修·韋瑟雷德 (Matthew Weathered) 的 THETA 實驗為阿貢國家實驗室 METL 的一個直徑 71 厘米的測試容器內(nèi)的核反應(yīng)堆計算機(jī)代碼開發(fā)提供了高保真數(shù)據(jù)。

隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮娜找嬖鲩L，美國科學(xué)專家、政策制定者和私營企業(yè)成員正積極探索各種反應(yīng)堆設(shè)計，以期在提高能源安全性的同時，優(yōu)化效率和成本。目前，美國所有核反應(yīng)堆均為第一代或第二代輕水反應(yīng)堆，占全國無碳電力的一半以上。然而，面對清潔能源的迫切需求，新一代核反應(yīng)堆——“第四代”反應(yīng)堆的研發(fā)顯得尤為重要。

其中，鈉冷快堆(SFR)作為第四代反應(yīng)堆設(shè)計之一，因其內(nèi)在的被動安全性和能夠產(chǎn)生比消耗更多的核燃料材料而備受矚目。這一特性有助于減少反應(yīng)堆使用壽命期間產(chǎn)生的廢物量，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

在美國能源部(DOE)的阿貢國家實驗室，快堆技術(shù)的研究歷史悠久。該實驗室曾設(shè)計、建造并運(yùn)行了全尺寸實驗性增殖反應(yīng)堆II(EBR-II)，并測試和驗證了熔融鈉技術(shù)長達(dá)30年。至今，EBR-II的運(yùn)行和測試數(shù)據(jù)仍對全球核工業(yè)驗證反應(yīng)堆設(shè)計以及美國工業(yè)進(jìn)行許可證申請和獲得核管理委員會批準(zhǔn)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

如今，阿貢國家實驗室的主要鈉快堆實驗和組件測試均在機(jī)械工程測試環(huán)路(METL)設(shè)施中進(jìn)行。該設(shè)施位于芝加哥郊外，致力于測試和驗證新一代鈉冷快堆設(shè)計。首席核工程師馬修·韋瑟雷德等科學(xué)家與聯(lián)邦贊助商和行業(yè)合作伙伴攜手，共同追求這一目標(biāo)。

韋瑟雷德?lián)碛泻斯こ滩┦繉W(xué)位，并積累了近十年的工作經(jīng)驗。在阿貢國家實驗室，他與其他資深工程師如厄爾·費(fèi)爾德曼一同致力于熱工水力學(xué)的研究。熱工水力學(xué)是研究熱傳遞的學(xué)科，旨在將核裂變產(chǎn)生的熱量高效地轉(zhuǎn)移到發(fā)電設(shè)備上。在第四代反應(yīng)堆中，優(yōu)化系統(tǒng)組件如泵、熱交換器和反應(yīng)堆堆芯，以實現(xiàn)高效熱傳遞和最佳投資回報，是研究的重點之一。

為了驗證核反應(yīng)堆設(shè)計軟件，韋瑟雷德團(tuán)隊開發(fā)了熱工水力實驗測試品(THETA)。這是一個500升的池式鈉設(shè)施，可提供高保真數(shù)據(jù)，用于核反應(yīng)堆計算機(jī)代碼的開發(fā)和驗證。THETA擁有典型SFR中的所有主要組件，能夠模擬全尺寸SFR在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行或事故條件下發(fā)生的情況。這一功能受到商業(yè)核工業(yè)的青睞，因為它允許利益相關(guān)者實時了解應(yīng)執(zhí)行哪些測試以滿足其需求。

費(fèi)爾德曼表示，EBR-II反應(yīng)堆上的全功率無保護(hù)失流測試證明了其本質(zhì)被動安全性，這一創(chuàng)新為當(dāng)今的SFR發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。THETA提供的功能將有助于未來SFR的發(fā)展，推動核能技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。

韋瑟雷德團(tuán)隊還利用美國能源部為OKLO Inc.提供的“核能加速創(chuàng)新網(wǎng)關(guān)”計劃憑證，在THETA的測試矩陣中完成了100多項不同的測試，以驗證反應(yīng)堆設(shè)計軟件在多種模擬場景中的表現(xiàn)。此外，THETA還可以測試和驗證其他新興的SFR設(shè)計，為核能技術(shù)的多樣化發(fā)展提供支持。

面對第四代反應(yīng)堆技術(shù)的挑戰(zhàn)，韋瑟雷德表示，設(shè)計和實施針對復(fù)雜快堆問題的解決方案是他對研究感興趣的原因之一。他認(rèn)為，現(xiàn)在是一個激動人心的時刻，核能作為一種清潔能源系統(tǒng)，將在未來幾十年里發(fā)揮更加重要的作用。同時，人工智能對計算資源的需求也將推動核能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，吸引更多年輕科學(xué)家投身核工程事業(yè)。