محققان برای توسعه راکتورهای نسل بعدی، نوترون ها را با نور جایگزین می کنند

در گوشه‌ای تاریک از آزمایشگاه مکاترونیک در آزمایشگاه ملی آیداهو، محقق بن بیکر دستورات را در لپ‌تاپ تایپ می‌کند تا راکتور را تغذیه کند.

چند متر دورتر، یک رآکتور هسته ای جایگزین به اندازه یک باجه تلفن زنده می شود. این راکتور که ViBRANT (یا راکتور خوش‌خیم بصری به عنوان آنالوگ برای آزمایش هسته‌ای) نامیده می‌شود، توسط سیستم کنترل خودکار میکرو راکتور (MACS) کنترل می‌شود – هر دو در INL اختراع شده‌اند.

چهار محرک واقعی به آرامی درام های کنترل را می چرخانند تا نور منعکس شده به هسته راکتور روشن را تنظیم کنند. بر روی صفحه کامپیوتر، یک نمودار نشان می دهد که سطح توان راکتور به طور پیوسته با بازگشت تشعشع افزایش می یابد و باعث واکنش زنجیره ای می شود.

اگر ViBRANT یک راکتور هسته‌ای واقعی بود، ماشین‌کاری‌های محرک‌ها، درام‌های کنترل و هسته راکتور در پشت یک مخزن مهار پنهان می‌شد و بیکر توسط یک دیوار بتنی ضخیم محافظت می‌شد.

با این حال، در جایی که یک راکتور واقعی روی نوترون کار می‌کند، ViBRANT از فوتون‌ها – ذرات نور ساطع شده از هزاران LED – برای بیان داستان واکنش هسته‌ای جایگزین خود استفاده می‌کند.

ViBRANT از نظر بصری خیره کننده است. شدت LED ها با شروع راکتور افزایش می یابد و می توانند با تغییر دمای هسته و نوترونیک تغییر رنگ دهند.

اما MACS و ViBRANT فقط یک نمایش نوری فانتزی نیستند. آنها پلی بین مدل های کامپیوتری و ریز راکتور MARVEL (Microreactor Applications Research Validation and Evaluation) در INL تشکیل می دهند. MARVEL یک ریزراکتور 85 کیلوواتی خنک‌شده با سدیم پتاسیم است که در INL در حال توسعه است.

تونی کرافورد، محقق INL و سرپرست سیستم کنترل واکنش‌پذیری MARVEL، سیستم‌های MACS/ViBRANT را طراحی و توسعه داد تا کنترل حرکت سیستم کنترل واکنش فیزیکی قوی را با مدل‌های فیزیک نوترون/راکتور حرارتی پیچیده ترکیب کند. هدف آن تسریع توسعه راکتورها و بهبود درک سیستم است.

کرافورد با تجهیز سیستم ViBRANT به جریان جایگزین مبتنی بر LED و فیزیک حرارتی و همچنین حسگرهای لازم برای دستیابی به کنترل حلقه بسته، قابلیت مدل‌سازی حلقه سخت‌افزاری انعطاف‌پذیر و در عین حال با وفاداری بالا را ایجاد کرده است.

INL اخیراً انتخاب هایی را برای تجربیات MARVEL اعلام کرده است. شرکت‌های منتخب با آزمایشگاه کار خواهند کرد تا بفهمند چگونه ریزراکتورها در مراکز داده ادغام می‌شوند، از کنترل مستقل استفاده می‌کنند، از سنسورهای نسل بعدی و پروژه‌های نمک‌زدایی نیرو بهره‌مند می‌شوند.

بیکر و سایر محققان از MACS/ViBRANT برای استفاده از مدل‌های فیزیک راکتور با جزئیات بسیار پیشرفته برای شبیه‌سازی یک هسته واقعی راکتور هسته‌ای استفاده کردند.

در آینده، توسعه‌دهندگان راکتور می‌توانند از ویژگی‌های قابل تنظیم MACS/ViBRANT برای آزمایش طیف وسیعی از دستگاه‌ها و سیستم‌های کنترلی قبل از ورود ریز راکتورهایشان به فاز نمونه اولیه استفاده کنند. علاوه بر این، MACS/ViBRANT به محققان و توسعه‌دهندگان بینش عمیقی در مورد تعاملات بین فیزیک هسته‌ای پیچیده، مدل‌های کامپیوتری و سخت‌افزار دنیای واقعی می‌دهد.

MARVEL و MACS/VIBRANT

علاوه بر هسته جایگزین مبتنی بر LED، MACS/ViBRANT از دستگاه های الکترومکانیکی مشابهی استفاده می کند که MARVEL را کنترل می کند.

