實(shí)時(shí)建模核微反應(yīng)堆內(nèi)的三維溫度分布以改善安全系統(tǒng)

密歇根大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，為了提高安全監(jiān)測(cè)水平，使用新建立的理論基礎(chǔ)來(lái)評(píng)估基函數(shù)，重建了核微反應(yīng)堆內(nèi)部的實(shí)時(shí) 3D 溫度圖，這些基函數(shù)可以結(jié)合起來(lái)描述數(shù)據(jù)的基本趨勢(shì)。

該研究結(jié)果發(fā)表在《應(yīng)用數(shù)學(xué)建?！飞希m用于任何需要“大數(shù)據(jù)”分析的地方，因?yàn)橹亟ǚ椒ㄟm合 3D 中的高分辨率分布。

密歇根大學(xué)核與放射科學(xué)博士生、該研究的通訊作者 Dean Price 表示：“稀疏重建方法中的大多數(shù)工作都集中在與時(shí)間相關(guān)的數(shù)字信號(hào)上，但這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是物理空間中存在的分布。”

雖然評(píng)估發(fā)現(xiàn)一般基函數(shù)對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的微反應(yīng)器溫度監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確，但該團(tuán)隊(duì)找到了改進(jìn)它們的方法。

核微反應(yīng)堆(可用半掛車(chē)牽引的小型核反應(yīng)堆)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為電網(wǎng)的一部分運(yùn)行。這些緊湊型反應(yīng)堆可產(chǎn)生高達(dá) 20 兆瓦的熱能，可直接用作熱能或轉(zhuǎn)化為電能。

微反應(yīng)堆較低的前期成本和較小的選址要求將為核電開(kāi)辟新的市場(chǎng)，核電在向脫碳電網(wǎng)過(guò)渡過(guò)程中對(duì)可再生能源具有巨大的補(bǔ)充潛力。

密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)副教授、這項(xiàng)研究的資深作者布倫丹·科丘納斯 (Brendan Kochunas) 表示：“實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要挑戰(zhàn)之一是確保我們能夠隨時(shí)了解反應(yīng)堆內(nèi)部的情況。”

核微反應(yīng)堆無(wú)需補(bǔ)給燃料即可運(yùn)行數(shù)年，既可靠又靈活，可用于自然災(zāi)害救援、軍事行動(dòng)或偏遠(yuǎn)地區(qū)。然而，在偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)行需要復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)確保安全。

普萊斯說(shuō)：“數(shù)字孿生，即通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)重建的物理反應(yīng)堆，是一項(xiàng)令人興奮的全新技術(shù)，它可以提高核微反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)可行性。”

通過(guò)對(duì)熱管核微反應(yīng)堆內(nèi)的溫度分布進(jìn)行高分辨率 3D 重建，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以跟蹤性能和安全狀態(tài)指標(biāo)(包括材料退化、多普勒反饋和熱管性能)，同時(shí)減少對(duì)人工操作的高成本勞動(dòng)力的需求。

密歇根大學(xué)核工程與放射科學(xué)助理教授、這項(xiàng)研究的作者 Majdi Radaideh 表示：“在部署之前，我們必須確保使用數(shù)字孿生的監(jiān)控能夠提供準(zhǔn)確的信息，以便在核心操作范圍內(nèi)安全運(yùn)行。”

通常，重建方法使用放置在反應(yīng)堆內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的傳感器測(cè)量溫度，然后進(jìn)行插值以估計(jì)未直接測(cè)量區(qū)域的溫度。

由于稀疏方法使用數(shù)據(jù)中最少數(shù)量的基本模式或模式來(lái)構(gòu)建溫度分布，因此定義這些模式的各種方法可能會(huì)顯著影響重建的質(zhì)量。本研究通過(guò)廣義基函數(shù)的演示為評(píng)估這些方法提供了指導(dǎo)。

該方法旨在降低計(jì)算復(fù)雜度和所需的傳感器數(shù)據(jù)量，同時(shí)保持準(zhǔn)確性。該方法的計(jì)算機(jī)內(nèi)存感知特性在向計(jì)算能力有限的數(shù)字孿生系統(tǒng)提供詳細(xì)信息時(shí)特別有用。

研究人員使用廣義基函數(shù)通過(guò)多物理模擬(涉及核反應(yīng)、熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等多種物理過(guò)程)評(píng)估了該方法。

雖然該方法成功捕捉到了廣泛的趨勢(shì)，但由于反應(yīng)堆系統(tǒng)的基本特性(包括材料傳熱行為的空間變化)，廣義基函數(shù)最終還是失敗了。

展望未來(lái)，這些缺點(diǎn)可以通過(guò)使用定制的基函數(shù)來(lái)解決，即專(zhuān)門(mén)根據(jù)該微反應(yīng)器的預(yù)先計(jì)算的溫度分布創(chuàng)建基函數(shù)。這將提高準(zhǔn)確性并具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)完整性。

普萊斯說(shuō)：“我們的方法特別適合遠(yuǎn)程操作，因?yàn)樗鼈兛紤]到了計(jì)算機(jī)內(nèi)存，這對(duì)于為計(jì)算能力有限的數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)提供詳細(xì)信息很有用。”

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