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核反应堆诞生75周年,MIT 重启石墨堆致敬(附图)

2018-01-04 14:04:00     中国机械工业联合会机经网    参与互动


关键词  核反应堆    MIT    胡玲文    石墨指数堆   

就在刚刚过去的 2017 年 12 月,核反应堆迎来其诞生后的第 75 周年。为了庆祝此事,MIT 重新启动了颇具历史的石墨指数堆,石墨指数堆也成为了教育与研究的新工具。我们独家专访了 MIT 核能实验室负责人、核反应堆专家胡玲文教授,她也和我们分享了目前全球核能面临的挑战和新机遇。

    就在刚刚过去的 2017 年 12 月,核反应堆迎来其诞生后的第 75 周年。为了庆祝此事,MIT 重新启动了颇具历史的石墨指数堆,石墨指数堆也成为了教育与研究的新工具。

  在这个特殊的时刻,我们独家专访了 MIT 核能实验室负责人、核反应堆专家胡玲文教授,她也和我们分享了目前全球核能面临的挑战和新机遇。

  高级研究员胡玲文将燃料棒装载到 MIT 石墨指数堆的燃料通道内

  问:如今最火的行业莫过于 AI,很多人都义无反顾的投身 ComputerScience,核能是一个相对冷门的领域,您当初为何会选择核能?尤其是作为女性。在核能领域,是否有 AI 的身影,或者说这个时代最火的技术,在核能领域扮演了怎样的角色?

  胡玲文:大概是在上世纪 80 年代,也就是我还在读高中的时候,我开始对核能领域萌生兴趣。“核裂变能产生的能量是煤炭化学燃烧的数百万倍”,这个概念当时深深地吸引了我。而且在那会儿,进入科学与工程行业的女性还很少,所以我十分感激我能有机会在台湾清华大学学习核工程,然后于 1996 年在麻省理工学院(MIT)学习核工程并获得博士学位。

  自上世纪世纪 60 年代以来,核能一直被视为可靠环保的发电能源之一。而目前正在运行的商业核电站大都是上世纪六七十年代时设计的轻水反应堆核电站。对于进一步改善核电的安全性和经济性、拓宽核电未来的发展空间,以及应对当前严峻的全球气候变化问题来说,研发、展示并推广更为先进的核反应堆技术至关重要。

  目前,许多技术革新都能用于一代反应堆的设计,比如先进的制造工艺,高精的传感和各种设备,以及更为优化的计算和建模方法。而在我看来,人工智能(AI)技术则有着能显着降低核电场的运营成本,并提高核电的安全性的潜力。

  

  问:您提出的“次临界反应堆”相比于传统核电反应堆有哪些优势,又有哪些技术挑战?

  胡玲文:建造示范性反应堆所需时间太长,这个问题是新型核反应堆发展目前面临的主要挑战之一(从场地选择和许可文书的处理开始算,这个过程目前至少需要十年以上)。所以,为了加快 MIT 的一个示范性小型熔盐反应堆的建设,我的小组提出了亚临界反应堆的概念。该概念将 MIT 反应堆作为一个驱动次临界熔盐反应堆的中子源,不需要新的场地和新的反应堆许可文书,因而能大大减少建设示范性新型反应堆的时间和成本。

  虽然,由于亚临界反应堆只会模拟反应堆堆芯的一部分,而且从监管部门的角度出发,我们最终可能还是需要建造一个完整的原型示范性反应堆。但是,亚临界反应堆应该能提供关于新型反应堆设计可行性的早期关键数据,进而使开发者能更容易的获取建设原型堆的资金和批准文书。

  问:核能发展的未来在哪?是熔盐堆、快堆等先进裂变堆,还是具有固有安全性的小型化反应堆,亦或是聚变堆?6 种先进堆型中,您认为哪一种可能最先脱颖而出?

  胡玲文:未来,我们究竟会使用哪种核电技术取决于具体的区域和实际的需求。小型模块化反应堆具有安全性高、资本投入低的特点。熔盐反应堆和其他高温反应堆则提供了新的燃料循环方案,比现有的轻水反应堆在经济性上更胜一筹。而快中子增殖反应堆能将核废料转化为燃料,进而有效利用铀资源并将其作为一种长期能源。但所有这些新的反应堆设计都将需要进一步的研究和开发才能被真正投入建设和使用。

  

  麻省理工学院核反应堆实验室的大门

  问:核能发展目前面临怎样的挑战,又有哪些振奋人心的突破?

  胡玲文:在我看来,目前核能技术发展所面临的一个主要挑战,是如何保持可靠和稳定的研发资金支持以及国际合作。激动人心的是,美国现在开始有民间资金对核技术开发进行投资,而政府也出台了一些相关支持性的举措。另外,国际合作也能加速下一代核电技术的发展过程。比如,比尔盖茨的 TerraPower 与中国核工业集团公司就开发行波反应堆达成了协议。以及 MIT 目前正在与中国科学院合作开发熔盐反应堆。对于像气候变化和污染这种的全球性挑战,我相信它们最终只有通过国际合作才能被解决。

  以上为 DT 君与胡玲文教授本次采访的全文,相信读者们对胡玲文教授以及她领导的 MIT 核能实验室仍十分好奇,而未来全球能源革命的走向同样是很多人所关心的话题。好消息是,胡玲文教授已经接受了 DT 君的邀请,将出席本月末于北京举办的 EmTech 全球新兴科技峰会,届时将会为我们带来更精彩的前沿科技观点,敬请期待!