کرافورد گفت: «MACS/ViBRANT یک ترکیب ترکیبی است. محرک های فعلی همان فناوری هستند که در راکتور MARVEL استفاده می شود.

کرافورد ادامه داد: «سوخت، مواد خطرناک در بازتابنده‌ها و جاذب‌هایی که بر فیزیک راکتور حاکم هستند، در واقع با مواد بی‌ضرری که خود را به فیزیک نور می‌خورند، جایگزین می‌شوند.» تمام خطرات یک رآکتور واقعی را با وعده توسعه شتابان به سطوح ایمن و قابل دسترس کاهش می دهد.

در دسترس و شهودی

این قابلیت دسترسی به محققان و توسعه دهندگان راکتور اجازه می دهد تا درک کنند که چگونه سخت افزار واقعی با فیزیک راکتور تعامل دارد.

کرافورد گفت: “بن فرانکلین یک بار گفت: “به من بگو و فراموش می کنم، به من بیاموز تا به یاد بیاورم، مرا درگیر کن و یاد می گیرم.”

کرافورد ادامه داد: «با در دسترس بودن و شهودی بودن به اندازه تماشای یک صفحه تلویزیون، تقریباً همه افراد درگیر در فرآیند توسعه راکتور – از مدل ساز گرفته تا توسعه دهنده سیستم کنترل تا مونتاژکننده – می توانند درگیر شوند و یاد بگیرند. درس‌ها می‌توانند «نه تنها مفاهیم مرتبط با نقش آن‌ها، بلکه نقش‌های مجاور را نیز در بر گیرند، که به طور قابل‌توجهی تلاش توسعه راکتور را افزایش می‌دهند».

به عنوان یک ابزار یادگیری، راکتور MACS/ViBRANT را می توان طوری کالیبره کرد که تقریباً مانند راکتور MARVEL عمل کند، اما همچنین دارای امکانات تنظیم کافی برای سرعت بخشیدن به جدول زمانی است. در حالی که راکتور MARVEL یک روز طول می کشد تا به شرایط عملیاتی عادی بازگردد، راکتور جایگزین MACS همان فرآیندها را در 10 دقیقه تقلید می کند.

در طول راه اندازی، درام های کنترل MACS/ViBRANT خاموش می شوند و واکنش پذیری را در هسته راکتور وارد می کنند. واکنش پذیری و دما افزایش می یابد. هنگامی که خاموش می شود، درام ها و مواد جاذب مرتبط با آنها برمی گردد و واکنش پذیری و دما کاهش می یابد.

و مانند راکتور MARVEL، الگوریتم‌های اساسی MACS قوانین طبیعی فیزیک راکتور را به تصویر می‌کشند که در صورت داغ شدن بیش از حد راکتور به عنوان یک سیستم ایمنی عمل می‌کنند. کرافورد گفت: “با افزایش دمای داخل ViBRANT، ممکن است شاهد کاهش پاسخگویی باشید.” بنابراین تمام این پدیده های فیزیکی اساسی با این سیستم ثبت می شوند.

توانایی سرهم کردن

MACS به کاربران اجازه می دهد تا عملکرد اجزای راکتور را در دنیای واقعی مشاهده کنند، بدون مانع توسط کشتی های مهار و سپرهای تشعشع. این سیستم ابزار ارزشمندی را در اختیار مهندسان قرار داد: توانایی سرهم کردن.

MACS و ViBRANT بهبودهای زیادی در سخت افزار و نرم افزار سیستم کنترل MARVEL ایجاد کرده اند.

کرافورد گفت: «در برخی موارد، ما مجبور بودیم برخی از رفتارهای راکتورهای واقعی را بر اساس آنچه در این راکتور می دیدیم، تنظیم کنیم.

برای مثال، محرک‌های درام کنترلی MARVEL با استفاده از MACS/ViBRANT دوباره طراحی شدند. کرافورد گفت: “ما یک درام جایگزین داشتیم که روی یک بلبرینگ قرار داشت و اصطکاک تغییر کرده بود.” “در حین کار می لغزد و به درستی قفل نمی شود. بنابراین، ما طراحی محرک را اصلاح کردیم.”

در طول یک رویداد غیرعادی، اپراتورهای رآکتور راکتور را “خاموش” می کنند و به سرعت آن را خاموش می کنند. برای MARVEL، این بدان معناست که درام‌های کنترل می‌چرخند و مواد جاذب را مجبور می‌کنند تا برای محدود کردن واکنش به سمت هسته قرار گیرند.

