Stärkung der Kernenergieerzeugung durch künstliche Intelligenz
Künstliche Intelligenz (KI) verfügt über ein vielversprechendes Potenzial, wenn es darum geht, die Kernenergieerzeugung voranzutreiben. Diese hochentwickelten Computersysteme simulieren die menschliche Logik, um Probleme zu lösen und Entscheidungen zu treffen. Dank ihrer Fähigkeit, Effizienz, Automatisierung, Sicherheit und vorbeugende Wartung zu verbessern und Prozesse zu optimieren, macht die KI in einigen Bereichen der Kernenergie bereits Fortschritte.
KI ist ein Sammelbegriff, der verschiedene Technologien umfasst, die im Laufe der Jahrzehnte entwickelt wurden. Sie reicht von einfachen Computerprogrammen wie Spamfiltern bis hin zu fortgeschritteneren Konzepten wie dem maschinellen Lernen, bei dem Computer durch umfangreiches Training unter Verwendung grosser Datenmengen aus ihren bisherigen Erfahrungen lernen. Mit der Einführung sehr leistungsfähiger Mikrochips kam das Deep Learning auf, bei dem künstliche neuronale Netzwerke, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind, zum Einsatz kommen.
Die generative KI – eine Untergruppe von Deep Learning – hat die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit durch die Erstellung von originellen Texten, Bildern und Videos auf sich gezogen. Sie ist sehr vielseitig und kann an viele verschiedene Funktionen oder Tätigkeiten angepasst werden. «Man darf zu Recht begeistert sein, was generative Werkzeuge leisten können», findet Jeremy Renshaw, der am Electric Power Research Institute (EPRI) die Arbeit in den Bereichen KI, Quantentechnologien und nukleare Innovation leitet. «Die heutigen Modelle sind bereits sehr leistungsfähig und es werden derzeit viele Anstrengungen unternommen, um neue, leistungsfähigere Werkzeuge zu entwickeln.»
Auch wenn generative KI administrative Aufgaben erleichtern kann, wie es in anderen Bereichen der Fall ist, kann sie aufgrund ihrer Neuartigkeit und Undurchsichtigkeit noch nicht für den Betrieb von Kernkraftwerken eingesetzt werden. Es ist nämlich noch nicht vollständig geklärt, wie künstliche Netzwerke funktionieren und zu Schlussfolgerungen kommen. Transparentere Systeme, die als erklärbare generative KI (explainable generative AI) bezeichnet werden, versprechen einen breiteren Einsatz im Kernkraftwerksbetrieb. Die Entwicklung einer solchen KI ist im Gange, und Renshaw ist zuversichtlich, dass sie, wenn sie realisiert wird, in absehbarer Zeit den Einsatz von KI in Kernkraftwerken ermöglichen wird.
Anwendungen des maschinellen Lernens
Maschinelles Lernen wird in der Nuklearindustrie schon seit einiger Zeit eingesetzt und hat sich in verschiedenen Bereichen als nützlich erwiesen. Die Betreiber nutzen Algorithmen des maschinellen Lernens für die Echtzeitüberwachung und die vorbeugende Instandhaltung. Die Software durchforstet die zahlreichen von den Sensoren gelieferten Daten, sodass sich menschliche Analysten auf mögliche Unregelmässigkeiten in einem Bruchteil der Gesamtdaten konzentrieren können. «Der Kontrolleur muss nur die relevanten Daten auswerten. Statt nach der Nadel im Heuhaufen zu suchen, eliminieren wir den Heuhaufen», erklärt Renshaw.
Diese Technologie kann die menschliche Analyse nicht ersetzen. Sie kann jedoch schnellere und zuverlässigere Ergebnisse liefern, während sie sich auf weniger menschliche Interaktion stützt, obwohl diese nach wie vor unerlässlich ist. Maschinelles Lernen wird bereits eingesetzt, um Risse in Metallbehältern und Leitungen in Kernkraftwerken zu erkennen. Es kann die Genauigkeit erhöhen, die Kosten senken und die menschliche Überwachung optimieren, was im Bereich der Kernkraft erhebliche Vorteile bringen könnte.
