图片：学生使用 RAPID 系统检查虚拟核反应堆。
图片来源：ALEX PARRISH 为弗吉尼亚理工大学拍摄的照片。
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，以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 大学关键技术与应用科学研究所的资助，总计超过 260 万美元。
核电图片
在目前所有类型的能源中，核能从其资源中产生的能量最多。据 美国能源部称，核电站 90% 以上的时间都在高容量运行，是风能或煤炭输出容量的两倍多，是太阳能容量的三倍。
核电也是清洁的， 运行时不产生空气污染或二氧化碳。在核芯内，原子通过核裂变分裂以释放能量，然后通过冷却剂回收以产生蒸汽。蒸汽驱动大型涡轮机，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 监控许多运行部件，这需要大量的仪器。Analysis and Measurement Services Corporation 总裁兼首席执行官 HM Hashemian 报告了 10,000 个传感器和检测器以及 5,000 公里的仪表和控制电缆，代表典型核电站单元控制系统中的总质量为 1,000 吨。
根据 2015 年发表在《自然》杂志上的一篇文章，这些传感器中的几个也必须复制以备不时之需，以防它们无法承受反应堆内的恶劣条件。更换传感器的成本可能很高，而且通常需要关闭整个核电站，导致客户可用的能源下降，并产生更换零件的成本和业务损失。
弗吉尼亚理工大学研究团队的共同努力可以通过在反应堆外运行的创新传感器完全规避这个问题，从而消除导致停机的安装和拆卸需要。
凝聚团队
弗吉尼亚理工大学物理系教授Jonathan Link与系内同事 Patrick Huber 和 Camillo Mariani 开发了一种新颖的检测系统，引起了一位核工程师的注意。该系统称为 CHANDLER，是一套盒装材料，可检测称为反中微子的粒子的存在。
CHANDLER 机制使用一系列包含闪烁材料的立方体，这些材料在与能量相互作用时会产生光。这种现象的发生是由于粒子相互作用中的能量沉积。不同的粒子在不同的时间发光，这有助于研究人员识别它们。该机制还包含光电倍增管，可检测光并测量能量沉积的位置和照明之间的时间，从而传递每次相互作用的性质。
反中微子是微小的无害粒子，不带电荷，大小为亚原子，核电站大量排放。它们是在核裂变过程中产生的，由于体积小且不带电荷，它们可以不受阻碍地穿过反应堆的结构。
检测反中微子很困难，因为干扰带电粒子无处不在。他们穿越银河系，甚至来自我们的太阳。在传感器中，带电粒子会产生干扰，作为额外的“噪音”，在解释结果时混淆画面。
林克的设备切断了噪音。虽然 CHANDLER 最初被设想为一种通过发现隐藏的核材料转移来 阻止流氓国家发展核武器的方法 ，但该系统检测粒子和过滤环境噪音的能力提供了超出该目的的机会。这种潜力引发了 Link 和 机械工程系核工程项目主任 Alireza Haghighat 之间 的对话。
在过去的 36 年里，Haghighat 和他的团队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种称为 RAPID 的计算机代码，它以高保真度呈现中子分布的视觉表示。Haghighat 和他的学生多年来一直在核工业领域工作，参与了与 Jozef Stefan Institute 和 Dominion Energy的项目， 使用他们的系统进行验证研究。通过 RAPID，他们创建了核电站及其反应堆的完整虚拟版本。
在与 Link 的团队共同努力后，Haghighat 能够扩展这些合作伙伴关系，以包括 CHANDLER 的进一步开发。 Dominion Power 同意通过使用 RAPID、堆内和堆外中子测量数据为北安娜电站 2 号机组建模提供数据以及执行 CHANDLER 测量的访问权限来支持该研究 。在那种环境下，Haghighat 和 Link 能够确定过滤噪声的新方法，以准确识别以前难以捉摸的反中微子，并更完整地了解它们在反应堆内和周围的存在情况。由此产生的信息精确地说明了反应堆堆芯正在做什么。
“如果我能高精度地测量反中微子通量，我就知道裂变的数量，”Haghighat 说。“如果我知道裂变的数量，我就知道反应堆产生的能量。如果我知道裂变和能量，我就知道材料。当与 RAPID 解决方案相结合时，这让我们无需进入核心本身就可以了解核心的全貌。”
参与该项目的还有 Grado 工业与系统工程系副教授Nathan Lau 。刘和他的团队一直在研究如何设计核电站控制室以支持态势感知并减少人为错误。Lau 的专业知识弥合了检测粒子和传达信息之间的差距，以便操作员了解核心中发生的事情并采取必要的行动。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它们的人手中。
“我们确切地知道核心正在发生什么这一事实是巨大的，因为有许多方法用于确定核核心中剩余多少燃料，”Haghighat 说。“燃料在整个反应堆堆芯中的使用量各不相同，这就产生了一个更复杂的过程来计算堆芯内的确切信息。我们拥有克服这些困难的工具。”
Haghighat 补充说，这项工作可能会消除对堆芯中子探测器的需求，这将大大有利于小型和微型模块化反应堆的设计和运行。
