اخبار – کربن زدایی مستلزم دگرگونی بنیادی در بخش انرژی ایالات متحده و انرژی هسته ای می تواند در مرکز این تحول قرار گیرد. این در حال حاضر یک پنجم برق کشور را تامین می کند، و پروژه های جدید نشان می دهد که می تواند حتی بیشتر تولید کند. انرژی هسته ای که برای دستیابی به اهداف آب و هوایی ایالات متحده ضروری است، یکی از محرک های کلیدی سیستم انرژی کم کربن است.
در آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، چشمان با تجربه و تازه روی پنج حوزه کلیدی تحقیق و توسعه متمرکز شده است: طراحی پیشرفته راکتور و تجزیه و تحلیل ایمنی. مدیریت و عدم تکثیر مواد هسته ای؛ فیزیک راکتور و چرخه سوخت؛ مدل سازی و شبیه سازی مهندسی هسته ای؛ و سنسورها، ابزار و تشخیص.
با پنج مهندس و دانشمند در مراحل اولیه و میانی که در حال یافتن راه‌هایی برای استفاده از ابزارها و فناوری‌های مدرن برای مطالعه نسل بعدی راکتورهای هسته‌ای و حفظ و بهبود 93 رآکتور قدیمی هستند که در حال حاضر نیمی از برق بدون کربن را تامین می‌کنند، ملاقات کنید. ملت کار آنها ممکن است صنعت هسته ای ایالات متحده را متحول کند.
“من نمی توانم همه چیز را یکباره حل کنم، اما می توانم کمی حل کنم. هر بخش کوچکی که انجام می‌دهم به هدف کلی کمک می‌کند – Tingzhou Fei، مهندس ارشد هسته‌ای در Argonne
Tingzhou Fei، طراحی راکتور پیشرفته و تجزیه و تحلیل ایمنی
دانشمندان در حال تماشا اولین آزمایش روی یک واکنش زنجیره ای هسته ای خودپایدار محافظ تابش صفر استفاده شده است. در شیکاگو در دسامبر 1942، آنها احتمالاً لباس های پشمی معمولی پوشیده بودند، زیرا زمانی که شکافت هسته ای شروع شد، کمتر از 25 فوت از اورانیوم طبیعی ایستاده بودند. دفاع از چنین آزمایشی امروز نمی تواند متفاوت تر از این باشد.
به گفته Tingzhou Fei، مهندس ارشد هسته ای Argonne در طراحی پیشرفته راکتور و تجزیه و تحلیل ایمنی، محافظ می تواند حداقل 10 برابر جرم هر عامل فعال انرژی دهنده هسته راکتور را نشان دهد. یک برج خنک کننده بزرگ از یک راکتور هسته ای را تصور کنید. بیشتر ساختار برای محافظت از افرادی که در آنجا کار می کنند وجود دارد.
فی گفت: «اگر بتوانیم پیکربندی محافظ راکتورهای پیشرفته را بهینه کنیم و کاهش دهیم، می‌توانیم فضای زیادی را ذخیره کرده و آنها را کوچکتر کنیم. این نوع طراحی اقتصادی و جمع و جور برای مردم مناطق دورافتاده، ارتش، دانشگاه ها و حتی کسانی که علاقه مند به راکتورهای کنار جاده ای برای ناوگان الکتریکی مسافت طولانی هستند، مورد توجه است.
Fay بر طراحی مفاهیم هسته رآکتور پیشرفته برای پاسخگویی به تقاضای انرژی تمرکز کرد. او گفت، این طرح‌های اولیه «تقریباً هرگز از روی کاغذ خارج نشدند». او کار فعلی خود را راضی‌کننده می‌داند زیرا بهینه‌سازی محافظ یک مشکل پیچیده است که چندین درجه به پروژه‌های صنعت هسته‌ای که واقعاً می‌توانند ساخته شوند نزدیک‌تر است.