Es gibt viele mögliche Anwendungen von KI in Kernkraftwerken. Sie könnte beispielsweise die Effizienz steigern und eine gleichmässige Stromversorgung gewährleisten, indem die Stromerzeugung auf der Grundlage von in Echtzeit gesammelten Daten wie Verbrauchernachfrage, Wetterbedingungen und Anlagenleistung angepasst wird. Die Automatisierung mithilfe von Robotik und KI-Systemen würde es ermöglichen, Routineaufgaben zu bewältigen, den menschlichen Eingriff auf wertschöpfende Aufgaben zu konzentrieren und die Effizienz des Kraftwerks zu steigern. Ausserdem würde sie den Brennstoffverbrauch optimieren und die Energieproduktion der Reaktoren maximieren.
«In Verbindung mit anderen Technologien wie digitalen Zwillingen könnte die KI die Effizienz der nuklearen Energieerzeugung erheblich steigern», sagt Nelly Ngoy Kubelwa, Nuklearingenieurin mit Schwerpunkt auf innovativen Technologien bei der IAEO. Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Darstellung eines physischen Objekts, einer Person oder eines Verfahrens, die in der Lage ist, reale Situationen und deren Ergebnisse zu simulieren.
Laut Ngoy Kubelwa besteht in der Branche ein grosses Interesse an KI-Lösungen. Bevor jedoch eine neue Technologie in Kernkraftwerken eingesetzt werden kann, müssen die Aufsichtsbehörden die Funktionsweise der Technologie kennen und vollständig verstehen, damit sie in der Lage sind, Richtlinien zu entwickeln und Genehmigungen für ihren Einsatz zu erteilen.
«Es wird viel darüber diskutiert, ob KI und insbesondere generative KI etwas grundlegend Neues ist, das bedingt, dass wir unseren Ansatz zur Regulierung ihrer Nutzung komplett ändern, oder ob wir die derzeitigen Standards anpassen können», sagt Ngoy Kubelwa. «Um den Einsatz dieser Technologie auszuweiten, müssen wir in Zusammenarbeit mit den Regulierungsbehörden Rahmenbedingungen festlegen.»
Die IAEO unterstützt seit 2021 die potenzielle Anwendung von KI in Kernkraftwerken. Sie erstellte einen Bericht zur KI und richtete anschliessend unter der Schirmherrschaft des International Network for Innovation to Support Operating Nuclear Power Plants (ISOP) Arbeitsgruppen ein, die sich auf die regulatorischen und technischen Aspekte des Einsatzes von KI konzentrierten. Die anstehenden Veröffentlichungen über die Anwendungen der KI im Nuklearsektor und ihre Auswirkungen auf die Sicherheit in Kernkraftwerken unterstreichen dieses Engagement in diesem Bereich. Die IAEO leitet auch ein koordiniertes Forschungsprojekt, um zu untersuchen, wie KI und innovative Technologien dazu beitragen können, den Einsatz kleiner, modularer Reaktoren zu beschleunigen, und sie erwägt das Einrichten von IAEO-Kollaborationszentren mit Schwerpunkt auf KI.
Für Ngoy Kubelwa ist dies nicht nur ein technisches Thema. «Der Einsatz von KI und anderen aufstrebenden Technologien wird ein Zeichen dafür sein, dass der Nuklearsektor mit den neuesten Entwicklungen Schritt hält», sagt sie. «Es ist entscheidend, dass wir uns proaktiv auf diesem Gebiet engagieren, um das Interesse der jüngeren Generation zu wecken, was für die Sicherung der Zukunft der nuklearen Energieerzeugung entscheidend ist.»
Dieser Beitrag wurde im Bulletin der Internationalen Atomenergie-Organisation vom September 2023, Vol. 64-3, unter dem Titel «Enhancing nuclear power production with artificial intelligence» veröffentlicht und vom Nuklearforum Schweiz ins Deutsche übersetzt.