修·韋瑟雷德 (Matthew Weathered) 的 THETA 實驗為阿貢國家實驗室 METL 的一個直徑 71 厘米的測試容器內的核反應堆計算機代碼開發提供了高保真數據。

目前，美國所有核反應堆均為第一代或第二代輕水反應堆，占全國無碳電力的一半以上。這意味著它們使用水作為冷卻劑和中子減速劑來控制核反應并產生有用的電力。然而，對更多清潔能源的需求日益增長，促使科學專家、政策制定者和私營企業成員興奮地追求各種反應堆設計。

新一代核反應堆“Gen-IV”旨在提高安全性，同時優化效率和成本。處于發展前沿的第四代反應堆設計之一是鈉冷快堆 (SFR)。使用金屬合金燃料的 SFR 引起了人們的極大興趣，因為它們具有 內在的被動安全性 ，并且可以產生比消耗更多的核燃料材料。這可以減少反應堆使用壽命期間產生的廢物量。

“在第四代反應堆中，我們著眼于優化系統——如泵、熱交換器和反應堆堆芯——以便高效地傳遞熱量，獲得最佳投資回報。”——首席核工程師馬修·韋瑟雷德

在美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室(該實驗室因和平擴展恩里科·費米成功的 芝加哥 1 號堆 裂變實驗而聞名)中，快堆技術并不是什么新鮮事物。事實上，阿貢設計、建造并運行了全尺寸 實驗增殖反應堆 II (EBR-II) ，并測試和驗證了熔融鈉技術長達 30 年，直到 1994 年實驗室安全關閉 EBR-II。幾乎全世界的核工業都使用這些信息來驗證反應堆設計，美國工業也使用這些信息來推進許可申請并獲得核管理委員會的批準，這些信息仍然受到 EBR-II 運行和測試數據以及其他阿貢研究的強烈影響或直接產生。

如今，阿貢國家實驗室的主要鈉快堆實驗和組件測試都在位于芝加哥郊外的實驗室園區內一個創新的高架設施中進行：機械工程測試環路 (METL) 設施。在 METL，首席核工程師馬修·韋瑟雷德等科學家與聯邦贊助商和行業合作伙伴一起追求一個共同目標：測試和驗證新一代鈉快堆設計。

專業和創新的傳統

韋瑟德獲得了核工程博士學位，擁有近十年的工作經驗。但在阿貢國家實驗室，像厄爾·費爾德曼(1974 年參與 EBR-II 項目的工程師)這樣的工程師仍在從事研究，韋瑟德則被認為“職業生涯早期”。不過，和費爾德曼一樣，他的重點是熱工水力學。

“熱工水力學是一門熱傳遞研究，”韋瑟雷德解釋道。“我們將持續核裂變產生的熱量傳遞給可以發電的東西，比如渦輪機旋轉的蒸汽。在第四代反應堆中，我們著眼于優化系統——比如泵、熱交換器和反應堆堆芯——以便我們高效地傳遞熱量，獲得最佳投資回報。我們還想了解這些系統在事故情況下的表現。”

Weathered 的主要實驗是 熱工水力實驗測試品 (THETA)，這是一個 500 升的池式鈉設施，可為核反應堆計算機代碼開發和驗證提供高保真數據。THETA 的大小約為實際反應堆的六分之一，但擁有典型 SFR 中的所有主要組件。它可以驗證核反應堆設計軟件中的縮小分析。THETA 在 METL 直徑 71 厘米的測試容器中平穩運行，具有電加熱堆芯、機械泵、獨一無二的電磁流量計儀表、光學傳感器和將熱量散發到二次鈉回路的中間熱交換器。通過使用各種測量手段，Weathered 能夠模擬全尺寸 SFR 在穩態運行或事故條件下發生的情況。

商業核工業非常喜歡這種功能。THETA 可以測試和驗證新設計的軟件代碼和組件，讓利益相關者能夠實時了解應執行哪些測試才能最符合他們的需求。這是歷史反應堆實驗數據無法提供的功能。

“ 在 EBR-II 反應堆上進行全功率無保護失流測試 ，以證明其固有的被動安全性，這是當今創新的基礎，”費爾德曼說。“THETA 提供的功能應該有助于未來 SFR 的開發。”

Weathered 最近利用美國能源部為 OKLO Inc. 提供支持的“核能加速創新網關”計劃的憑證，在 THETA 的測試矩陣中完成了 100 多項不同的測試，以在多種模擬場景中驗證反應堆設計軟件。THETA 還可以測試和驗證其他新興的 SFR 設計。

“對于第四代反應堆來說，大多數技術尚未‘現成’，”韋瑟雷德說，他補充說，設計和實施復雜快堆問題的解決方案是他對研究感興趣的原因之一。“這確實是最令人著迷的部分——我們所研究的前沿技術，從第一原理到反應堆環境中的操作概念。”

這是否足以讓他在阿貢實驗室再呆 40 年，激勵下一批早期職業科學家踏上核工程事業?韋瑟雷德當然欣賞他站在新時代的前沿。

“現在真是一個激動人心的時刻，我認為未來幾十年會更加激動人心，”他說。“人工智能的計算資源將產生大量的能源需求，而核能是一種清潔能源系統。這對下一代來說非常有吸引力。”

阿貢國家實驗室 通過開展幾乎所有科學學科的前沿基礎和應用研究，尋求解決國家科學技術領域緊迫問題的解決方案。阿貢由 芝加哥大學阿貢有限責任公司 為 美國能源部科學辦公室管理。