سایر اجزای سیستم کنترل بر اساس اطلاعات سیستم های MACS و ViBRANT پالایش شدند.

این سیستم اجازه می دهد تا نمونه های اولیه غیر هسته ای برای آزمایش سیستم های راکتور بزرگ ساخته شود و سپس طراحی آن سیستم ها را در یک فرآیند تکراری اصلاح می کند. این رویکرد به اصطلاح “چابک” یک موضوع تکراری است زیرا محققان INL به فاز ساخت MARVEL نزدیک می شوند. علاوه بر ViBRANT/MACS، محققان آزمایش اولیه دستگاه خنک‌کننده را انجام دادند که عملکرد ترموهیدرولیک سیستم خنک‌کننده فلز مایع جدید MARVEL را تأیید کرد.

کارکردن مدل ها

ViBRANT و MACS از همان برنامه های کامپیوتری استفاده می کنند که محققان و توسعه دهندگان راکتور برای توسعه نسل بعدی راکتورهای هسته ای استفاده می کنند. این مدل‌ها شامل RELAP، MCNP (ذره N مونت کارلو)، و محیط شبیه‌سازی شی‌گرای چندفیزیکی (MOOSE) هستند – کدهایی که برهمکنش‌های بسیار پیچیده بین نوترون‌ها، مواد راکتور، جریان خنک‌کننده و دیگر پدیده‌هایی را که در هسته راکتور رخ می‌دهند، توصیف می‌کنند.

ترجمه معادلات دیفرانسیل حاکم بر رفتار نوترون ها به فیزیک ذرات نور نیازمند کدگذاری کامپیوتری پیچیده است. بیکر مجموعه ای از الگوریتم ها را توسعه داد که فیزیک نور را از ViBRANT به مدل های واقعی راکتورهای هسته ای متصل می کند. توانایی تقلید از رابطه واقعی بین راکتور و سیستم کنترل به طور قابل توجهی یکپارچگی سیستم های کنترل توسعه یافته با استفاده از MACS و ViBRANT را افزایش می دهد.

کرافورد گفت: «مدل‌های مورد استفاده برای توسعه طراحی MARVEL در واقع در این سیستم مورد استفاده قرار گرفتند. ما فیزیک نور را در نظر می گیریم و آن را با چیزی که انتظار داریم با راکتور ببینیم مرتبط می کنیم. بنابراین اساساً این راکتور جایگزین را کالیبره می کنیم تا مانند راکتور واقعی عمل کند.”

همانطور که MACS به محققان اجازه داده است سخت افزار دنیای واقعی را اصلاح کنند، MACS و ViBRANT نیز می توانند به اصلاح نرم افزار کمک کنند. این به این دلیل است که آنها با استفاده از مدل های هسته ای بسیار دقیق و پیچیده عمل می کنند.

یک موهبت برای توسعه دهندگان راکتور

در نهایت، MACS و ViBRANT می توانند به توسعه دهندگان کمک کنند تا سیستم های کنترل را برای نسل بعدی راکتورهای پیشرفته آزمایش و اصلاح کنند.

کرافورد گفت: «رآکتورهای آب سبک دارای بسته‌های نرم‌افزاری و سیستم‌های کنترلی است که به خوبی تثبیت شده‌اند، زیرا آنها دهه‌ها توسعه را پشت سر گذاشته‌اند. راکتورهای پیشرفته فرصت های توسعه یکسانی نداشته اند. این راهی برای تعامل با سیستم کنترل، درک فیزیک شما و قدردانی از نتایج است.”

علاوه بر این، کرافورد و همکارانش MACS/ViBRANT را به گونه‌ای طراحی کردند که متناسب با قابلیت‌های راکتورهای مختلف باشد.

کرافورد گفت: «در حال حاضر برای MARVEL پیکربندی شده است، اما این بدان معنا نیست که نمی‌توانید برای سطوح مختلف قدرت، پیکربندی‌های مختلف درام، یا مکان‌های مختلف حسگر مقیاس کنید.»

این توانایی برای انطباق با طیف گسترده ای از انواع راکتورها به طور قابل توجهی خطرات را برای توسعه دهندگان راکتور در هنگام شروع به طراحی هایی که تجربه عملیاتی کمی دارند کاهش می دهد. . این شامل قابلیت‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی می‌شود که می‌تواند روزی به مستقل یا نیمه خودمختار شدن عملکرد راکتور کمک کند.

کرافورد گفت: “شما می توانید مرزها را کنار بزنید و به دنبال راه هایی برای بهینه سازی سناریوهای عملیاتی فعلی و/یا کشف احتمالات عملیاتی جدید باشید.”