圖片：學生使用 RAPID 系統(tǒng)檢查虛擬核反應堆。

圖片來源：ALEX PARRISH 為弗吉尼亞理工大學拍攝的照片。

來自核工程、物理學和工業(yè)工程的三位弗吉尼亞理工大學教授正在匯集他們的專業(yè)知識和發(fā)明，以創(chuàng)造一種高度創(chuàng)新的技術(shù)，用于對核電站核心進行高保真實時監(jiān)測。

該項目將提高核反應堆的安全性和經(jīng)濟性，并獲得了國家科學基金會、美國能源部 (DOE)、核管理委員會和弗吉尼亞理工 大學關(guān)鍵技術(shù)與應用科學研究所的資助，總計超過 260 萬美元。

核電圖片

在目前所有類型的能源中，核能從其資源中產(chǎn)生的能量最多。據(jù) 美國能源部稱，核電站 90% 以上的時間都在高容量運行，是風能或煤炭輸出容量的兩倍多，是太陽能容量的三倍。

核電也是清潔的， 運行時不產(chǎn)生空氣污染或二氧化碳。在核芯內(nèi)，原子通過核裂變分裂以釋放能量，然后通過冷卻劑回收以產(chǎn)生蒸汽。蒸汽驅(qū)動大型渦輪機，為家庭和企業(yè)發(fā)電。

為了維持核電站的效率和安全，技術(shù)人員必須 監(jiān)控許多運行部件，這需要大量的儀器。Analysis and Measurement Services Corporation 總裁兼首席執(zhí)行官 HM Hashemian 報告了 10,000 個傳感器和檢測器以及 5,000 公里的儀表和控制電纜，代表典型核電站單元控制系統(tǒng)中的總質(zhì)量為 1,000 噸。

根據(jù) 2015 年發(fā)表在《自然》雜志上的一篇文章，這些傳感器中的幾個也必須復制以備不時之需，以防它們無法承受反應堆內(nèi)的惡劣條件。更換傳感器的成本可能很高，而且通常需要關(guān)閉整個核電站，導致客戶可用的能源下降，并產(chǎn)生更換零件的成本和業(yè)務損失。

弗吉尼亞理工大學研究團隊的共同努力可以通過在反應堆外運行的創(chuàng)新傳感器完全規(guī)避這個問題，從而消除導致停機的安裝和拆卸需要。

凝聚團隊

弗吉尼亞理工大學物理系教授Jonathan Link與系內(nèi)同事 Patrick Huber 和 Camillo Mariani 開發(fā)了一種新穎的檢測系統(tǒng)，引起了一位核工程師的注意。該系統(tǒng)稱為 CHANDLER，是一套盒裝材料，可檢測稱為反中微子的粒子的存在。

CHANDLER 機制使用一系列包含閃爍材料的立方體，這些材料在與能量相互作用時會產(chǎn)生光。這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于粒子相互作用中的能量沉積。不同的粒子在不同的時間發(fā)光，這有助于研究人員識別它們。該機制還包含光電倍增管，可檢測光并測量能量沉積的位置和照明之間的時間，從而傳遞每次相互作用的性質(zhì)。

反中微子是微小的無害粒子，不帶電荷，大小為亞原子，核電站大量排放。它們是在核裂變過程中產(chǎn)生的，由于體積小且不帶電荷，它們可以不受阻礙地穿過反應堆的結(jié)構(gòu)。

檢測反中微子很困難，因為干擾帶電粒子無處不在。他們穿越銀河系，甚至來自我們的太陽。在傳感器中，帶電粒子會產(chǎn)生干擾，作為額外的“噪音”，在解釋結(jié)果時混淆畫面。

林克的設備切斷了噪音。雖然 CHANDLER 最初被設想為一種通過發(fā)現(xiàn)隱藏的核材料轉(zhuǎn)移來 阻止流氓國家發(fā)展核武器的方法 ，但該系統(tǒng)檢測粒子和過濾環(huán)境噪音的能力提供了超出該目的的機會。這種潛力引發(fā)了 Link 和 機械工程系核工程項目主任 Alireza Haghighat 之間 的對話。

在過去的 36 年里，Haghighat 和他的團隊一直在開發(fā)先進的粒子傳輸模擬方法和代碼。他們的努力產(chǎn)生了一種稱為 RAPID 的計算機代碼，它以高保真度呈現(xiàn)中子分布的視覺表示。Haghighat 和他的學生多年來一直在核工業(yè)領(lǐng)域工作，參與了與 Jozef Stefan Institute 和 Dominion Energy的項目， 使用他們的系統(tǒng)進行驗證研究。通過 RAPID，他們創(chuàng)建了核電站及其反應堆的完整虛擬版本。

在與 Link 的團隊共同努力后，Haghighat 能夠擴展這些合作伙伴關(guān)系，以包括 CHANDLER 的進一步開發(fā)。 Dominion Power 同意通過使用 RAPID、堆內(nèi)和堆外中子測量數(shù)據(jù)為北安娜電站 2 號機組建模提供數(shù)據(jù)以及執(zhí)行 CHANDLER 測量的訪問權(quán)限來支持該研究 。在那種環(huán)境下，Haghighat 和 Link 能夠確定過濾噪聲的新方法，以準確識別以前難以捉摸的反中微子，并更完整地了解它們在反應堆內(nèi)和周圍的存在情況。由此產(chǎn)生的信息精確地說明了反應堆堆芯正在做什么。

“如果我能高精度地測量反中微子通量，我就知道裂變的數(shù)量，”Haghighat 說。“如果我知道裂變的數(shù)量，我就知道反應堆產(chǎn)生的能量。如果我知道裂變和能量，我就知道材料。當與 RAPID 解決方案相結(jié)合時，這讓我們無需進入核心本身就可以了解核心的全貌。”

參與該項目的還有 Grado 工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授Nathan Lau 。劉和他的團隊一直在研究如何設計核電站控制室以支持態(tài)勢感知并減少人為錯誤。Lau 的專業(yè)知識彌合了檢測粒子和傳達信息之間的差距，以便操作員了解核心中發(fā)生的事情并采取必要的行動。合作使團隊能夠確定如何識別反中微子，如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的顯示，以及如何將這些工具交到需要它們的人手中。

“我們確切地知道核心正在發(fā)生什么這一事實是巨大的，因為有許多方法用于確定核核心中剩余多少燃料，”Haghighat 說。“燃料在整個反應堆堆芯中的使用量各不相同，這就產(chǎn)生了一個更復雜的過程來計算堆芯內(nèi)的確切信息。我們擁有克服這些困難的工具。”

Haghighat 補充說，這項工作可能會消除對堆芯中子探測器的需求，這將大大有利于小型和微型模塊化反應堆的設計和運行。