修·韋瑟雷德 (Matthew Weathered) 的 THETA 實(shí)驗(yàn)為阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 METL 的一個(gè)直徑 71 厘米的測(cè)試容器內(nèi)的核反應(yīng)堆計(jì)算機(jī)代碼開(kāi)發(fā)提供了高保真數(shù)據(jù)。

目前，美國(guó)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(guó)無(wú)碳電力的一半以上。這意味著它們使用水作為冷卻劑和中子減速劑來(lái)控制核反應(yīng)并產(chǎn)生有用的電力。然而，對(duì)更多清潔能源的需求日益增長(zhǎng)，促使科學(xué)專家、政策制定者和私營(yíng)企業(yè)成員興奮地追求各種反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。

新一代核反應(yīng)堆“Gen-IV”旨在提高安全性，同時(shí)優(yōu)化效率和成本。處于發(fā)展前沿的第四代反應(yīng)堆設(shè)計(jì)之一是鈉冷快堆 (SFR)。使用金屬合金燃料的 SFR 引起了人們的極大興趣，因?yàn)樗鼈兙哂?內(nèi)在的被動(dòng)安全性 ，并且可以產(chǎn)生比消耗更多的核燃料材料。這可以減少反應(yīng)堆使用壽命期間產(chǎn)生的廢物量。

“在第四代反應(yīng)堆中，我們著眼于優(yōu)化系統(tǒng)——如泵、熱交換器和反應(yīng)堆堆芯——以便高效地傳遞熱量，獲得最佳投資回報(bào)。”——首席核工程師馬修·韋瑟雷德

在美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(該實(shí)驗(yàn)室因和平擴(kuò)展恩里科·費(fèi)米成功的 芝加哥 1 號(hào)堆 裂變實(shí)驗(yàn)而聞名)中，快堆技術(shù)并不是什么新鮮事物。事實(shí)上，阿貢設(shè)計(jì)、建造并運(yùn)行了全尺寸 實(shí)驗(yàn)增殖反應(yīng)堆 II (EBR-II) ，并測(cè)試和驗(yàn)證了熔融鈉技術(shù)長(zhǎng)達(dá) 30 年，直到 1994 年實(shí)驗(yàn)室安全關(guān)閉 EBR-II。幾乎全世界的核工業(yè)都使用這些信息來(lái)驗(yàn)證反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，美國(guó)工業(yè)也使用這些信息來(lái)推進(jìn)許可申請(qǐng)并獲得核管理委員會(huì)的批準(zhǔn)，這些信息仍然受到 EBR-II 運(yùn)行和測(cè)試數(shù)據(jù)以及其他阿貢研究的強(qiáng)烈影響或直接產(chǎn)生。

如今，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的主要鈉快堆實(shí)驗(yàn)和組件測(cè)試都在位于芝加哥郊外的實(shí)驗(yàn)室園區(qū)內(nèi)一個(gè)創(chuàng)新的高架設(shè)施中進(jìn)行：機(jī)械工程測(cè)試環(huán)路 (METL) 設(shè)施。在 METL，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)合作伙伴一起追求一個(gè)共同目標(biāo)：測(cè)試和驗(yàn)證新一代鈉快堆設(shè)計(jì)。

專業(yè)和創(chuàng)新的傳統(tǒng)

韋瑟德獲得了核工程博士學(xué)位，擁有近十年的工作經(jīng)驗(yàn)。但在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，像厄爾·費(fèi)爾德曼(1974 年參與 EBR-II 項(xiàng)目的工程師)這樣的工程師仍在從事研究，韋瑟德則被認(rèn)為“職業(yè)生涯早期”。不過(guò)，和費(fèi)爾德曼一樣，他的重點(diǎn)是熱工水力學(xué)。

