Attention-based time series analysis for data-driven anomaly detection in nuclear power plants

Dong, F.*; Chen, S.*; 出町 和之*; 吉川 雅紀; 関 暁之; 高屋 茂

Nuclear Engineering and Design, 404, p.112161_1 - 112161_15, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112161

To ensure nuclear safety, timely and accurate anomaly detection is of utmost importance in the daily condition monitoring of Nuclear Power Plants (NPPs), as any slight anomaly in a plant may result in an irreversible and serious accident, as well as high costs of maintenance and management. Nevertheless, due to the unique inherent attributes of anomalies, the difficulty of automatic detection in NPPs is increased. Previous model-driven anomaly detection approaches required skilled priori knowledge, leading to their limited usability. Commonly adopted deep learning-based data-driven anomaly detection approaches may not easily acquire the most relevant features when dealing with sensor data containing redundant information with uneven distribution of anomalies. To alleviate these issues, this paper propose an attention-based time series model for anomaly detection to ensure safety in NPPs. First, we employ one-dimension convolutional neural network (1D-CNN) backbone for feature extraction to preserve original inherent features of time series inputs. Subsequently, we originally adopt soft-attention mechanism to automatically extract the most relevant temporal features considering the specificity of anomaly detection in NPPs. The performance of the proposed model was experimentally validated on the High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) anomaly case dataset simulated using the analytical code. The experimental results indicate that the proposed model was capable of detecting anomalies in NPPs with superior performance to the baseline model, while ensuring fast detection at short time steps.

Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers; Path-integral molecular dynamics simulations

吉川 武宏*; 菅原 修一*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之; 立川 仁典*

Chemical Physics, 394(1), p.46 - 51, 2012/02

https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2011.12.007

プロトン移動反応は、水や生体内で起こる基本的反応であり、ポルフィセン分子は、それが協同的に起こる二重プロトン移動反応を示す典型的な系の一として多くの研究者の注目を受けている。本研究では、このポルフィセン分子における二重プロトン移動反応における同位体置換効果を調べるため、経路積分分子動力学シミュレーションを行った。その結果、室温において、ポルフィセンの二重プロトン移動は、おもに協同的機構で起こり、二次の鞍点の遷移状態を通過することで反応が進むことがわかった他、同位体置換は反応機構に大きな影響を与え、温度が上がると逐次反応の寄与が増えることも判明した。さらに、この際、面外の分子振動は、協同的機構を抑える働きをしていることもわかり、反応メカニズムの概略を理解することに成功した。これらの研究成果は、化学反応の基礎的理解を進めるものと位置付けられる一方、原子・分子のシミュレーション技術をより高精度にするための必須な技術開発である。

Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations

吉川 武宏*; 菅原 修一*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之; 立川 仁典*

Chemical Physics Letters, 496(1-3), p.14 - 19, 2010/08

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.07.009

全次元の経路積分分子動力学シミュレーションにより、ポルフィセンのプロトン移動による互変異性化が協奏的か逐次的かを調べた。その結果、二重プロトン移動は二次の鞍点構造を経る協奏的反応経路を通りやすいが、温度が高くなるにつれ、逐次的な機構の寄与が増すことがわかった。核の量子効果がプロトン移動メカニズムを決めるのに重要な役割を果たしている。

J-PARCリニアックACS加速空洞増強におけるモニターシステムの設計

三浦 昭彦; 佐藤 進; 佐甲 博之; 吉川 博; 長谷川 和男; 五十嵐 前衛*; 池上 雅紀*

Proceedings of 6th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (CD-ROM), p.733 - 735, 2010/03

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj6/papers/tobdc01.pdf

J-PARC線形加速器(リニアック)は、現在181MeVのビームエネルギーにて運転を行っているが、より高エネルギーの粒子を下流のシンクロトロンに入射するため、平成20年度末より、ACS加速空洞の増強を行う計画が開始した。これに伴い、ACS加速空洞におけるビームコミッショニングを行うためのモニター類の設計を開始し、製作を進めている。本稿では、ビームコミッショニングに用いられるモニター類について紹介するとともに、ACS加速区間におけるモニターシステムの設計について言及する。また、縦方向のミスマッチを診断するための縦方向プロファイルモニターの導入について紹介する。

Study of J-PARC linac beam position monitor as phase monitor

佐藤 進; 三浦 昭彦; 富澤 哲男; 佐甲 博之; 森下 卓俊; 上野 彰; 長谷川 和男; 吉川 博; 五十嵐 前衛*; 池上 雅紀*

Proceedings of 2009 Particle Accelerator Conference (PAC '09) (DVD-ROM), p.3591 - 3593, 2009/05

In J-PARC LINAC, about a hundred of beam position monitors (BPM's) with stripline electrodes are being operated. Signals from striplines would be useful also for beam phase measurement, for which we are currently using fast current transformer monitors (FCT's), and then we are taking a study for such usages. In this paper, current situation of our studies both with the test bench and with the negative H beam is presented.

