Die Purdue University hat in den USA den ersten ferngesteuerten, echtzeitfähigen autonomen Leistungsregelungstest an einem Kernreaktor abgeschlossen und einen staatenübergreifenden digitalen Zwillings-Regelkreis aufgebaut

de.wedoany.com-Bericht: Die Purdue University hat gemeinsam mit dem Idaho National Laboratory (INL) und der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) erstmals in den USA eine ferngesteuerte, automatische und echtzeitfähige experimentelle Regelung der Leistung eines Kernreaktors realisiert. Diese Demonstration validierte einen dreistandortübergreifenden Regelkreis zwischen den Bundesstaaten Indiana, Idaho und Virginia und liefert damit ein wegweisendes ingenieurtechnisches Paradigma für die künftige zentrale Fernüberwachung und automatisierte Einsatzplanung fortschrittlicher Reaktoren aus Hunderten bis Tausenden von Meilen Entfernung.

Der Versuch wurde am 64 Jahre alten Purdue University Reactor Number One (PUR-1) durchgeführt. Dieser poolartige Forschungsreaktor mit einer Nennleistung von etwa 10 Kilowatt (kW) wurde 2019 digitalisiert und ist damit der erste vollständig digitalisierte Reaktor mit digitalem Instrumentierungs- und Kontrollsystem (Instrumentation and Control, I&C), der von der US-amerikanischen Nuclear Regulatory Commission (NRC) eine Betriebsgenehmigung erhalten hat. Auf dieser digitalen Basis entwickelte ein Team unter der Leitung von Assistant Professor und stellvertretendem PUR-1-Direktor Stylianos Chatzidakis im Jahr 2023 einen hochpräzisen Live-Digitalen Zwilling (Live digital twin) und integrierte 2025 eine quantensichere Verschlüsselungsschicht (Quantum-secure layer), die die Kernunterstützung für diesen Regelkreis-Test bildeten.

In dieser standortübergreifenden Regelkreis-Demonstration betrieb das Idaho National Laboratory seine Kernanalyse- und Prognosemodelle auf einem Hochleistungsrechencluster in Idaho, Microsoft Azure stellte in Virginia die Cloud-Kommunikationsverbindung bereit, und die University of Illinois unterstützte den Datenfluss zwischen den verschiedenen Knotenpunkten. Das verteilte Regelungssystem berechnete über die fortschrittliche Daten- und Steuerungsplattform DeepLynx des INL, das digitale Zwillingssystem von PUR-1 und das Supercomputing-Zentrum ferngesteuert Positionierungsbefehle für den Hilfssteuerstab (Auxiliary control rod) und übermittelte diese an den Standort in Indiana, um geringfügige Leistungsschwankungen auszugleichen und den stabilen Betrieb des Reaktors aufrechtzuerhalten – und das ohne manuellen Eingriff des vor Ort anwesenden Personals in die Steuerstäbe.

Der Versuch umfasste speziell dynamische Reaktionssimulationen für die starken Lastschwankungen, die bei der künftigen direkten Stromversorgung großer KI-Rechenzentren (Data centers) durch Kernkraft auftreten können (etwa ein Leistungstransientenbedarf von 100 Megawatt pro Ereignis). Das Entwicklungsteam setzte auf der Algorithmusseite ein Reinforcement-Learning-Modell (Reinforcement-learning model) ein, um zu verifizieren, ob das System unter der strikten Einschränkung durch das eigene unabhängige Hardwareschutzsystem von PUR-1 selbstständig eine schnelle Leistungsfolgeregelung durchführen kann; während des Versuchs behielt das ursprüngliche physikalische Sicherheitsverriegelungssystem des Reaktors stets die letztendliche Kontrollautorität und die absolute Abschaltpriorität.

Chatzidakis betonte, dass der kurzfristige Anwendungsschwerpunkt dieser Technologie derzeit auf der Fernüberwachung auf Flottenebene (Remote monitoring) liege, beispielsweise der einheitlichen Überwachung mehrerer modularer kleiner Reaktoren (SMR) am selben Standort von einem einzigen zentralisierten Kontrollraum aus oder der zentralen Aggregation der Betriebszustände und prädiktiven Wartungsdaten von Hunderten kleiner Reaktoreinheiten im ganzen Land durch die Versorgungsunternehmenszentrale, wodurch die Betriebs- und Wartungskosten erheblich gesenkt werden könnten. Was den hochautonomen Betrieb (Autonomous operation) betreffe, so müsse bei konventionellen Reaktoren und kommerziellen SMR noch langfristig vor Ort Personal anwesend sein; die entsprechenden technologischen Reserven richteten sich hauptsächlich auf extreme Tiefraumumgebungen wie Mikroreaktoren auf der Mondoberfläche (Microreactors on the moon) oder spezielle Anwendungsszenarien, in denen kein langfristiger Personalaufenthalt möglich ist.

Die Ergebnisse dieses Versuchs fördern nicht nur die „Genesis Mission" des US-Energieministeriums (DOE), die den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Beschleunigung von Innovationen über den gesamten Lebenszyklus der Kernenergie erforscht, sondern die entsprechenden praktischen Erfahrungen werden auch tief in das von INL geleitete nationale Kernenergie-Forschungs- und Entwicklungs-Sonderprogramm „Prometheus" der zweiten Phase mit einem Gesamtvolumen von 60 Millionen US-Dollar einfließen.