实时监控工具加快了先进核反应堆的开发
在全国范围内,具有环保意识的科学家和工程师正在领导新一代核反应堆设计。他们将核能与水力发电,风能和太阳能一起视为一种清洁,无碳的能源。几种创新的下一代反应堆设计更安全,更小,模块化且移动性更强。它们可以为太空飞行提供动力,使用再生核燃料运行,甚至可以充当应急响应的便携式发电机。一种设计是熔融盐反应堆(MSR),在核领域正在获得动力。
但是,在任何这些新的反应堆设计成为现实之前,它们需要进行许多轮安全和运行测试。
得益于太平洋西北国家实验室(PNNL)的创新,反应堆改进和测试的艰巨任务变得更加轻松,该创新结合了远程,实时测试和对废气副产物的连续监控。结合面向工厂操作员的软件包,该开发为反应堆设计新时代中的远程,近乎瞬时的监控奠定了基础。
PNNL化学家阿曼达·莱恩斯(Amanda Lines)表示:“实时监控是一种宝贵的工具,尤其是在下一代反应堆的开发中。这可以帮助设计人员更有效地设计和测试流路,机构或过程。” “此外,当他们最终部署其反应堆系统时,这为操作员提供了一种更好地理解和控制这些过程的工具。”
化学配方,只能向后
核能发电的主要废气副产物是碘,碘以多种形式产生。在液体燃料熔融盐反应堆中,碘化合物的监测方法是在发电厂取样并在偏远的实验室进行分析。这种方法既缓慢又昂贵-更不用说增加的安全性挑战和在实验室中分析放射性样品的复杂性。实时监控不涉及人类与样品的直接交互,并且提供了风险更低,效率更高的替代方案。
Lines说:“就必须经过的步骤以及对碘和其他化学物质进行采样的时间表而言,这是真正的游戏规则改变者。”
所有核反应堆都产生废气裂变产物。碘气是一个特别令人担忧的问题,因为它具有放射毒性,容易蒸发,如果释放,会散发到空气中。熔融盐反应器的运行将需要对碘进行处理并从系统中实时清除碘。在常规的轻水反应堆中这不是必需的,因为碘被捕获在燃料棒中。为了实现实时洗涤,熔融盐反应堆工厂的操作人员将需要有关碘水平的连续信息。
跟踪放射性碘水平的现有过程是复杂且昂贵的。这涉及在分子水平上解开化学行为,因为碘可以通过与其他元素结合而不断变形,从而产生具有不同特性的新分子。这就像烤香料蛋糕,然后要求某人弄清楚每种成分。
化学“指纹”通过现有的现成技术的光谱光读数进行追踪。然后将它们转换为可供工厂操作员使用的实时可用信息。图片来源:Michael Perkins | 太平洋西北国家实验室
狩猎化学指纹
该研究小组将目光投向了针对两种常见形式的碘(一氯化碘和元素碘),并提出了量化每种碘的方法。目的是使用两种常见的化学分析技术(拉曼光谱法和傅里叶变换红外光谱法)搜索每种碘的化学“指纹”。
尽管光谱读数对研究人员很有用,但将数据转换为操作员可用的信息至关重要。
莱恩斯说:“我们想要一种易于理解的输出,特别是对于那些没有花很多年时间盯着光谱数据的人。”
废气监控软件解决方案
该团队还开发了一种软件,该软件可以从现有的现有技术中获取高度敏感的光谱光读数,并将该数据转换为可供工厂操作员使用的实时可用信息。接下来,研究小组计划利用从这些研究中学到的知识,并将其扩展到其他副产物气体中。
“最终,这些工具可以帮助扩大研发工作,特别是在下一代反应堆设计和测试方面。实时监控可以通过解决前端问题来启用新型反应堆,” Sam Bryan说。 PNNL实验室研究员兼化学家。
分享知识
该研究小组设在PNNL的非反应堆核研究设施的放射化学处理实验室中,成员包括:Amanda Lines,Sam Bryan,Tim J. Johnson,Heather Felmy,Kendall Hughey,Ashley Bradley,Russell Tonkyn,Thomas Blake,Andrew Clifford ,阿丹·谢弗·麦地那(Adan Schafer Medina),理查德·考克斯(Richard Cox)和珍妮弗·威尔逊(Jennifer Wilson)。
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