オントロジーが世界のエネルギー需要を満たすために原子力規模を拡大するのにどのように役立つか

原子炉は、私たちが大規模に運用している最も複雑な人工システムの一つです。安全で信頼性の高い運転は、通常運転時および想定される多数の故障において正しく動作する必要がある、緊密に結合した物理現象、工学的バリア、回転機器、流体システム、制御ロジックによって支えられています。

シナリオを考えてみましょう: 給水バルブが突然閉鎖します。エンジニアは数秒以内に、どの下流システムが最初にマージンを失うか、どの技術仕様の制限が関連してくるか、そして現在のプラントのラインナップが自身の選択肢に影響を与えるかどうかを知る必要があります。これらの質問に答えるためのデータは、十数個のシステムにわたって存在します。データを意味のあるものにする関係性は、経験豊富なスタッフの頭の中にあります。

利用可能なデータと実用的な知識との間のギャップは、今日の原子力発電所の運転における中心的な課題の1つです。オントロジーは、プラントの関係性を明示的、クエリ可能、かつ正当性を証明可能なものにすることで、そのギャップを埋めます。

米国は、数十年ぶりとなる「原子力のルネッサンス」に突入しています。2024年以降、相次ぐ法整備や大統領令が追い風となり、国家安全保障施設からAI開発競争による膨大なエネルギー需要に至るまで、あらゆるものに原子力エネルギーが電力を供給することになります。ADVANCE法は、米国原子力規制委員会（NRC）の許認可プロセスを近代化し、手数料を引き下げ、旧石炭火力発電所などのブラウンフィールドサイトを新規建設地として評価するよう委員会に指示しました。大統領令（EO）14300はさらに踏み込み、NRCの使命をリスクの最小化から、経済および国家安全保障に対する原子力エネルギーの便益を衡量するものへと根本的に転換させ、現在平均42か月の許認可プロセスを、新型原子炉については拘束力のある18か月の期限に短縮しました。EO 14302は国防生産法（DPA）を発動して国内の原子力産業基盤を再活性化させるもので、燃料サプライチェーンや閉鎖された発電所の再稼働に重点を置いています。EO 14299は、先進的な原子力の導入をAIデータセンターの需要と明確に結びつけ、これらをオンサイトの原子炉によって電力が供給される重要な防衛施設として指定しました。一方、米国エネルギー省（DOE）は米国の原子力企業に数十億ドルを資金提供し、既存の発電所の進捗を加速させ、小型モジュール炉（SMR）を建設する新規参入企業を後押ししています。

その拡大は、逆の傾向にある労働力に影響を及ぼしています。許認可申請を作成し、それを擁護できる人材は年間約10%減少しており、同様のプレッシャーは許認可の範囲をはるかに超えて広がっています。新しい設計、出力増強、寿命延長作業、デジタルアップグレードはすべて、どの機器が評価対象か、現在の構成ではどの制約が適用されるか、そしてどの管理されたソースがその結論を裏付けているか、という同じ一連の論理に基づいています。その連鎖は、設計から試運転、日々の運転に至るまで、プラントのライフサイクルのあらゆる段階をランしています。今日でも、それは主にそれを担う人々に依存しています。

暗黙知のコスト

経験豊富なオペレーターやエンジニアは、自分たちのプラントに関する優れたメンタルモデルを持っています。ベテランの原子炉オペレーターは、循環水ポンプの振動上昇を検知すると、即座にその信号を、現在のラインナップにおけるポンプの役割、その機器クラスで知られている故障パターン、最近の作業履歴、そして状態が進行した場合に予想される結果と結びつけます。彼らは、どの裏付けとなる兆候が重要で、どれが誤解を招き、次にどのような質問をすべきかを知っています。

