來自核工程、物理學和工業工程的三位弗吉尼亞理工大學教授正在匯集他們的專業知識和發明，創造一種高度創新的技術，用于對核電站核心進行高保真、實時監測。

該項目將提高核反應堆的安全性和經濟性，并獲得了美國國家科學基金會、美國能源部(DOE)、核管理委員會和弗吉尼亞理工大學關鍵技術和應用科學研究所的資助，總金額超過260萬美元。

在目前所有類型的能源中，核能從其資源中產生的能量是最高的。根據美國能源部的數據，核電站在90%以上的時間里都是高負荷運行，是風能或煤炭輸出能力的兩倍多，是太陽能輸出能力的三倍多。

核電也很清潔，在運行時不產生空氣污染或二氧化碳。在核芯內，原子通過核裂變釋放能量，然后由冷卻劑回收，產生蒸汽。蒸汽帶動大型渦輪機旋轉，為家庭和企業發電。

為了維持核電站的效率和安全，技術人員必須監測許多運行部件，這需要大量的儀器設備。分析和測量服務公司的總裁兼首席執行官H.M. Hashemian稱，在一個典型的核電站機組的控制系統內，有10000個傳感器和探測器以及5000公里的儀表和控制電纜，總質量達1000噸。

根據《自然》雜志2015年的一篇文章，這些傳感器中的幾個也必須被復制，以便在它們不能承受反應堆內的惡劣條件時進行冗余。更換傳感器可能是昂貴的，而且往往涉及到關閉整個核電站，導致客戶可用的能源下降，并產生更換部件的費用和業務損失。

弗吉尼亞理工大學研究團隊的聯合努力可以通過在反應堆外運行的創新傳感器完全規避這一問題，從而消除導致停運的安裝和拆除的需要。

凝聚團隊的力量

弗吉尼亞理工大學物理系教授Jonathan Link與系里的同事Patrick Huber和Camillo Mariani一起，開發了一個新穎的檢測系統，引起了一位核工程師的注意。該系統被稱為CHANDLER，是一套盒裝材料，用于檢測被稱為反中微子的粒子的存在。

CHANDLER機制使用一系列含有閃爍材料的立方體，這種材料在與能量相互作用時產生光。這一現象的發生是由于粒子相互作用內的能量沉積。不同的粒子在不同的時間段發出光，這有助于研究人員識別它們。該機制還包含檢測光線的光電倍增管，并測量能量沉積的位置和照明之間的時間，從而轉達出每次互動的性質。

反中微子是微小的、無害的、不帶電荷的、亞原子大小的粒子，是核電站大量發射的。它們是在核裂變過程中產生的，由于其體積小且不帶電，所以不受阻礙地通過反應堆的結構。

探測反中微子是很困難的，因為干擾性的帶電粒子無處不在。它們穿梭于銀河系，甚至來自我們的太陽。在傳感器中，帶電粒子產生的干擾是額外的 "噪音"，在解釋結果時混淆了畫面。

林克的設備可以穿過這些噪音。雖然CHANDLER最初被設想為通過尋找隱藏的核材料轉移來阻止無賴國家發展核武器，但該系統檢測粒子并過濾掉環境噪音的能力提供了超越這一目的的機會。這種潛力引發了林克和機械工程系核工程項目主任Alireza Haghighat之間的對話。

在過去36年中，Haghighat和他的小組一直在開發先進的粒子傳輸模擬方法和代碼。他們的努力產生了一個名為RAPID的計算機代碼，它能高保真地渲染中子分布的視覺效果。Haghighat和他的學生已經在核工業內工作了多年，參與了與Jozef Stefan研究所和Dominion能源公司的項目，利用他們的系統進行驗證研究。通過RAPID，他們已經創建了整個核電站及其反應堆的虛擬版本。

在與Link團隊合作后，Haghighat能夠擴展這些伙伴關系，包括CHANDLER的進一步發展。Dominion電力公司同意支持這項研究，為北安娜電站2號機組的建模提供數據，使用RAPID、核內和核外中子測量數據，以及進行CHANDLER測量的權限。在這種環境下，Haghighat和Link能夠確定過濾噪音的新方法，以準確地識別以前難以捉摸的反中子，并對它們在反應堆內和周圍的存在創建一個更完整的圖像。由此產生的信息精確地說明了反應堆核心正在做什么。

Haghighat說："如果我能夠高精度地測量反中子通量，我就知道裂變的數量。如果我知道裂變的數量，我就知道反應堆中產生的功率。如果我知道裂變和功率，我就知道材料。當與RAPID解決方案相結合時，這給我們提供了一個核芯的全貌，而不需要在核芯本身里面。"

參與這個項目的還有格拉多工業和系統工程系的副教授Nathan Lau。劉和他的小組一直在研究如何設計核電站控制室，以支持情景意識和減少人為錯誤。劉的專業知識彌補了檢測粒子和為操作人員傳達信息之間的差距，以了解核心中發生的情況并采取必要的行動。這項合作使團隊能夠確定如何識別反中微子，如何將數據轉化為直觀的顯示，以及如何將這些工具交到需要的人手中。

Haghighat說："我們確切地知道核芯中發生了什么，這一事實是巨大的，因為有許多方法用來確定核芯中還剩下多少燃料，燃料在整個反應堆堆芯中的使用量是不同的，這就產生了一個更復雜的過程來計算堆芯內的確切信息。我們有工具來克服這些困難。"

Haghighat補充說，這項工作可能消除對堆芯內中子探測器的需求，這可以大大有利于小型和微型模塊化反應堆的設計和運行。