“熱工水力學(xué)是一門熱傳遞研究，”韋瑟雷德解釋道。“我們將持續(xù)核裂變產(chǎn)生的熱量傳遞給可以發(fā)電的東西，比如渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的蒸汽。在第四代反應(yīng)堆中，我們著眼于優(yōu)化系統(tǒng)——比如泵、熱交換器和反應(yīng)堆堆芯——以便我們高效地傳遞熱量，獲得最佳投資回報(bào)。我們還想了解這些系統(tǒng)在事故情況下的表現(xiàn)。”

Weathered 的主要實(shí)驗(yàn)是 熱工水力實(shí)驗(yàn)測(cè)試品 (THETA)，這是一個(gè) 500 升的池式鈉設(shè)施，可為核反應(yīng)堆計(jì)算機(jī)代碼開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證提供高保真數(shù)據(jù)。THETA 的大小約為實(shí)際反應(yīng)堆的六分之一，但擁有典型 SFR 中的所有主要組件。它可以驗(yàn)證核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件中的縮小分析。THETA 在 METL 直徑 71 厘米的測(cè)試容器中平穩(wěn)運(yùn)行，具有電加熱堆芯、機(jī)械泵、獨(dú)一無(wú)二的電磁流量計(jì)儀表、光學(xué)傳感器和將熱量散發(fā)到二次鈉回路的中間熱交換器。通過(guò)使用各種測(cè)量手段，Weathered 能夠模擬全尺寸 SFR 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行或事故條件下發(fā)生的情況。

商業(yè)核工業(yè)非常喜歡這種功能。THETA 可以測(cè)試和驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的軟件代碼和組件，讓利益相關(guān)者能夠?qū)崟r(shí)了解應(yīng)執(zhí)行哪些測(cè)試才能最符合他們的需求。這是歷史反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法提供的功能。

“ 在 EBR-II 反應(yīng)堆上進(jìn)行全功率無(wú)保護(hù)失流測(cè)試 ，以證明其固有的被動(dòng)安全性，這是當(dāng)今創(chuàng)新的基礎(chǔ)，”費(fèi)爾德曼說(shuō)。“THETA 提供的功能應(yīng)該有助于未來(lái) SFR 的開(kāi)發(fā)。”

Weathered 最近利用美國(guó)能源部為 OKLO Inc. 提供支持的“核能加速創(chuàng)新網(wǎng)關(guān)”計(jì)劃的憑證，在 THETA 的測(cè)試矩陣中完成了 100 多項(xiàng)不同的測(cè)試，以在多種模擬場(chǎng)景中驗(yàn)證反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件。THETA 還可以測(cè)試和驗(yàn)證其他新興的 SFR 設(shè)計(jì)。

“對(duì)于第四代反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，大多數(shù)技術(shù)尚未‘現(xiàn)成’，”韋瑟雷德說(shuō)，他補(bǔ)充說(shuō)，設(shè)計(jì)和實(shí)施復(fù)雜快堆問(wèn)題的解決方案是他對(duì)研究感興趣的原因之一。“這確實(shí)是最令人著迷的部分——我們所研究的前沿技術(shù)，從第一原理到反應(yīng)堆環(huán)境中的操作概念。”

這是否足以讓他在阿貢實(shí)驗(yàn)室再呆 40 年，激勵(lì)下一批早期職業(yè)科學(xué)家踏上核工程事業(yè)?韋瑟雷德當(dāng)然欣賞他站在新時(shí)代的前沿。

“現(xiàn)在真是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，我認(rèn)為未來(lái)幾十年會(huì)更加激動(dòng)人心，”他說(shuō)。“人工智能的計(jì)算資源將產(chǎn)生大量的能源需求，而核能是一種清潔能源系統(tǒng)。這對(duì)下一代來(lái)說(shuō)非常有吸引力。”

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 通過(guò)開(kāi)展幾乎所有科學(xué)學(xué)科的前沿基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，尋求解決國(guó)家科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊迫問(wèn)題的解決方案。阿貢由 芝加哥大學(xué)阿貢有限責(zé)任公司 為 美國(guó)能源部科學(xué)辦公室管理。