核反应堆安全研究：模拟破坏与网络防御

有时，警察与强盗的游戏不仅仅是儿童的游戏。在美国能源部的国家实验室里，研究人员正扮演着内部破坏者的角色，以发现下一代核反应堆的脆弱性，确保它们在建造之前就尽可能安全。

Darius Lisowski 花时间扮演“坏人”，以挫败那些可能干扰核反应堆安全运行的人。（照片：Argonne）

阿贡国家实验室的非能动安全系统：阿贡国家实验室与姊妹实验室 Sandia、Oak Ridge 和 Idaho 合作超过两年，旨在发现非能动安全系统中的潜在弱点，这是许多新核电站设计的关键特征。

非能动安全系统之所以如此命名，是因为它们依靠重力、循环和其他自然过程——而不是人为干预或能动电源——来冷却或安全停堆。

“自然现象威胁是新型反应堆独有的，”阿贡国家实验室 NSTF 的反应堆安全试验与分析组经理兼首席研究员 Darius Lisowski 说。“在这个项目中，我们关注的是那些可能拥有授权访问权限并了解内部运作的坏人。他们能做些什么来破坏系统？”

在阿贡国家实验室的自然对流停堆衰变热排出试验设施(NSTF)，研究人员集思广益，探讨了那些有访问权限的人可能利用的潜在弱点，例如可能被留开的检修舱口或被堵塞的冷却通道。

他们在题为《识别先进核反应堆中非能动衰变热排出系统的破坏风险与对抗性威胁》的报告中详细阐述了他们的发现，该报告于2024年10月在国际原子能机构的小型模块化反应堆及其应用国际会议上发表。

研究团队发现了预期中的情况——核电站非常安全，但在极不可能发生的场景中可能脆弱。最可能的破坏场景被提交给阿贡国家实验室的国际安全负责人 Matthew Bucknor 以及许可与风险评估组经理 Dave Grabaskas，以测试每个潜在的弱点。“我们的研究与美国所有核供应商都相关且适用，”Bucknor 说。

目标是通过早期识别风险来为更好的设计提供信息，以便小问题在变成大问题之前就被发现。“通过采用冗余设计、关注最严重的威胁，并满足严格的设计试验，”Lisowski 说，“我们可以确保非能动安全特性是稳健的。设计改进将在下一代反应堆投入运行之前及早进行。”

Idaho美国国家实验室的网络安全：新的数字技术可能使运行中的核电站面临另一种威胁。

INL 的乏燃料池冷却系统试验台。（照片：INL）

“数字技术已与核能运营密不可分，”INL 的核网络安全专家 Charlie Nickerson 说。“如今运行的每个电站都依赖于传感器、控制系统和数据流的组合，这在三十年前是不可想象的。”

数字化带来的效率和进步也伴随着网络攻击的风险。幸运的是，INL 拥有一支核网络团队，负责发现反应堆隐藏的脆弱性。在实验室的工程化试验台环境中，核能运营商和网络安全专业人员可以在受控条件下应对真实世界的攻击。

“每个试验台都迫使参与者看到脆弱性在利用过程中如何展开、哪些信号可能更早地揭示它，以及如何加强防御，”Nickerson 说。

试验台是一个四步流程的一部分，该流程始于一次模拟网络攻击。从那里开始，每个场景都被详细规划，参与者讨论在哪些地方错过了保护和检测的机会。

之后，参与者将这些经验带回自己的设施，并应用所学到的教训。同样，INL 可能会根据之前的合作调整或建造新的试验台。在第四步中，合作伙伴返回实验室，带来进一步的想法、新程序，甚至是原型技术。这带来了训练有素的劳动力、更强大的安全基础、更协作的实践以及行业最新的技术。

“核能的未来取决于安全、成本和对其安全性的信任，”Nickerson 说。“这就是为什么 INL 不仅仅是在保卫核能，我们正在重新构想如何确保其安全。”