桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工程師 Kyle Clavier(左)和 Dan Clayton 開發(fā)了一種標(biāo)準(zhǔn)化的篩選方法，以確定在不太可能發(fā)生的事件中由先進(jìn)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的最重要的放射性同位素。圖片來源：Craig Fritz/桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

核能是穩(wěn)定的碳中和電力的重要來源，先進(jìn)的反應(yīng)堆可以為美國(guó)電網(wǎng)增加更多核能，這對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。

幾十年來，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一直支持核管理委員會(huì)在監(jiān)管和許可核反應(yīng)堆方面發(fā)揮作用。桑迪亞地球科學(xué)工程師 Kyle Clavier 說，隨著許多先進(jìn)的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)正在開發(fā)以獲得潛在許可，這種支持一如既往地重要。

桑迪亞為 NRC 許可工作提供的最新幫助之一是標(biāo)準(zhǔn)化篩選方法，以確定在不太可能發(fā)生事故時(shí)可能離開先進(jìn)反應(yīng)堆場(chǎng)址的最重要的放射性同位素。Sandia 團(tuán)隊(duì)最近將其應(yīng)用于熱管反應(yīng)堆的 概念設(shè)計(jì)，并與 NRC 和更大的科學(xué)界分享了結(jié)果。

放射性同位素是元素的不穩(wěn)定形式，作為成為更穩(wěn)定同位素過程的一部分，它們會(huì)以各種形式的潛在有害輻射釋放能量。例如，天然存在的氡 222 是鈾衰變的產(chǎn)物，然后衰變?yōu)獒?218，釋放出α輻射。這種衰變過程如果發(fā)生在某人的肺部，則特別有害，這就是為什么 EPA 敦促房主測(cè)試他們房屋中氡氣的積聚。

“我們現(xiàn)在正在進(jìn)行核復(fù)興，出現(xiàn)了很多新的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)承諾具有更多的被動(dòng)安全功能，更加模塊化并且比傳統(tǒng)核反應(yīng)堆具有其他優(yōu)勢(shì)，”一直致力于該方法并將其應(yīng)用于示例反應(yīng)器設(shè)計(jì)。“我們正在努力為 NRC 提供它需要的工具，以確保當(dāng)這些新的先進(jìn)反應(yīng)堆獲得許可時(shí)，NRC 可以準(zhǔn)確地量化潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而確保反應(yīng)堆安全運(yùn)行。”

熱管反應(yīng)堆是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)，它使用惰性氣體或液態(tài)金屬等物質(zhì)來冷卻堆芯。這意味著該反應(yīng)堆可能需要比輕水反應(yīng)堆少得多的水，輕水反應(yīng)堆使用普通水冷卻核燃料并產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電，同樣積極參與該項(xiàng)目的桑迪亞核工程師丹·克萊頓 (Dan Clayton) 說。輕水反應(yīng)堆是最常見的核電站設(shè)計(jì)類型。

此外，熱管中的流體不需要任何移動(dòng)部件(例如閥門或泵)來調(diào)節(jié)堆芯溫度，這意味著它們不需要電力來確保反應(yīng)堆的安全。

篩選名單

該團(tuán)隊(duì)的篩選方法從核反應(yīng)堆可能產(chǎn)生的數(shù)千種放射性同位素的清單開始，并對(duì)它們進(jìn)行分類以確定在不太可能發(fā)生事故的情況下對(duì)人類和環(huán)境構(gòu)成最大風(fēng)險(xiǎn)的放射性同位素。

在熱管反應(yīng)堆的例子中，他們從橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的初步清單開始，預(yù)計(jì)這種反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生 1,200 多種放射性同位素。首先，他們?nèi)コ怂プ兎浅？斓耐凰?，Clavier 說。

例如，銠 106 是一種具有 45 個(gè)質(zhì)子和 61 個(gè)中子的銠元素，其半衰期為 29.9 秒。這意味著 30 秒后，初始量的 106 銠的一半將變成 106 鈀(一種具有 46 個(gè)質(zhì)子和 60 個(gè)中子的穩(wěn)定金屬元素)，釋放出 β 輻射。一分鐘后，只有四分之一的銠 106 會(huì)保留下來。即使事故迅速發(fā)生，也只有極少量的銠 106 會(huì)影響人或環(huán)境。