فی گفت: “قطعه من تنها بخشی از یک سیستم کامل است و من باید مطمئن شوم که ایمن است و با سایر اجزا تداخلی ندارد.” او با کارشناسان علم مواد، تیم‌های طراحی مکانیک و انواع دیگر مهندسان کار می‌کند تا مشکل مشابه را از زوایای مختلف اما به همان اندازه مهم بررسی کنند. “من نمی توانم همه چیز را یکباره حل کنم، اما می توانم کمی حل کنم. هر بخش کوچکی که انجام می دهم به هدف کلی کمک می کند.
کلودیو گاریازو، مدیریت مواد هسته ای و عدم اشاعه
علاوه بر ایمنی راکتور هسته ای، محققان Argonne بر امنیت مواد هسته ای تمرکز می کنند که بر استفاده مسئولانه از مواد و تاسیسات هسته ای در داخل و بین المللی متکی است. آنها مواد را در مسیر ورود به یک فرآیند یا سیستم هسته ای و در مسیر خروج به دقت بررسی می کنند. همه چیز را باید حساب کرد.
کلودیو گاریاتزو، رئیس گروه نوآوری تحقیقات عدم اشاعه، تحلیل می‌گوید: «مأموریت جمعی ما این است که اطمینان حاصل کنیم که هرگونه تعقیب سلاح‌های هسته‌ای صلح‌آمیز و به نفع همه یا عده‌ی زیاد است، برخلاف منفعت عده‌ای معدود. و نامزدی ما با شرکای بین المللی مانند آژانس بین المللی انرژی اتمی (IAEA) برای کمک به حفاظت از مواد هسته ای و اطمینان از استفاده از تاسیسات و فناوری هسته ای کار می کنیم.
آژانس بین‌المللی انرژی اتمی سازمانی است که تأسیسات در سراسر جهان را بازرسی می‌کند تا اطمینان حاصل کند که از تأسیسات هسته‌ای مورد سوءاستفاده قرار نمی‌گیرد و تمام مواد هسته‌ای برای استفاده غیرنظامی تا کمترین مقدار در نظر گرفته می‌شود. الزامات گزارش‌دهی دقیق آژانس بین‌المللی انرژی اتمی، طراحان، اپراتورهای تاسیسات و جامعه بین‌المللی را بر آن می‌دارد تا با کارشناسانی مانند Garriazzo و همکارانش همکاری کنند تا اطمینان حاصل کنند که تلاش‌های منع اشاعه و مدیریت دقیق و دقیق مواد بخشی از هر عملیات موجود یا طراحی جدید راکتور است.
گاریازو گفت: «وقتی کشوری استفاده از انرژی هسته‌ای را انتخاب می‌کند و تأسیسات تولید سوخت می‌سازد، موظف است مقادیر مواد خود را با وفاداری بالا به جامعه بین‌المللی گزارش دهد». او می افزاید که احساس خوبی است که بدانیم او در یک جامعه کار می کند و کاری انجام می دهد که جامعه جهانی را بهبود می بخشد. بسیار مهم است که اطمینان حاصل کنیم که می توانیم از مزایای انرژی هسته ای بدون افزایش خطر گسترش سلاح های هسته ای بهره مند شویم.
اسکات ریچاردز، فیزیک راکتور و چرخه سوخت
ده سال پیش، دانشمندان آمریکایی مطالعه‌ای در مقیاس بزرگ انجام دادند تا مشخص کنند که کدام چرخه سوخت و فناوری‌های راکتوری امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های آینده انرژی هسته‌ای هستند. پاسخ هایی که آنها به دست آوردند متکی بر راکتورهای پیشرفته بود. بر اساس این تحقیقات، دفتر انرژی هسته ای وزارت انرژی امروز در برنامه نمایش رآکتور پیشرفته سرمایه گذاری کرد تا از نمایش های راکتور پیشرفته از طریق مشارکت های هزینه ای با صنعت ایالات متحده حمایت کند.
این سرمایه گذاری شامل آوردن کارشناسان به آزمایشگاه های ملی برای دریافت طرح های پیشرفته فراتر از مرحله طراحی و به زیرساخت های ایالات متحده در مهلت مقرر است.