そのメンタルモデルは、数十年にわたって蓄積されたコンテキストを表しています。それは脆弱性でもあります。

国際原子力機関 (IAEA) の予測では、世界の原子力発電設備容量は2050年までに992 GWeに達し、これは現在のレベルの約2.6倍に相当する可能性があります。新規建設は、新しい設計、計装の増加、そしてオペレーターやエンジニアが理解すべき構成状態の増加を意味します。一方で、DOEの労働力データは、経験豊富なスタッフが高齢層に集中していることを示しています。プラントに関する最も深い知識を持つ人々が退職し、彼らのメンタルモデルも一緒に失われようとしています。

若手のスタッフは技術的な素養はありますが、サイト固有の故障の兆候や過去の構成に触れる機会が不足していることがよくあります。プラントの運転を最適化するためには、新旧の職員の両方が、正確で更新された実証データに直接アクセスする必要があります。このアクセスにより、従業員は情報に基づいた意思決定を行うことができます。このデータの可用性を確立することは、高度に計装化された設計を管理できるよう従業員を育成することによって、DOEのエネルギー目標をサポートします。

今日の原子力発電所における知識管理の方法は、これまで機能してきました。そのおかげで、米国の全プラントは何十年にもわたって安全に運転されてきました。プラントの状況を熟知しているエンジニアは、解決すべき問題ではなく、維持し、さらに活用すべき資産です。しかし、使命が100GWの維持から400GWへの拡大へと移行する際には、維持するだけでは不十分です。現在のアプローチでは、今日のプラント全体が要求するスピードに対応できません。それは間違っているからではなく、異なるペースに合わせて設計されたものだからです。

そのギャップを埋めるオントロジー

原子力業界はこの問題を認識しており、いくつかの組織がすでに取り組んでいます。アイダホ国立研究所は、エンジニアリングツールを接続し、ライフサイクル全体でコンテキストを維持するように設計されたオープンソースの統合フレームワークであるDeepLynxを構築しました。彼らのDIAMONDイニシアチブは、原子力設計および運転データに特化したデータ構造を開発しました。ISO 15926およびIEC 81346は、ライフサイクルデータと機器識別のための共通フレームワークを確立しました。NRCのデジタルシステムに関するガイダンスは、透明性、トレーサビリティ、パフォーマンスベースのエビデンスを推進し続けています。

これらの取り組みには、共通のアプローチがあります。このアプローチは、まずプラントが扱う対象（システム、コンポーネント、センサー、文書、制約、許認可コミットメントなど）を定義し、次にそれらがどのように関連しているかを定義することから起動します。ポンプはシステムに属します。センサーはコンポーネントの変数を測定します。バルブは隔離境界の一部を定義します。コンポーネントは、その設置場所から認定要件を継承します。許認可コミットメントは、それを裏付ける構成上の前提条件まで追跡できます。その構造がオントロジーです。

前述のシナリオに戻ると、1つの電動バルブを交換する場合、エンジニアは6つ以上のシステムからデータを引き出し、3つから4つの命名規則を調整し、約12件の文書改訂を検証する必要があり、これには最大で4時間から8時間かかる場合があります。同じコンポーネントに関する次の質問や問題が再浮上すると、この作業は一時的なものになってしまいます。原子力システムは、関係性と依存性に基づいてランしています。オントロジーは、これらの関係を明示的で、検索可能で、正当性を証明できるものにします。原子力発電所における関係は、表形式ではありません。1つのコンポーネントへの変更は、それがサポートする境界、属しているトレーニングする、継承する制約に影響を与えます。グラフ構造はそうした種類の推論に自然に対応しますが、だからといって別のグラフデータベースが必要だというわけではありません。オントロジーは、これらの関係を、2つのエンティティを特定の関係で結びつける原子単位であるトリプルとしてエンコードします。また、RDF (Resource Description Framework) や SHACL (Shape Constraint Language) のような構造標準に、ビジネスルールを直接エンコードします。安全上の制約、構成ルール、認定要件といった具体的な基準が、何が有効なデータを構成するかを定義します。これらのルールはデータモデル自体の一部となるため、違反があった場合、レビュー担当者による発見に頼るのではなく、構造的に表面化することになります。

