El proyecto de realidad virtual, que pretende aumentar la seguridad y economía de reactores nuclearesreúne a miembros de la facultad de Virginia Tech de la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Ciencias.
Tres profesores de Virginia Tech de ingeniería nuclear, física e ingeniería industrial están reuniendo su experiencia e inventos para crear una tecnología basada en realidad virtual altamente innovadora para el monitoreo de alta fidelidad y en tiempo real de los núcleos de las plantas de energía nuclear.
Los estudiantes Cole Manfred (a la izquierda) y Emily Meilus inspeccionan un reactor nuclear virtual utilizando el sistema RAPID. Ilustración de Alex Parrish para Virginia Tech.
El proyecto aumentaría la seguridad y la economía de los reactores nucleares y ha recibido fondos de la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Comisión Reguladora Nuclear y Virginia Tech. Instituto de Tecnología Crítica y Ciencias Aplicadaspor un total de más de $2.6 millones.
La imagen de la energía nuclear
Entre todos los tipos actuales de fuentes de energía, la energía nuclear produce la mayor cantidad de energía a partir de sus recursos. De acuerdo con la GAMAlas plantas de energía nuclear operan a alta capacidad más del 90 por ciento del tiempo, más del doble de la capacidad de producción de energía eólica o carbón y triplican la capacidad solar.
La energía nuclear también es limpia, no produce contaminación del aire ni dióxido de carbono durante el funcionamiento. Dentro de un núcleo nuclear, los átomos se dividen a través de la fisión nuclear para liberar energía, que luego se recupera mediante un refrigerante para producir vapor. El vapor hace girar grandes turbinas, generando electricidad para hogares y negocios.
Para mantener la eficiencia y la seguridad en las centrales nucleares, los técnicos deben monitorear muchos componentes operativosque requiere una enorme cantidad de instrumentación.
HM Hashemian, presidente y director ejecutivo de Analysis and Measurement Services Corporation, ha informado de 10.000 sensores y detectores y 5.000 kilómetros de cables de instrumentación y control, lo que representa una masa total de 1.000 toneladas dentro del sistema de control de una unidad de planta nuclear típica.
De acuerdo a una Artículo de 2015 en Nature, varios de estos sensores también deben duplicarse para redundancia en caso de que no puedan soportar las duras condiciones dentro de un reactor. Reemplazar sensores puede ser costoso y, a menudo, implica cerrar toda la planta de energía nuclear, lo que provoca una caída en la energía disponible para los clientes e incurre en costos de repuestos y pérdida de negocios.
Los esfuerzos combinados del equipo de investigación de Virginia Tech podrían evitar este problema por completo con sensores innovadores que operan fuera del reactor, eliminando la necesidad de instalaciones y remociones que provocan paradas.
Uniendo al equipo
jonathan enlace, profesor del Departamento de Física de Virginia Tech, junto con sus colegas del departamento Patrick Huber y Camillo Mariani, desarrollaron un novedoso sistema de detección que llamó la atención de un ingeniero nuclear. Ese sistema se llama VELEROun conjunto de materiales en caja que detecta la presencia de partículas llamadas antineutrinos.
El mecanismo CHANDLER utiliza una serie de cubos que contienen un material centelleante que produce luz al interactuar con la energía. Ese fenómeno ocurre debido a la deposición de energía dentro de las interacciones de partículas.
Diferentes partículas emiten luz en diferentes momentos, lo que ayuda a los investigadores a identificarlas. El mecanismo también contiene tubos fotomultiplicadores que detectan la luz y miden las posiciones de las deposiciones de energía y el tiempo entre iluminaciones, transmitiendo así la naturaleza de cada interacción.
Los antineutrinos son partículas diminutas e inofensivas sin carga, de tamaño subatómico, que las centrales nucleares emiten en grandes cantidades. Se crean durante el proceso de fisión nuclear y atraviesan la estructura del reactor sin inhibiciones debido a su pequeño tamaño y falta de carga.
La detección de antineutrinos es difícil porque las partículas cargadas que interfieren están en todas partes. Viajan por la galaxia e incluso provienen de nuestro sol. En los sensores, las partículas cargadas crean interferencias como «ruido» adicional que enturbia la imagen al interpretar los resultados.
El dispositivo de Link atraviesa el ruido. Si bien CHANDLER se concibió originalmente como una forma de disuadir a las naciones rebeldes de desarrollar armas nucleares al encontrar desviaciones ocultas de material nuclear, la capacidad del sistema para detectar partículas y filtrar el ruido ambiental ofrece oportunidades más allá de ese propósito.
Este potencial provocó una conversación entre Link y Alireza Haghighatdirector de la programa de ingenieria nuclear dentro de Departamento de Ingeniería Mecánica.
Durante los últimos 36 años, Haghighat y su grupo han estado desarrollando códigos y métodos avanzados de simulación de transporte de partículas. Sus esfuerzos produjeron un código de computadora llamado RAPID, que ofrece una representación visual de las distribuciones de neutrones en alta fidelidad.
Haghighat y sus alumnos han estado trabajando durante muchos años en la industria nuclear, participando en proyectos con la Instituto Jozef Stefan y Energía de dominio realizar estudios de validación utilizando su sistema. Con RAPID, han creado versiones virtuales completas de centrales nucleares y sus reactores.
Después de unir esfuerzos con el equipo de Link, Haghighat pudo ampliar esas asociaciones para incluir un mayor desarrollo de CHANDLER. Dominion Power acordó apoyar la investigación proporcionando datos para el modelado de la Central eléctrica de North Anna, Unidad 2, utilizando RAPID, datos de medición de neutrones en el núcleo y fuera del núcleo, y acceso para realizar mediciones de CHANDLER.
En ese entorno, Haghighat y Link pudieron determinar nuevas formas de filtrar el ruido para identificar con precisión los antineutrinos que antes eran escurridizos y crear una imagen más completa de su presencia dentro y alrededor de un reactor. La información resultante ilustra con precisión lo que está haciendo el núcleo del reactor.
“Si puedo medir el flujo de antineutrinos con alta precisión, sé la cantidad de fisión”, dijo Haghighat. “Si sé la cantidad de fisión, sé la potencia generada en el reactor. Si conozco la fisión y el poder, conozco el material. Cuando se combina con las soluciones RAPID, esto nos brinda una imagen completa de un núcleo nuclear sin necesidad de estar dentro del núcleo mismo”.
También participan en el proyecto nathan lau, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas de Grado. Lau y su grupo han estado estudiando cómo diseñar salas de control de plantas de energía nuclear para apoyar el conocimiento de la situación y reducir los errores humanos.
La experiencia de Lau ha cerrado la brecha entre la detección de partículas y la comunicación de la información para que los operadores comprendan lo que sucede en el núcleo y tomen las medidas necesarias. La colaboración permite al equipo determinar cómo identificar los antineutrinos, cómo traducir los datos en una pantalla intuitiva y cómo poner esas herramientas en manos de las personas que las necesitan.
“El hecho de que sepamos exactamente lo que está sucediendo en el núcleo es enorme porque se utilizan muchos métodos para establecer cuánto combustible queda en un núcleo nuclear”, dijo Haghighat. “El combustible se usa en diferentes cantidades en todo el núcleo de un reactor, lo que crea un proceso más complicado para calcular la información exacta desde dentro de un núcleo. Tenemos las herramientas para superar estas dificultades”.
Haghighat agregó que este esfuerzo puede eliminar la necesidad de detectores de neutrones en el núcleo, lo que puede beneficiar significativamente el diseño y la operación de reactores modulares pequeños y micro.
Fuente: Virginia Tech
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