  MIT 重启石墨堆全程回顾

  1942 年 12 月 2 号,在芝加哥大学 Stagg Field 橄榄球场看台下,诺贝尔奖获得者恩利克·费米(Enrico Fermi)率领实验团队首次实现了可控链式核反应——这标志着核纪元的开端,也为首个原子弹与首座核电反应堆的发展奠定基础。

  75 年后,为了纪念芝加哥一号堆(CP-1)首次临界,MIT 在周六重启了与芝加哥事件同样具有划时代意义的一座装置。MIT 的次临界实验设施与 CP-1 反应堆研发以及自持链式核反应一样具有里程碑式意义。

  

  核科学与工程系及核反应堆实验室共同庆祝 CP-1 实现人类首次链式核反应 75 周年

与 MIT 石墨指数堆相同的反应堆级石墨被制成纪念品

  这次纪念可不仅仅是走走过场。研究人员重启了一个叫做石墨指数堆的装置,它始建于 1957 年,未来几年,MIT 的学生将用它做次临界实验,在未来新型反应堆的设计研究上,它也将成为独特而有价值的研究工具。

  该装置是由纯石墨(铅笔芯材料)制成的大立方体状堆,上面留有插入铀棒的钻孔。天然铀棒的辐射剂量很低,它很安全可以直接裸手去拿。1942 年,费米和同事就是这样干的,虽然他们也有防护手套。

  费米的反应堆实验之后的几十年内,美国大学和国家实验室建造了 20 多个类似的石墨堆来做基础研究与教学。但随着时间推移,它们大多都被处理掉了。MIT 的这个堆只有费米反应堆的一半大,但却是后建石墨堆中最大的,而且保留了下来。但它已经被遗忘并闲置多年,直到去年才被 MIT 核科学与工程系迈克尔·肖特(Michael Short)教授“重新发现”。

  12 月 2 号,斯密斯教授在 MIT 核反应堆实验室向 45 位嘉宾介绍石墨指数堆的历史。

  当了解到该装置还保存完整时,核科学与工程教授科尔德·斯密斯(Kord Smith)感到很惊讶。它表面有金属面板保护,看上去像一个废弃的储藏柜,路过的师生根本不会意识到它的存在。斯密斯和他在核科学与工程系的同事,以及核反应堆实验室主任大卫·蒙克顿(David Moncton)迅速制定了一个重启计划,以纪念反应堆开创性实验 75 周年。1957 年,MIT 核科学与工程系学生理查德·纳普(Richard Knapp)在他的学士论文中设计了该反应堆系统。

  目前,该装置的 30 吨石墨和 2.5 吨铀已经全部清理并恢复完毕,最后一块铀在 12 月 2 号也仪式性地装载完毕。这一仪式邀请了 45 名教师、学生和嘉宾共同见证,时间刚好是芝加哥反应堆完成的时间,当时的人数也是 45 人。

  据史密斯介绍,随着核工业迅速从石墨堆转向轻水堆、重水堆与钠冷堆,MIT 的次临界石墨堆最终被淘汰。有关石墨系统的实验与核工业关联不大。这些装置都以石墨(或水)作为慢化剂,将辐射源放出的中子的速度降低到原来的百万分之一。然后,热中子与其它铀原子相互作用并形成自持链式反应,即中子通过撞击铀原子释放更多中子,新的中子又形成一系列碰撞。CP-1 的临界是通过插拔控制棒控制的。控制棒由镉制成,可以吸收中子并中断反应。

  

  站在石墨指数堆前的科尔德·斯密斯和迈卡·盖尔。石墨堆将作为学生的教学与研究工具

  如今,新一代核反应堆有很多前沿设计,包括非能动冷却系统和不停机更换燃料的设计。这些设计开始重新使用石墨,所以该反应堆再一次成为有用的研究工具。它可以让学生们亲手处理核燃料,还能更轻易的接触到反应堆。MIT 虽然有满功率的研究型反应堆,但它几乎常年运行并产生 6MW 热能。研究型反应堆上的实验可以进行新型燃料棒包壳或监控仪器的研究,但一年只能实验一次。

  据史密斯介绍,学生们将能够在石墨指数堆上进行安装、运行实验,并在几小时或几天内得到结果。石墨堆的使用有望激发学生的兴趣,并为在 MIT 研究性反应堆上做前沿性实验做好准备。

  “过去这些年,石墨作为反应堆媒介已经来来回回启用又弃用多次,”斯密斯说,但现在“我们正在重生。”即使是今天,核反应释放的中子如何散射通过石墨的晶体结构,仍具有重要研究价值。斯密斯说,最近有人提出了新的物理模型来描述这些相互作用,我们希望使用石墨堆“来设计实验去验证这些新的理论模型。”

  斯密斯认为,除了能帮助研究新的反应堆、燃料和包壳类型,对核工程专业的学生而言,石墨堆和 MIT 的研究堆还将成为有价值的教育工具。“我们倾向于培养善于开发计算算法和模型的学生。但如果不能对比自己的计算结果,你会以为自己的模拟是完美的。”然而,在现实世界中,实际测量通常不会与预期完美符合,懂得这些差别才有助于提升理论模型。

(孙小彪、Peter)


来源:DeepTech深科技            责任编辑:机经网编辑部 tongdx
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