オントロジーとそのキュレートされたトリプルは、永続的な資産です。それらは、特定のアプリケーションやユーザーインターフェースを超えて存続します。RDF や OWL (Web Ontology Language) のようなオープン スタンダードは、データのポータビリティを確保するため、データは既存の業界オントロジーと連携し、サプライヤー データやライセンス申請用のクリーンな交換フォーマットを作成します。何も確定しません。しかし、データは依然として、大規模に管理、バージョン管理、クエリーを実行できる場所を必要とします。

原子力用途において、オントロジーを構築する価値があるものにするには、3つのことをうまく行う必要があります。

1. 時系列での正規アイデンティティ。同じポンプが、作業管理では「P-123」、ヒストリアンでは「P123_DIS_PRES」、図面では「P-123A」として表示されることがあります。オントロジーはこれらを単一のエンティティに解決し、交換、改造、停止を通じてそのエンティティがどのように変化するかを追跡します。同じ構造から、「現在何が設置されているか」と「その決定を下したときに何が設置されていたか」という問いに答えることができます。
2. 明示的な関係。単に「このコンポーネントが存在する」ということだけではなく、「このコンポーネントは系統Aに属し、格納容器隔離境界の一部を定義し、これらのセンサーで測定され、その場所から環境認定（EQ）の制約を継承する」ということです。経験豊富なエンジニアが頭の中で把握している関係性が、可視化され、たどることが可能になります。
3. アセットの制約に関するソースの明示。特定の漏れ限界があるバルブがある場合、その制約がどこから来て、なぜ存在するのかを理解することが非常に重要です。オントロジーは、その制約の根拠となる特定の技術仕様まで、これを明示的に遡って追跡します。

原子力規制の範囲内での作業

原子力は、世界で最も厳しく規制されている産業の1つであり、それには正当な理由があります。輸出管理規則 (EAR) や 連邦規則集第10編第810部 (10 CFR Part 810) などの輸出管理規則、ならびに GDPR や EU AI 法といったデータ保護や新たな AI ガバナンス要件など、さまざまな規制の枠組みが適用される可能性があります。これらの義務は、分析がどこで行われるか、証拠がどのように保存されるか、どのような情報が国境を越えて、あるいは定められた境界の外で共有できるか、そして誰がそれにアクセスできるかに影響を与える可能性があります。まとめると、これらの規制は、原子力分野のデジタルインフラがどのように設計、導入、管理されるかを直接的に決定づけるものです。

オントロジーは、構造と機密コンテンツを分離する方法を提供します。プラントの関係、制約、構成ロジックは、その下にある運用データとは別のレイヤーとして定義および維持できます。エンジニアは、基盤となる運用データを管理された環境から出すことなく、プラントの完全なリレーショナルコンテキストを扱い、コンポーネントの接続方法、適用される制約、その制約の出所についてクエリを実行できます。オントロジーの構造上に構築されたシナリオライブラリは、保護された情報を公開することなく実際のプラント物理学に基づいており、管理された資産としてバージョン管理、レビュー、共有が可能です。

新規建設の場合、これは特に重要です。設計検証、ベンダーとの協業、許認可分析はすべて、輸出管理の厳格な監視下で複数の組織が技術情報を交換することを伴います。オントロジーを使えば、機密性の高い運用データや独自の設計詳細を配布することなく、エンジニアリングの意思決定を支える構造と関係性を共有できます。ベンダー、建設業者、運転員は、各組織が自らの保護情報を管理しながら、共通のフレームワークに基づいて作業できます。これにより、複数の関係者が関与する原子力プログラムの進行を遅らせがちな摩擦が軽減され、初号機設計をスケジュール通りに進めるのに役立ちます。

稼働中の施設でも、同じ原則が適用されます。機密データを適切な境界の外に移動させることなく、推論フレームワークの開発と検証、プラントのコンテキストに関する新人スタッフをトレーニングする、コンプライアンスパッケージの準備を行うことができます。