然后，該團(tuán)隊(duì)通過刪除非常稀有的同位素，特別是占清單總放射性的不到 0.0001% 的同位素，減少了清單。

“這種篩選方法背后的原因之一是確定實(shí)際上很重要的同位素，因?yàn)槲覀兊馁Y源有限，”克萊頓說。“我們希望能夠?qū)Ｗ⒂诳赡苄枰M(jìn)一步研究的新放射性同位素，以確保 NRC 能夠適當(dāng)有效地審查安全應(yīng)用。通過篩選出稀有同位素，我們可以減少評(píng)估這些同位素所需的成本和時(shí)間不影響安全的新反應(yīng)堆。”

Clavier 說，選擇前兩種篩選方法與 1970 年代和 80 年代使用的方法相似，以確定輕水反應(yīng)堆感興趣的放射性同位素。利用這兩次篩選，該團(tuán)隊(duì)制作了一份包含 110 種放射性同位素的目標(biāo)清單，以供進(jìn)一步研究。

量化健康影響

然后，該團(tuán)隊(duì)從每種放射性同位素中提取了一定數(shù)量，并使用環(huán)境保護(hù)局報(bào)告中的值確定了由此產(chǎn)生的輻射劑量。Clavier 說，劑量是該放射性同位素暴露對(duì)健康影響的數(shù)字表示。具體來說，他們能夠使用Maccs等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)代碼來計(jì)算放射性同位素在環(huán)境中的傳輸以及感興趣的同位素對(duì)骨髓和肺部造成的危害——這兩個(gè)器官可以很好地了解整體健康狀況輻射暴露的影響。

將來自一定量放射性同位素的這些劑量值與熱管反應(yīng)堆庫(kù)存中存在的該同位素的比例相結(jié)合，他們能夠計(jì)算所研究的放射性同位素的短期和長(zhǎng)期健康影響。然后他們將這些劑量值與等效劑量的碘 131 和銫 137進(jìn)行了比較。

碘 131 是一種放射性同位素，它在常規(guī)核動(dòng)力反應(yīng)堆發(fā)生事故時(shí)造成的短期風(fēng)險(xiǎn)最大。這就是為什么在美國(guó)核電站附近分發(fā)碘化鉀藥片(它可以阻止人體攝入放射性碘)以防萬一。Clavier 說，銫 137 是一種同位素，可以很好地代表傳統(tǒng)核動(dòng)力反應(yīng)堆事故的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。

他們?cè)跓峁芊磻?yīng)堆庫(kù)存中發(fā)現(xiàn)了十幾種放射性同位素，這些同位素可能造成與碘 131 相當(dāng)?shù)亩唐诮】碉L(fēng)險(xiǎn)。熱管反應(yīng)堆庫(kù)存中存在的四種放射性同位素可能造成與銫 137 同等的長(zhǎng)期健康風(fēng)險(xiǎn)。

Clavier 說，雖然這項(xiàng)研究表明這些同位素可能對(duì)熱管反應(yīng)堆的未來后果評(píng)估很重要，但還需要更多的研究來改進(jìn)熱管反應(yīng)堆的庫(kù)存并確定在可能發(fā)生的事故中可能釋放的同位素比例。

Clavier 和 Clayton 表示，未來，來自桑迪亞和 NRC 的科學(xué)家將能夠使用這種透明且可追溯的方法，從其他先進(jìn)核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的清單中確定目標(biāo)關(guān)注的放射性同位素清單。

“我們發(fā)現(xiàn)了許多放射性同位素，超出了我們已經(jīng)考慮用于輕水反應(yīng)堆的那些，它們對(duì)于后果分析很重要，”克拉維爾說。“然而，這項(xiàng)研究的目的是開發(fā)一種可以應(yīng)用于任何反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的方法，因?yàn)檫@些反應(yīng)堆的庫(kù)存信息變得可用。選擇熱管反應(yīng)堆來演示該方法。令人興奮的是能夠利用我們的專業(yè)知識(shí)協(xié)助美國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備新反應(yīng)堆的許可。”