به عنوان مثال، چندین طرح صنعتی خصوصی به دنبال استفاده از اورانیوم کم غنای با سنجش بالا (HALEU) مقاوم در برابر تکثیر هستند. این رویکرد سوالاتی را مطرح می کند که آیا ایالات متحده می تواند امکانات غنی سازی خود را برای تولید HALEU به اندازه کافی افزایش دهد؟ ایالات متحده واقعاً به چه تعداد HALEU نیاز دارد و چرخه های سوخت پیشنهادی چقدر زباله ایجاد می کند؟ از منظر اقتصادی، انتقال به رآکتورهای با سوخت HALEU چقدر گران خواهد بود و چه مقدار حمایت دولت قبل از تصرف صنعت خصوصی مورد نیاز است؟
اسکات ریچاردز، مهندس ارشد هسته ای در Argonne، در تلاش است تا به این سوالات پیچیده و بیشتر پاسخ دهد. هدف آن ارائه اطلاعات بی طرفانه به سیاست گذاران است تا آنها به خوبی از مسیرهای مورد نیاز برای دستیابی به اهداف تعیین شده برای سال های 2030، 2050، 2100 و پس از آن مطلع شوند.
ریچاردز توضیح داد: «در حال حاضر، ما در مورد اینکه چه چیزی بهترین است و چه چیزی بهتر نیست قضاوت نمی کنیم. ”ما در حال بررسی هستیم که برای داشتن یک استقرار تجاری موفق چه چیزی لازم است. “اگر می‌خواهید این کار را انجام دهید، این چیزی است که طول می‌کشد.”
مدل سازی سیستم های پیچیده برای پاسخ به این سوالات برای ریچاردز از اولویت بالایی برخوردار است. او دکترای خود را با مطالعه چگونگی مدل‌سازی فیزیک مهم چگونه به دست آورد ایزوتوپ ها تحت شرایط مختلف با استفاده از کدهای هسته که کارایی محاسباتی را قربانی نمی‌کنند، تغییر می‌کنند. او گفت که تحت تاثیر سطح و فوری بودن حمایت کنونی از انرژی هسته ای قرار گرفته است.
او گفت: «این من را به طور کلی نسبت به آینده انرژی هسته‌ای خوش‌بین می‌کند. “من فکر می کنم ما فرصتی برای ملاقات داریم گل صفر خالص“
شیخار کومار، مدل سازی و شبیه سازی مهندسی هسته ای
در مهندسی هسته‌ای هیچ توپ کریستالی وجود ندارد، بنابراین مهندس ارشد هسته‌ای آرگون، شیخار کومار، از مدل‌سازی و شبیه‌سازی رایانه‌ای پیشرفته برای پیش‌بینی آنچه در هسته راکتور هسته‌ای رخ خواهد داد، استفاده می‌کند.
صفحه نمایش کامپیوتر او در بیشتر مواقع مانند خطوط کد به نظر می رسد. برخی از آن را او توسعه می دهد، برخی از آن را دیگران توسعه می دهند. این خطوط کد برای تولید یک مدل سه بعدی از هسته راکتور و آنچه در داخل می گذرد استفاده می شود. کومار می تواند روی یک منطقه خاص زوم کند و ببیند چه خبر است.
او توضیح داد: «می‌توانید تولید برق را ببینید و در مناطقی که قدرت بالایی دارند، آن مناطق گرمای بیشتری دارند. ما می‌خواهیم آن گرما را از خود هسته به خنک‌کننده‌ای استخراج کنیم که آن گرما را به انرژی الکتریکی منتقل کند. اولین قدم برای دیدن اینکه انرژی در کجا مصرف می‌شود، یک راهنمای بصری برای جایی است که انتظار داریم نیرو در کجا قرار گیرد.»
کومار در مارس 2021 پس از اخذ مدرک دکترا در مهندسی هسته ای به Argonne پیوست. او که در ژاپن بزرگ شده است، ژاپنی صحبت می کند و با دانشمندان دیگر از کشور جزیره ای برای تبادل مجموعه داده ها و مقایسه ابزارهای تجزیه و تحلیل کار می کند.