オントロジーの役割を理解する実践的な方法は、単一のワークフローを実際にたどってみることです。

ユースケース: 設計検証と構成管理

設計検証と構成管理では、「プラントの現在の構成を前提として、この変更は許容できるか、そして管理されたソースからそれを証明できるか」という同じ問いが何度も繰り返されます。安全関連のコンポーネントに触れたり、設計入力を更新したり、部品を交換したり、計算を修正したりするたびに、システム全体にわたる文脈を再確立する必要があります。このプラントにおけるこのコンポーネントは、正確には何なのか？どこに設置されているのか？それはどのような安全機能や境界を担っているのか？その場所からどのような要件を継承しているのか？どの文書が作業ウィンドウを管理しているのか？これらの問いに答えるためのデータは存在します。しかし、データ間の関連性は通常、存在しません。

運転停止は、これに対するストレステストとなります。機器はスケジュールのプレッシャーの中で交換されます。現場作業、調達、エンジニアリングレビューは並行して行われます。深刻な問題を引き起こすミスが、劇的であることはほとんどありません。それらは、後になって表面化する目立たない不一致です。設置場所と一致しない認定基準、最新ではなかった図面の改訂、不正確な系統の割り当て、変更された境界の前提、間違ったソースから取得された運転エンベロープの制限などです。

一般的な例としては、安全関連系統の電動弁を交換することが挙げられます。エンジニアが交換品を評価する前に、まずコンテキストを再構築する必要があります。つまり、それが属するシステムと系統、サポートする境界または認定機能、その場所に適用される EQ および耐震要件、コンポーネントを管理する動作限界、およびそれらの限界を確立する管理文書などです。

現在、そのすべてのステップが手作業で行われています。エンジニアはタグ番号の作業指示書を開きます。別途、境界条件を把握するために図面セットにアクセスします。別のシステムから認定ファイルと耐震ファイルを呼び出します。運転限界に関する管理計算書を突き止め、改訂状況を確認します。検索のたびに、個別のシステム、個別の検索、そして情報が最新であるかどうかの個別の判断が必要になります。その後、エンジニアはそれらすべての情報を頭の中で統合し、交換が許容可能かどうかを判断します。後で他の誰か（検査官、レビュー担当者、または別のシフトの担当者など）が同じ質問をした場合、プロセスは最初から起動します。

プラントオントロジーは、エビデンスチェーンを構造の一部にすることで、これを変えます。コンポーネントには正規の ID があります。その ID は、設置場所と構成状態にLinkし、そこから、トレーニングするの割り当て、境界の役割、EQ および耐震性の制約、動作エンベロープの制限、そしてそれらを定義するソースといった、後続の要件にLinkします。エンジニアはコンポーネントから起動し、関係性はすでにそこにあります。設計検証、調達、製造、テスト、出荷といった完全なライフサイクル記録に、その単一の ID からアクセスできます。NDE レポート、工場受け入れテスト、トレーサブルな参照などの品質サポート文書は、別々のシステムに格納されて見つけ出されるのを待つのではなく、コンポーネントに直接リンクしています。

制約とそのソースが構造にエンコードされているため、不正確なEQ基準、古いリビジョン、不一致な系統割り当てなど、何かが整合しない場合にフラグを立てるツールを構築できます。最終的な判断を下すのは、依然としてエンジニアです。インフラは、エンジニアがより迅速に判断を下すのを助け、時間的制約の中で組み立てられた部分的な情報ではなく、全体像を提供します。

大規模なオントロジーの運用

オントロジーの有用性は、それを実行するプラットフォームによって決まります。関係、アイデンティティ、制約は、大規模にガバナンス、バージョン管理、クエリ可能でなければなりません。プラットフォームは、停止、改造、一時的な変更、ドキュメントの更新を通じてプラントの実際の状態と整合性を保つ必要があり、検査に耐えうる監査可能性も備えなければなりません。それができない場合、オントロジーは実態から乖離し、人々はそれを信頼しなくなります。