Development of a tracking method for augmented reality applied to NPP maintenance work and its experimental evaluation

Bian, Z.*; 石井 裕剛*; 下田 宏*; 吉川 榮和*; 森下 喜嗣; 兼平 宜紀; 泉 正憲

IEICE Transactions on Information and Systems, E90-D(6), p.963 - 974, 2007/06

https://doi.org/10.1093/ietisy/e90-d.6.963

拡張現実感技術とは、作業対象物上にコンピュータグラフィックスによる作業情報を重ねて表示(重畳表示)させる技術で、作業員に作業の直感的理解を促すことができる。原子力発電プラントの定期検査の際にこの拡張現実感技術を用いて、作業に関連する情報を提示すれば、ヒューマンエラーの防止と作業の効率が上がると期待される。拡張現実感技術の実現に際しては、正確な位置・方向で重畳表示させるために、ユーザと情報提示対象物との位置・方向を求めるトラッキング技術が重要である。これまでマーカを用いたさまざまなトラッキング手法が提案されているが、原子力発電プラントへの適用を想定した場合、放射線の影響により、安全上作業対象物からできるだけ離れた位置の場合でもマーカの認識とトラッキング精度を確保しなければならないことである。本研究では、新たなトラッキング手法として、原子力発電所に多数存在する配管に着目し、その特徴を考慮して、配管や機器などに比較的貼りやすい縦長のラインコードマーカを開発した。本マーカを使用することで、作業対象物からの距離を遠方にしてもマーカの認識を確保できるようにした。本研究では、マーカを開発し、その評価実験を実験室で実施した。その結果、ユーザと作業対象物との距離が約10mの場合でも、約20cmの誤差範囲で認識することができ、従来のマーカよりも遠方でマーカを認識できることが確認された。

J-PARC LINAC用ビーム位置検出器の較正

佐藤 進; 富澤 哲男; 廣木 文雄; Lee, S.*; 五十嵐 前衛*; 池上 雅紀*; 上野 彰; 近藤 恭弘; 長谷川 和男; 外山 毅*; et al.

Proceedings of 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and 29th Linear Accelerator Meeting in Japan, p.467 - 469, 2004/08

J-PARC LINACではビーム位置検出器(BPM)として、ビーム輸送用チェンバー上にストリップ型ピックアップ電極(50)を設置した構造を用いる。較正は(1)(ビーム模擬用に加速周波数324MHzを印加した)ワイヤによる設置前スキャン,(2)ビームを用いた設置後スキャン(BBC)の2段階である。電極形状設計とともに、既に初歩的な結果を得ているBBCを含め、ビーム位置測定の系統的較正について報告する。

地球化学用マイクロPIXE測定システムの高度化研究; PIXEによる鉱物と流体包有物の微量元素定量法の開発(先行基礎工学研究に関する共同研究報告書)

黒澤 正紀*; 上野 健一; 吉川 英樹; 油井 三和

JNC TY8400 2003-005, 67 Pages, 2003/05

JNC-TY8400-2003-005.pdf:2.74MB

本報告書は、筑波大学が核燃料サイクル開発機構との共同研究により実施した研究成果に関するものである。本研究では、岩石中の核種移行と花崗岩起源流体に対する基礎的研究手法の確立を目的に、マイクロPIXE法による鉱物と流体包有物の微量元素定量法の開発を行った。鉱物の微量元素定量法は Campbell (1995)の手法とガラス標準物質を用いた検出感度決定法に基づいており、その方法によってガラスや鉱物中の微量元素を相対誤差10%(平均)で定量できた。流体包有物の元素定量法は、Ryan et al. (1993)とCampbell (1995)の手法を組み合わせて開発した。この方法により、理想状態では流体包有物中の微量元素を7%の相対平均誤差で定量できた。ただし、天然の流体包有物分析では、包有物の埋没深度を光学顕微鏡で決定する際の誤差が加わる。筑波大学の測定条件では、石英中の半径30m、埋没深度20mの流体包有物を分析する場合、Caを40%で、Feを16%で、Znを13%で、Srを12%、BrとRbを11%の総合誤差で定量できる。開発した定量法によって花崗岩起源の熱水石英脈の流体包有物を分析した結果、花崗岩起源の熱水流体には、数十数万ppmのCa, Mn, Fe, Cu, Zn, Br, Rb, Sr, Pb、更には微少量のBaと軽希土類元素が含まれていることが分かった。

Cold test of 600MHz superconducting cryomodule for high intensity proton linac

大内 伸夫; 赤岡 伸雄*; 浅野 博之*; 千代 悦司; 長谷川 和男; 竹田 修*; 吉川 博; 松岡 雅則*; 大谷 利宏*; 加古 永治*; et al.

Proceedings of 21st International Linear Accelerator Conference, p.488 - 490, 2003/00

原研では、KEKと共同で超伝導陽子リニアックの開発を進めている。空洞性能とパルス運転時の安定な加速電界を実証するために、600MHz超伝導クライオモジュールを製作した。クライオモジュールは=0.6の超伝導5セル空洞を2台実装しており、運転温度2Kで設計されている。クライオモジュールの低温試験は液体ヘリウム冷却により4Kと2Kで実施し、空洞への熱侵入,負荷Q値,チューニング感度,ヘリウム容器の圧力に対する周波数変化及びローレンツ力デチューニングの測定を行った。測定結果はおおむね設計計算値と良好な一致を示したが、熱侵入量に関しては設計値1.7Wに対して測定値10Wとかなり大きな値を示した。また、ローレンツ力デチューニング量については、1つの空洞は設計値と一致したが、もう一方の空洞は設計値よりも高めの結果となった。また、予備的な横測定として大電力高周波試験を実施し、CW運転で最大表面電界10MV/m、パルス運転で16MV/m(定格電界強度)まで達成した。現在、パルス運転時の安定な加速電界を実証するために、高周波制御系の最適化を行っている。

異常発生機器と異常の種類を同定するAIモデルの提案と適用性の検討

出町 和之*; Chen, S.*; Dong, F.*; 吉川 雅紀; 関 暁之; 高屋 茂

no journal, , 

種々の異常の発生について、プラント挙動の時刻歴データから、その異常の程度(種類と大きさ)を推定する。プラントシミュレータを用いてHTTRにおける11種類の異常を模擬したときのプラント出力値の時系列データを対象に、1DCNNとLSTMにさらにAttention(注意機構)も組みわせた深層学習モデルを4種類開発するとともに、異常識別性能の比較評価を行った。