來自核工程、物理學(xué)和工業(yè)工程的三位弗吉尼亞理工大學(xué)教授正在匯集他們的專業(yè)知識和發(fā)明，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(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟性，并獲得了美國國家科學(xué)基金會、美國能源部(DOE)、核管理委員會和弗吉尼亞理工大學(xué)關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)研究所的資助，總金額超過260萬美元。

在目前所有類型的能源中，核能從其資源中產(chǎn)生的能量是最高的。根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，核電站在90%以上的時間里都是高負荷運行，是風(fēng)能或煤炭輸出能力的兩倍多，是太陽能輸出能力的三倍多。

核電也很清潔，在運行時不產(chǎn)生空氣污染或二氧化碳。在核芯內(nèi)，原子通過核裂變釋放能量，然后由冷卻劑回收，產(chǎn)生蒸汽。蒸汽帶動大型渦輪機旋轉(zhuǎn)，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)測許多運行部件，這需要大量的儀器設(shè)備。分析和測量服務(wù)公司的總裁兼首席執(zhí)行官H.M. Hashemian稱，在一個典型的核電站機組的控制系統(tǒng)內(nèi)，有10000個傳感器和探測器以及5000公里的儀表和控制電纜，總質(zhì)量達1000噸。

根據(jù)《自然》雜志2015年的一篇文章，這些傳感器中的幾個也必須被復(fù)制，以便在它們不能承受反應(yīng)堆內(nèi)的惡劣條件時進行冗余。更換傳感器可能是昂貴的，而且往往涉及到關(guān)閉整個核電站，導(dǎo)致客戶可用的能源下降，并產(chǎn)生更換部件的費用和業(yè)務(wù)損失。

弗吉尼亞理工大學(xué)研究團隊的聯(lián)合努力可以通過在反應(yīng)堆外運行的創(chuàng)新傳感器完全規(guī)避這一問題，從而消除導(dǎo)致停運的安裝和拆除的需要。

凝聚團隊的力量

弗吉尼亞理工大學(xué)物理系教授Jonathan Link與系里的同事Patrick Huber和Camillo Mariani一起，開發(fā)了一個新穎的檢測系統(tǒng)，引起了一位核工程師的注意。該系統(tǒng)被稱為CHANDLER，是一套盒裝材料，用于檢測被稱為反中微子的粒子的存在。

CHANDLER機制使用一系列含有閃爍材料的立方體，這種材料在與能量相互作用時產(chǎn)生光。這一現(xiàn)象的發(fā)生是由于粒子相互作用內(nèi)的能量沉積。不同的粒子在不同的時間段發(fā)出光，這有助于研究人員識別它們。該機制還包含檢測光線的光電倍增管，并測量能量沉積的位置和照明之間的時間，從而轉(zhuǎn)達出每次互動的性質(zhì)。

反中微子是微小的、無害的、不帶電荷的、亞原子大小的粒子，是核電站大量發(fā)射的。它們是在核裂變過程中產(chǎn)生的，由于其體積小且不帶電，所以不受阻礙地通過反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)。

探測反中微子是很困難的，因為干擾性的帶電粒子無處不在。它們穿梭于銀河系，甚至來自我們的太陽。在傳感器中，帶電粒子產(chǎn)生的干擾是額外的 "噪音"，在解釋結(jié)果時混淆了畫面。

林克的設(shè)備可以穿過這些噪音。雖然CHANDLER最初被設(shè)想為通過尋找隱藏的核材料轉(zhuǎn)移來阻止無賴國家發(fā)展核武器，但該系統(tǒng)檢測粒子并過濾掉環(huán)境噪音的能力提供了超越這一目的的機會。這種潛力引發(fā)了林克和機械工程系核工程項目主任Alireza Haghighat之間的對話。

在過去36年中，Haghighat和他的小組一直在開發(fā)先進的粒子傳輸模擬方法和代碼。他們的努力產(chǎn)生了一個名為RAPID的計算機代碼，它能高保真地渲染中子分布的視覺效果。Haghighat和他的學(xué)生已經(jīng)在核工業(yè)內(nèi)工作了多年，參與了與Jozef Stefan研究所和Dominion能源公司的項目，利用他們的系統(tǒng)進行驗證研究。通過RAPID，他們已經(jīng)創(chuàng)建了整個核電站及其反應(yīng)堆的虛擬版本。

在與Link團隊合作后，Haghighat能夠擴展這些伙伴關(guān)系，包括CHANDLER的進一步發(fā)展。Dominion電力公司同意支持這項研究，為北安娜電站2號機組的建模提供數(shù)據(jù)，使用RAPID、核內(nèi)和核外中子測量數(shù)據(jù)，以及進行CHANDLER測量的權(quán)限。在這種環(huán)境下，Haghighat和Link能夠確定過濾噪音的新方法，以準(zhǔn)確地識別以前難以捉摸的反中子，并對它們在反應(yīng)堆內(nèi)和周圍的存在創(chuàng)建一個更完整的圖像。由此產(chǎn)生的信息精確地說明了反應(yīng)堆核心正在做什么。

Haghighat說："如果我能夠高精度地測量反中子通量，我就知道裂變的數(shù)量。如果我知道裂變的數(shù)量，我就知道反應(yīng)堆中產(chǎn)生的功率。如果我知道裂變和功率，我就知道材料。當(dāng)與RAPID解決方案相結(jié)合時，這給我們提供了一個核芯的全貌，而不需要在核芯本身里面。"

參與這個項目的還有格拉多工業(yè)和系統(tǒng)工程系的副教授Nathan Lau。劉和他的小組一直在研究如何設(shè)計核電站控制室，以支持情景意識和減少人為錯誤。劉的專業(yè)知識彌補了檢測粒子和為操作人員傳達信息之間的差距，以了解核心中發(fā)生的情況并采取必要的行動。這項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的人手中。

Haghighat說："我們確切地知道核芯中發(fā)生了什么，這一事實是巨大的，因為有許多方法用來確定核芯中還剩下多少燃料，燃料在整個反應(yīng)堆堆芯中的使用量是不同的，這就產(chǎn)生了一個更復(fù)雜的過程來計算堆芯內(nèi)的確切信息。我們有工具來克服這些困難。"

Haghighat補充說，這項工作可能消除對堆芯內(nèi)中子探測器的需求，這可以大大有利于小型和微型模塊化反應(yīng)堆的設(shè)計和運行。