オントロジーは、プラントの関係、制約、構成ロジックをオープンスタンダードでエンコードします。それを管理するプラットフォームは、そのオープン性に適合する必要があります。ガバナンスレイヤーがプロプライエタリである場合、オントロジーが理論上どれだけポータブルであっても意味がありません。オペレーターによる監査、NRCによるレビュー、そしてOEMによる数十年にわたる追跡が可能なコンポーネントのライフサイクル記録が求められる業界では、組織やツール間でデータをクリーンに共有する能力は、基本的な要件です。

Databricks は、オープンなフォーマットとオープンなインターフェースに基づいて構築されています。オントロジーのトリプル、コンポーネントレジストリ、関係テーブル、制約レコードはすべて Delta Lake 上にあり、他のツールからアクセスできます。パートナーや規制当局とサブセットを共有する必要がある場合、フォーマットは標準化されています。何もロックインされません。

その基盤の上で、原子力関連の作業において4つの機能が繰り返し登場します。

1. ガバナンスを統合QAやNRCが特定の資産の管理方法について尋ねた場合、その回答は、コンポーネントID、文書管理、関係性、ライセンス基準の参照にわたって一貫している必要があります。それらがそれぞれ別々の権限モデルの下に存在する場合、この一貫性は崩壊します。Unity Catalogは、オントロジー全体にわたって単一のガバナンスレイヤーを提供します。権限、変更追跡、監査がすべての資産にわたって均一に適用されるため、4つの部分的な回答ではなく、1つの正当な回答が得られます。
2. 時間インデックス付き構成。エンジニアリングと許認可の決定は、特定の時点におけるプラントの状態に依存します。連邦規則第10編第50.59条に基づき、発電所は、提案された変更が既存の許認可基準に与える影響を評価することで、NRCの事前承認が必要かどうかを判断します。その評価の質は、その背後にある構成データによって決まります。そして、これは運転可能性の判断、設定値の根拠に関する問い、改造後の検証、定期的な停止レビューについても同様です。それらすべてにおいて、決定が下された時点で何が設置されており、どのリビジョンが適用されていたかを知る必要があります。Delta Lakeのタイムトラベル機能は、個別の手動スナップショットを必要とせず、同じ基盤データから設計通り、建設通り、設置通り、保守通りのビューをサポートします。すべてのテーブルバージョンが保持されクエリー可能であるため、過去の任意の決定時点におけるプラントの状態の再構築は、考古学的なプロジェクトではなく、クエリーの実行で済みます。
3. 再現可能なエビデンスチェーン。10 CFR 50 Appendix Bは、安全関連のシステム、構造、コンポーネントに対する品質保証要件を定めています。管理されたソースから根拠を再現できなければ、正しい結論に達しただけでは不十分です。Unity Catalogの自動リネージ追跡は、特定のワークフローでどのドキュメントリビジョン、制約レコード、関係バージョンが使用されたかをキャプチャします。Delta Lakeの監査ログは、基盤となるデータへのあらゆるミューテーションを記録します。これらを組み合わせることで、レビュー担当者や検査官が意思決定の根拠を確認する必要がある場合、事後に関係者が情報をかき集める必要なく、プラットフォームがTimestamp付きの完全な回答を提供します。
4. ガバナンスの効いたデータでのアナリティクス。ガバナンス、バージョニング、リネージにより、データが信頼できる状態にあることが保証されます。次の問いは、データがそこにあれば、それを使って何ができるかということです。Databricks Lakeflow Jobsは、オントロジーのガバナンスの効いたアセット上で直接動作する分析パイプラインのためのオーケストレーションレイヤーを提供します。MLflowは、Unity Catalogがデータ自体に適用するのと同じ厳格さで、モデルのバージョン、トレーニングデータ、パラメーター、および出力を追跡します。状態モニタリングモデルは、ガバナンスの効いた構造から保守履歴、センサーの傾向、設計上の制限を取得することで、バルブクラス全体の劣化パターンを追跡できます。制約とそのソースはすでにエンコードされているため、提案された変更は許認可基準に照らして自動的にスクリーニングできます。モデルとその出力は、プラットフォームが他のすべてに対して提供するのと同じリネージを通じて、管理されたソースまで遡ることができます。そのトレーサビリティこそが、意思決定に情報を提供するアナリティクスと、規制された環境で実際に信頼されうるアナリティクスとを分けるものです。

