根據(jù)密歇根大學(xué)主導(dǎo)發(fā)表在《核能進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)研究，一種基于物理的新算法為可按需自主調(diào)整功率輸出的核微反應(yīng)堆開辟了道路。

核微反應(yīng)堆便于運(yùn)輸，能產(chǎn)生高達(dá)20兆瓦的熱能或電能，除其他用途外，還可應(yīng)用于農(nóng)村社區(qū)、災(zāi)區(qū)、軍事基地甚至貨船等偏遠(yuǎn)地區(qū)。若將核微反應(yīng)堆并入電網(wǎng)，可提供穩(wěn)定、無碳的能源，但需具備負(fù)荷跟蹤能力，即能根據(jù)需求變化調(diào)整功率輸出。在大型反應(yīng)堆中，需工作人員手動(dòng)調(diào)整，這在偏遠(yuǎn)地區(qū)成本過高，阻礙了其推廣。

密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)副教授、該研究通訊作者布倫丹·科丘納斯(Brendan Kochunas)稱：“美國許多初創(chuàng)企業(yè)和傳統(tǒng)公司都在推動(dòng)近期廣泛部署核微反應(yīng)堆，我們的工作為以經(jīng)濟(jì)可行的方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)開辟了清晰途徑，還能幫助供應(yīng)商設(shè)計(jì)出更安全、可靠的自主控制系統(tǒng)反應(yīng)堆。”

本研究聚焦高溫氣冷堆(HTGR)，這是一種規(guī)模可從微型擴(kuò)展到大型的先進(jìn)核反應(yīng)堆。研究人員基于Holos-Quad(第二代+)模型(一種HTGR型微反應(yīng)堆設(shè)計(jì))，概述了保留功率密度、入口冷卻劑溫度、堆芯壓力和流速等關(guān)鍵參數(shù)的簡化微反應(yīng)堆模型。

研究團(tuán)隊(duì)利用模型預(yù)測控制(MPC)方法，在特定約束條件下優(yōu)化特定時(shí)間段內(nèi)的控制。他們開發(fā)了一種MPC控制器，用于優(yōu)化圍繞微反應(yīng)器中心核心的控制鼓旋轉(zhuǎn)，向內(nèi)旋轉(zhuǎn)降低功率，向外旋轉(zhuǎn)增加功率。

為確保模型基于現(xiàn)實(shí)且準(zhǔn)確代表微反應(yīng)器運(yùn)行，研究人員集成了PROTEUS——一套用于高保真反應(yīng)堆物理分析的模擬工具集。當(dāng)以每分鐘20%的速度增減功率時(shí)，控制算法誤差保持在目標(biāo)值的0.234%以內(nèi)。且所有操作無需人工智能，負(fù)載跟蹤運(yùn)行的自動(dòng)控制均基于物理和數(shù)學(xué)，易于解釋，這是通過監(jiān)管審查的必要條件。

廣泛的敏感性測試證實(shí)，MPC控制器適用于廣泛的模型輸入，驗(yàn)證了自主控制的可行性。科丘納斯表示：“控制算法的成功以及與高保真模擬工具的集成表明，我們現(xiàn)在可以從頭開始設(shè)計(jì)核反應(yīng)堆及其儀表和控制系統(tǒng)，而非試圖將I&C(儀表和控制)系統(tǒng)改裝到幾乎完整的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中。”