Ba giáo sư của Virginia Tech từ kỹ thuật hạt nhân, vật lý và kỹ thuật công nghiệp đang tập hợp chuyên môn và phát minh của họ để tạo ra một công nghệ dựa trên thực tế ảo có tính sáng tạo cao để giám sát các lõi của nhà máy điện hạt nhân trong thời gian thực với độ chính xác cao.

Sinh viên Cole Manfred (ở bên trái) và Emily Meilus kiểm tra một lò phản ứng hạt nhân ảo bằng hệ thống RAPID. Hình minh họa của Alex Parrish cho Virginia Tech.

Tổng cộng, dự án sẽ tăng tính an toàn và tính kinh tế của các lò phản ứng hạt nhân và đã nhận được tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Ủy ban Điều tiết Hạt nhân và  Viện Công nghệ Quan trọng và Khoa học Ứng dụng Công nghệ Virginia hơn 2,6 triệu USD.

Bức tranh điện hạt nhân

Trong số tất cả các loại nguồn năng lượng hiện nay, năng lượng hạt nhân tạo ra lượng năng lượng cao nhất từ ​​các nguồn tài nguyên. Theo  DOE , các nhà máy điện hạt nhân hoạt động với công suất cao hơn 90% thời gian, hơn gấp đôi công suất đầu ra của năng lượng gió hoặc than và gấp ba lần công suất năng lượng mặt trời.

Năng lượng hạt nhân cũng sạch,  không tạo ra ô nhiễm không khí hoặc carbon dioxide khi vận hành. Trong lõi hạt nhân, các nguyên tử được phân tách thông qua phản ứng phân hạch hạt nhân để giải phóng năng lượng, sau đó được thu hồi bằng chất làm mát để tạo ra hơi nước. Hơi nước làm quay các tua-bin lớn, tạo ra điện cho các hộ gia đình và doanh nghiệp.

Để duy trì hiệu quả và an toàn tại các nhà máy điện hạt nhân, các kỹ thuật viên phải  giám sát nhiều bộ phận vận hành, đòi hỏi một lượng lớn thiết bị.

HM Hashemian, chủ tịch và giám đốc điều hành của Tập đoàn Dịch vụ Phân tích và Đo lường, đã báo cáo 10.000 cảm biến và máy dò và 5.000 km dây cáp điều khiển và thiết bị, tương đương với tổng khối lượng 1.000 tấn trong hệ thống điều khiển của một tổ máy nhà máy hạt nhân điển hình.

Theo một  bài báo năm 2015 trên tạp chí Nature, một số cảm biến này cũng phải được sao chép để dự phòng trong trường hợp chúng không thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt bên trong lò phản ứng. Việc thay thế các cảm biến có thể tốn kém và thường liên quan đến việc đóng cửa toàn bộ nhà máy điện hạt nhân, gây ra sự sụt giảm năng lượng cung cấp cho khách hàng và phát sinh chi phí cho các bộ phận thay thế cũng như mất việc kinh doanh.

Những nỗ lực kết hợp của nhóm nghiên cứu Công nghệ Virginia có thể khắc phục hoàn toàn vấn đề này bằng các cảm biến cải tiến hoạt động bên ngoài lò phản ứng, loại bỏ nhu cầu lắp đặt và gỡ bỏ gây ra sự cố tắt máy.

Hệ thống tên gọi là  CHANDLER, một bộ vật liệu đóng hộp phát hiện sự hiện diện của các hạt gọi là phản neutrino.

Cơ chế CHANDLER sử dụng một loạt khối lập phương chứa vật liệu nhấp nháy tạo ra ánh sáng khi tương tác với năng lượng. Hiện tượng đó xảy ra do sự lắng đọng năng lượng bên trong các tương tác hạt.

Các hạt khác nhau phát ra ánh sáng theo thời gian khác nhau, giúp các nhà nghiên cứu xác định chúng. Cơ chế này cũng chứa các ống nhân quang phát hiện ánh sáng và đo vị trí của các điểm tích tụ năng lượng và thời gian giữa các lần chiếu sáng, do đó chuyển tiếp bản chất của từng tương tác.

