующего поколения» на курсе проектирования, который он вел прошлой осенью совместно с Кертисом Смитом, профессором-практиком ядерной науки и техники имени К. Э. Пайса это знакомство длилось всего несколько месяцев, но этого было достаточно, чтобы он понял, что студенты Массачусетского технологического института исключительно мотивированы, трудолюбивы и способны. Неудивительно, что именно эти качества он надеется найти в студентах, которые присоединятся к его исследовательской группе.
Прайс отчетливо помнит поддержку, которую он получил, делая свои первые, неуверенные шаги в этой области. Теперь, когда он поднялся по карьерной лестнице от студента до профессора и приобрел значительный объем знаний, он хочет, чтобы его студенты «испытали то же чувство, которое я испытывал, когда только начинал свою карьеру в этой области». Помимо конкретных целей по улучшению проектирования и эксплуатации ядерных реакторов, Прайс говорит: «Я надеюсь сохранить ту же веселую и здоровую атмосферу, которая заставила меня полюбить ядерную инженерию с самого начала».
Источник: news.mit.edu