با ابزارهای موجود، مانند الگوریتم‌های سطح پایین، سعی می‌کنیم فهرست مواد داخل هسته را درک کنیم تا بدانیم اشیا چقدر رادیواکتیو هستند، چقدر در تولید انرژی در طول زمان کارآمد هستیم و چقدر سوخت باقی مانده است.» او گفت.
آزمایش با انواع جدید راکتورهای کوچکتر و مدولارتر بر پیش بینی ها در مورد آنچه در داخل هسته اتفاق می افتد تأثیر می گذارد و این کار کومار را چالش برانگیز می کند. اما با مشاهده مجموعه داده های بزرگ متوجه شد که نه تنها می تواند آنچه در هسته اتفاق می افتد را پیش بینی کند، بلکه داده ها را نیز تأیید می کند.
او گفت: «چگالی انرژی مرتبط با انرژی هسته‌ای چیزی است که من به آن علاقه داشته‌ام و فکر می‌کنم کشور متوجه شده است که باید در آن سرمایه‌گذاری کند. به این ترتیب ما به سمت آینده انرژی پاک حرکت خواهیم کرد.»
تیم نگوین، حسگرها، ابزار و تشخیص
تیم نگوین درست مانند زمانی که برای یکی از ماراتن‌های خود تمرین می‌کند، مهارت‌های بسیار عملی آماده‌سازی، آموزش و برنامه‌ریزی را در نقش خود به عنوان مهندس ارشد هسته‌ای به ارمغان می‌آورد. کار او بر توسعه حسگرها، ابزارها و تشخیص‌هایی متمرکز است که می‌توانند برای شناسایی و رفع نقص‌های سیستم قبل از تبدیل شدن به یک علت اصلی برای تعمیر استفاده شوند. این ابزارها به اپراتورهای تأسیسات کمک می‌کنند تا به‌جای رسیدگی به خرابی‌های پرهزینه قطعات یا خاموش شدن تأسیسات، برنامه‌های تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده را بهینه کنند تا یک تعمیر اساسی را تکمیل کنند.
نگوین گفت: «یکی از چالش‌های اصلی پیش روی انرژی هسته‌ای هزینه بالای بهره‌برداری و نگهداری است. او در اوایل سال 2020 به Argonne پیوست. ”من روی توسعه و تجاری سازی کدهای کامپیوتری برای برنامه های کاربردی برای کاهش هزینه ها در نیروگاه های هسته ای کار می کنم تا انرژی هسته ای یک انتخاب رقابتی اقتصادی در مقایسه با سایر منابع انرژی باشد.”
نگوین به آرگون کمک کرد تا کد اختصاصی برای تشخیص و تشخیص خطا ایجاد کند. این کد از مدل‌های مبتنی بر فیزیک برای جمع‌آوری اطلاعات دقیق از وضعیت فعلی سیستم فیزیکی و تشخیص خرابی اجزا و حسگرهایی که از کالیبراسیون خارج شده‌اند یا شکست خورده‌اند، استفاده می‌کند. نتیجه به عنوان یک لیست رتبه بندی شده از خطاهای احتمالی، از بالاترین خطر شکست تا کمترین احتمال، ارائه می شود. این به اپراتورهای کارخانه در تصمیم گیری کمک می کند.
نگوین گفت: “من دوست دارم ارزش کارم را در کاربردهای عملی ببینم.” مردم درباره تغییرات آب و هوایی و انرژی های تجدیدپذیر صحبت می کنند و انرژی هسته ای بخش مهمی از آن است. من معتقدم کار من می تواند به بهبود دوام انرژی هسته ای در بازار انرژی کمک کند. می تواند به شیوه ای معنادار تفاوت ایجاد کند.»
کار گزارش شده در این مقاله تا حدی توسط DOE، دفتر انرژی هسته ای وزارت انرژی، دفتر پادمان های هسته ای بین المللی اداره امنیت هسته ای ملی، و آژانس بین المللی انرژی اتمی تامین می شود.
آزمایشگاه ملی آرگون با انجام تحقیقات بنیادی و کاربردی پیشرو در تقریباً هر رشته علمی، به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. Argonne توسط UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.
دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.