これは、DOEの投資の方向性と直接結びついています。DOEのGenesis Missionは、高度なシミュレーション、デジタルツイン、AI支援設計、運用アナリティクスなどをカバーする、エネルギーセクター向けの次世代デジタルツールを構築しています。今日、構成管理とコンプライアンスのために構築するオントロジーと管理データは、将来のプログラムがその上に構築していくものと同じ資産です。今日のサイクルタイムと手戻りを削減するインフラストラクチャが、次に続くもののための基盤となります。オープン プラットフォームであるということは、要件が進化しても書き直しを必要とせず、投資が将来に引き継がれることを意味します。

ビジネス上および戦略上の意味合い

オントロジーの価値は積み重なっていきます。構造が持続するため、ある1つの決定のためにコンポーネントのコンテキストを解決する作業が、次の決定にも活かされます。

既存のフリートでは、プラントは事業を拡大し、より複雑な改造に着手しており、しかも、より厳しい規制のタイムラインの下で、経験豊富なスタッフのより少ないプールでそれを行っています。これまで適合性パッケージをまとめるために、別々のシステムからデータを取得するのに何日もかかっていましたが、今では既存のリレーションシップに対する構造化クエリーに集約できます。かつては記憶を頼りに基礎を再構築する必要があった、検査対応のエビデンス バンドルを、すでに整備されている構造から組み立てることができます。オントロジーが成熟するにつれて、データソース間でカノニカルIDが解決されたアセットの割合は着実に上昇します。

新規建設の場合、そのメリットは設計段階から始まり、許認可取得まで続きます。オントロジーが早期に導入されれば、設計意図、評価対象機能、許認可要件の間の関係性が、最初のコンポーネントが出荷される前に構造化されます。制約とそのソースが構造にエンコードされているため、設計レビュー中に制約の不一致が検出されます。それがなければ、それらは通常、現地での設置時に発見され、その時点では修正コストが桁違いに高くなります。許認可のエビデンスは、事後に再構築されるのではなく、設計が成熟するにつれて蓄積されていきます。その結果、手戻りサイクルが減り、ベンダーと建設会社間の連携が迅速化し、安全性を実証するためのコストが削減されます。安全基準は変わりません。それを満たしたことを示すために必要な作業は変わります。

オントロジーが構成管理のために機能し始めると、その役割はそこにとどまりません。バルブ交換をサポートするのと同じ関係性が、そのバルブクラスの劣化を追跡する状態モニタリングプログラムもサポートします。コンプライアンスパッケージに情報を提供するのと同じ制約のリネージが、次の出力増強のためのライセンス分析にも情報を提供します。オントロジーは標準に準拠したアイデンティティと制約のリネージに基づいて構築されているため、OEM、エンジニアリング会社、規制当局に対し、統合すべき別のシステムではなく、共通の参照点を提供します。

それは、新しいエンジニアが習熟する方法を変えます。質問するのに適切な人を見つけてコンテキストを構築する代わりに、コンポーネントをクエリーし、その系統の割り当て、境界としての役割、制約のソース、保守履歴を1か所で確認できます。組織知は、退職と共に失われてしまうものではなく、インフラとなります。経験豊富なスタッフは、同じようなコンテキストに関する質問に答える時間を減らし、実際に専門知識を必要とする判断により多くの時間を費やすことができます。

プラント全体の容量を4倍にし、同時に近代化を進めるのであれば、これこそが早期に計画し、継続して推進していく必要のあるインフラです。

原子力デジタルトランスフォーメーションの基盤構築

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(このブログ記事はAI翻訳ツールを使用して翻訳されています) 原文記事