研究人员合作用虚拟现实技术将辐射可视化

2023-01-05 16:26    核辐射监测  核反应堆  核安全

来自核工程、物理学和工业工程的三位弗吉尼亚理工大学教授正在汇集他们的专业知识和发明,创造一种高度创新的技术,用于对核电站核心进行高保真、实时监测。


来自核工程、物理学和工业工程的三位弗吉尼亚理工大学教授正在汇集他们的专业知识和发明,创造一种高度创新的技术,用于对核电站核心进行高保真、实时监测。

该项目将提高核反应堆的安全性和经济性,并获得了美国国家科学基金会、美国能源部(DOE)、核管理委员会和弗吉尼亚理工大学关键技术和应用科学研究所的资助,总金额超过260万美元。

在目前所有类型的能源中,核能从其资源中产生的能量是最高的。根据美国能源部的数据,核电站在90%以上的时间里都是高负荷运行,是风能或煤炭输出能力的两倍多,是太阳能输出能力的三倍多。

核电也很清洁,在运行时不产生空气污染或二氧化碳。在核芯内,原子通过核裂变释放能量,然后由冷却剂回收,产生蒸汽。蒸汽带动大型涡轮机旋转,为家庭和企业发电。

为了维持核电站的效率和安全,技术人员必须监测许多运行部件,这需要大量的仪器设备。分析和测量服务公司的总裁兼首席执行官H.M. Hashemian称,在一个典型的核电站机组的控制系统内,有10000个传感器和探测器以及5000公里的仪表和控制电缆,总质量达1000吨。

根据《自然》杂志2015年的一篇文章,这些传感器中的几个也必须被复制,以便在它们不能承受反应堆内的恶劣条件时进行冗余。更换传感器可能是昂贵的,而且往往涉及到关闭整个核电站,导致客户可用的能源下降,并产生更换部件的费用和业务损失。

弗吉尼亚理工大学研究团队的联合努力可以通过在反应堆外运行的创新传感器完全规避这一问题,从而消除导致停运的安装和拆除的需要。

凝聚团队的力量

弗吉尼亚理工大学物理系教授Jonathan Link与系里的同事Patrick Huber和Camillo Mariani一起,开发了一个新颖的检测系统,引起了一位核工程师的注意。该系统被称为CHANDLER,是一套盒装材料,用于检测被称为反中微子的粒子的存在。

CHANDLER机制使用一系列含有闪烁材料的立方体,这种材料在与能量相互作用时产生光。这一现象的发生是由于粒子相互作用内的能量沉积。不同的粒子在不同的时间段发出光,这有助于研究人员识别它们。该机制还包含检测光线的光电倍增管,并测量能量沉积的位置和照明之间的时间,从而转达出每次互动的性质。

反中微子是微小的、无害的、不带电荷的、亚原子大小的粒子,是核电站大量发射的。它们是在核裂变过程中产生的,由于其体积小且不带电,所以不受阻碍地通过反应堆的结构。

探测反中微子是很困难的,因为干扰性的带电粒子无处不在。它们穿梭于银河系,甚至来自我们的太阳。在传感器中,带电粒子产生的干扰是额外的 "噪音",在解释结果时混淆了画面。

林克的设备可以穿过这些噪音。虽然CHANDLER最初被设想为通过寻找隐藏的核材料转移来阻止无赖国家发展核武器,但该系统检测粒子并过滤掉环境噪音的能力提供了超越这一目的的机会。这种潜力引发了林克和机械工程系核工程项目主任Alireza Haghighat之间的对话。

在过去36年中,Haghighat和他的小组一直在开发先进的粒子传输模拟方法和代码。他们的努力产生了一个名为RAPID的计算机代码,它能高保真地渲染中子分布的视觉效果。Haghighat和他的学生已经在核工业内工作了多年,参与了与Jozef Stefan研究所和Dominion能源公司的项目,利用他们的系统进行验证研究。通过RAPID,他们已经创建了整个核电站及其反应堆的虚拟版本。

在与Link团队合作后,Haghighat能够扩展这些伙伴关系,包括CHANDLER的进一步发展。Dominion电力公司同意支持这项研究,为北安娜电站2号机组的建模提供数据,使用RAPID、核内和核外中子测量数据,以及进行CHANDLER测量的权限。在这种环境下,Haghighat和Link能够确定过滤噪音的新方法,以准确地识别以前难以捉摸的反中子,并对它们在反应堆内和周围的存在创建一个更完整的图像。由此产生的信息精确地说明了反应堆核心正在做什么。

Haghighat说:"如果我能够高精度地测量反中子通量,我就知道裂变的数量。如果我知道裂变的数量,我就知道反应堆中产生的功率。如果我知道裂变和功率,我就知道材料。当与RAPID解决方案相结合时,这给我们提供了一个核芯的全貌,而不需要在核芯本身里面。"

参与这个项目的还有格拉多工业和系统工程系的副教授Nathan Lau。刘和他的小组一直在研究如何设计核电站控制室,以支持情景意识和减少人为错误。刘的专业知识弥补了检测粒子和为操作人员传达信息之间的差距,以了解核心中发生的情况并采取必要的行动。这项合作使团队能够确定如何识别反中微子,如何将数据转化为直观的显示,以及如何将这些工具交到需要的人手中。

Haghighat说:"我们确切地知道核芯中发生了什么,这一事实是巨大的,因为有许多方法用来确定核芯中还剩下多少燃料,燃料在整个反应堆堆芯中的使用量是不同的,这就产生了一个更复杂的过程来计算堆芯内的确切信息。我们有工具来克服这些困难。"

Haghighat补充说,这项工作可能消除对堆芯内中子探测器的需求,这可以大大有利于小型和微型模块化反应堆的设计和运行。

 

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