阿贡核能研究推动第四代反应堆安全性和效率创新

修·韦瑟雷德 (Matthew Weathered) 的 THETA 实验为阿贡国家实验室 METL 的一个直径 71 厘米的测试容器内的核反应堆计算机代码开发提供了高保真数据。

目前，美国所有核反应堆均为第一代或第二代轻水反应堆，占全国无碳电力的一半以上。这意味着它们使用水作为冷却剂和中子减速剂来控制核反应并产生有用的电力。然而，对更多清洁能源的需求日益增长，促使科学专家、政策制定者和私营企业成员兴奋地追求各种反应堆设计。

新一代核反应堆“Gen-IV”旨在提高安全性，同时优化效率和成本。处于发展前沿的第四代反应堆设计之一是钠冷快堆 (SFR)。使用金属合金燃料的 SFR 引起了人们的极大兴趣，因为它们具有 内在的被动安全性 ，并且可以产生比消耗更多的核燃料材料。这可以减少反应堆使用寿命期间产生的废物量。

“在第四代反应堆中，我们着眼于优化系统——如泵、热交换器和反应堆堆芯——以便高效地传递热量，获得最佳投资回报。”——首席核工程师马修·韦瑟雷德

在美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室(该实验室因和平扩展恩里科·费米成功的 芝加哥 1 号堆 裂变实验而闻名)中，快堆技术并不是什么新鲜事物。事实上，阿贡设计、建造并运行了全尺寸 实验增殖反应堆 II (EBR-II) ，并测试和验证了熔融钠技术长达 30 年，直到 1994 年实验室安全关闭 EBR-II。几乎全世界的核工业都使用这些信息来验证反应堆设计，美国工业也使用这些信息来推进许可申请并获得核管理委员会的批准，这些信息仍然受到 EBR-II 运行和测试数据以及其他阿贡研究的强烈影响或直接产生。

如今，阿贡国家实验室的主要钠快堆实验和组件测试都在位于芝加哥郊外的实验室园区内一个创新的高架设施中进行：机械工程测试环路 (METL) 设施。在 METL，首席核工程师马修·韦瑟雷德等科学家与联邦赞助商和行业合作伙伴一起追求一个共同目标：测试和验证新一代钠快堆设计。

专业和创新的传统

韦瑟德获得了核工程博士学位，拥有近十年的工作经验。但在阿贡国家实验室，像厄尔·费尔德曼(1974 年参与 EBR-II 项目的工程师)这样的工程师仍在从事研究，韦瑟德则被认为“职业生涯早期”。不过，和费尔德曼一样，他的重点是热工水力学。

“热工水力学是一门热传递研究，”韦瑟雷德解释道。“我们将持续核裂变产生的热量传递给可以发电的东西，比如涡轮机旋转的蒸汽。在第四代反应堆中，我们着眼于优化系统——比如泵、热交换器和反应堆堆芯——以便我们高效地传递热量，获得最佳投资回报。我们还想了解这些系统在事故情况下的表现。”

Weathered 的主要实验是 热工水力实验测试品 (THETA)，这是一个 500 升的池式钠设施，可为核反应堆计算机代码开发和验证提供高保真数据。THETA 的大小约为实际反应堆的六分之一，但拥有典型 SFR 中的所有主要组件。它可以验证核反应堆设计软件中的缩小分析。THETA 在 METL 直径 71 厘米的测试容器中平稳运行，具有电加热堆芯、机械泵、独一无二的电磁流量计仪表、光学传感器和将热量散发到二次钠回路的中间热交换器。通过使用各种测量手段，Weathered 能够模拟全尺寸 SFR 在稳态运行或事故条件下发生的情况。

商业核工业非常喜欢这种功能。THETA 可以测试和验证新设计的软件代码和组件，让利益相关者能够实时了解应执行哪些测试才能最符合他们的需求。这是历史反应堆实验数据无法提供的功能。

“ 在 EBR-II 反应堆上进行全功率无保护失流测试 ，以证明其固有的被动安全性，这是当今创新的基础，”费尔德曼说。“THETA 提供的功能应该有助于未来 SFR 的开发。”

Weathered 最近利用美国能源部为 OKLO Inc. 提供支持的“核能加速创新网关”计划的凭证，在 THETA 的测试矩阵中完成了 100 多项不同的测试，以在多种模拟场景中验证反应堆设计软件。THETA 还可以测试和验证其他新兴的 SFR 设计。

“对于第四代反应堆来说，大多数技术尚未‘现成’，”韦瑟雷德说，他补充说，设计和实施复杂快堆问题的解决方案是他对研究感兴趣的原因之一。“这确实是最令人着迷的部分——我们所研究的前沿技术，从第一原理到反应堆环境中的操作概念。”

这是否足以让他在阿贡实验室再呆 40 年，激励下一批早期职业科学家踏上核工程事业?韦瑟雷德当然欣赏他站在新时代的前沿。

“现在真是一个激动人心的时刻，我认为未来几十年会更加激动人心，”他说。“人工智能的计算资源将产生大量的能源需求，而核能是一种清洁能源系统。这对下一代来说非常有吸引力。”

阿贡国家实验室 通过开展几乎所有科学学科的前沿基础和应用研究，寻求解决国家科学技术领域紧迫问题的解决方案。阿贡由 芝加哥大学阿贡有限责任公司 为 美国能源部科学办公室管理。