Phản neutrino là những hạt cực nhỏ, vô hại, không mang điện tích, có kích thước hạ nguyên tử, mà các nhà máy điện hạt nhân thải ra với số lượng lớn. Chúng được tạo ra trong quá trình phân hạch hạt nhân và tự do đi qua cấu trúc của lò phản ứng do kích thước nhỏ và thiếu điện tích.

Việc phát hiện phản neutrino rất khó vì các hạt tích điện gây nhiễu có ở khắp mọi nơi. Chúng đi khắp thiên hà và thậm chí đến từ mặt trời của chúng ta. Trong các cảm biến, các hạt tích điện tạo ra nhiễu dưới dạng "nhiễu" bổ sung làm mờ hình ảnh khi diễn giải kết quả.

Thiết bị của Link vượt qua tiếng ồn. Mặc dù CHANDLER ban đầu được hình dung là một cách để  ngăn chặn các quốc gia bất hảo phát triển vũ khí hạt nhân  bằng cách tìm ra các chuyển hướng ẩn của vật liệu hạt nhân, nhưng khả năng phát hiện các hạt và lọc tiếng ồn xung quanh của hệ thống mang lại cơ hội ngoài mục đích đó.

Trong 36 năm qua, Haghhat và nhóm của ông đã phát triển các phương pháp và mã mô phỏng vận chuyển hạt tiên tiến. Những nỗ lực của họ đã tạo ra một mã máy tính gọi là RAPID, mã này thể hiện một biểu diễn trực quan về sự phân bố neutron với độ trung thực cao.

Haghighat và các sinh viên của ông đã làm việc nhiều năm trong ngành hạt nhân, tham gia vào các dự án với  Viện Jozef Stefan  và  Dominion Energy  để thực hiện các nghiên cứu xác nhận sử dụng hệ thống của họ. Với RAPID, họ đã tạo ra toàn bộ phiên bản ảo của các nhà máy điện hạt nhân và lò phản ứng của chúng.

Sau khi tham gia nỗ lực với nhóm của Link, Haghhat đã có thể mở rộng các mối quan hệ đối tác về sự phát triển hơn nữa của CHANDLER. Dominion Power đã đồng ý hỗ trợ nghiên cứu bằng cách cung cấp dữ liệu để lập mô hình  Nhà máy điện North Anna, Tổ máy số 2,  sử dụng RAPID, dữ liệu đo neutron trong và ngoài lõi, đồng thời truy cập để thực hiện các phép đo CHANDLER.

Trong môi trường đó, Haghhighat và Link đã có thể xác định những cách mới lọc qua tiếng ồn để xác định chính xác các phản neutrino khó nắm bắt trước đây và tạo ra một bức tranh hoàn chỉnh hơn về sự hiện diện của chúng trong và xung quanh lò phản ứng. Thông tin kết quả minh họa chính xác những gì lõi lò phản ứng đang làm.

Haghihat nói: “Nếu tôi có thể đo thông lượng phản neutrino với độ chính xác cao, thì tôi biết mức độ phân hạch. “Nếu tôi biết lượng phân hạch, tôi biết năng lượng được tạo ra trong lò phản ứng. Nếu tôi biết sự phân hạch và sức mạnh, tôi biết vật chất. Khi được kết hợp với các giải pháp RAPID, điều này mang đến cho chúng ta bức tranh đầy đủ về lõi hạt nhân mà không cần phải ở bên trong lõi.”

Nhóm đã nghiên cứu cách thiết kế các phòng điều khiển nhà máy điện hạt nhân để hỗ trợ nhận thức tình huống và giảm sai sót của con người.

Chuyên môn của Lau đã thu hẹp khoảng cách giữa việc phát hiện các hạt và truyền đạt thông tin để người vận hành hiểu điều gì đang diễn ra trong lõi và thực hiện các hành động cần thiết. Sự hợp tác cho phép nhóm xác định cách xác định phản neutrino, cách dịch dữ liệu thành màn hình hiển thị trực quan và cách đưa những công cụ đó đến tay những người cần chúng.

Haghhighat nói thêm rằng nỗ lực này có thể loại bỏ nhu cầu về máy dò neutron trong lõi, điều này có thể mang lại lợi ích đáng kể cho thiết kế và vận hành lò phản ứng mô-đun Nhỏ và Siêu nhỏ.

vny

Nguồn: VirginiaTech