Le projet de réalité virtuelle, qui vise à accroître la sécurité et l’économie des réacteurs nucléairesrassemble des membres du corps professoral de Virginia Tech du College of Engineering et du College of Science.

Trois professeurs de Virginia Tech issus de l’ingénierie nucléaire, de la physique et de l’ingénierie industrielle unissent leur expertise et leurs inventions pour créer une technologie basée sur la réalité virtuelle très innovante pour la surveillance haute fidélité et en temps réel des cœurs de centrales nucléaires.

Le projet augmenterait la sécurité et l’économie des réacteurs nucléaires et a reçu des fonds de la National Science Foundation, du US Department of Energy (DOE), de la Nuclear Regulatory Commission et de Virginia Tech. Institut de technologie critique et de sciences appliquéespour un total de plus de 2,6 millions de dollars.

L’image de l’énergie nucléaire

Parmi tous les types actuels de sources d’énergie, l’énergie nucléaire produit la plus grande quantité d’énergie à partir de ses ressources. Selon le BICHEles centrales nucléaires fonctionnent à haute capacité plus de 90 % du temps, plus du double de la capacité de production de l’éolien ou du charbon et le triple de la capacité solaire.

Le nucléaire est aussi propre, ne produisant pas de pollution de l’air ou de dioxyde de carbone pendant le fonctionnement. Dans un noyau nucléaire, les atomes sont divisés par fission nucléaire pour libérer de l’énergie, qui est ensuite récupérée par un caloporteur pour produire de la vapeur. La vapeur fait tourner de grandes turbines, générant de l’électricité pour les maisons et les entreprises.

Pour maintenir l’efficacité et la sécurité des centrales nucléaires, les techniciens doivent surveiller de nombreux composants de fonctionnementce qui nécessite une énorme quantité d’instrumentation.

HM Hashemian, président et chef de la direction d’Analysis and Measurement Services Corporation, a signalé 10 000 capteurs et détecteurs et 5 000 kilomètres de câbles d’instrumentation et de contrôle, représentant une masse totale de 1 000 tonnes dans le système de contrôle d’une unité de centrale nucléaire typique.

Selon un Article de 2015 dans Nature, plusieurs de ces capteurs doivent également être dupliqués pour la redondance au cas où ils ne pourraient pas résister aux conditions difficiles à l’intérieur d’un réacteur. Le remplacement des capteurs peut être coûteux et implique souvent l’arrêt de toute la centrale nucléaire, entraînant une baisse de l’énergie disponible pour les clients et entraînant des coûts pour les pièces de rechange et une perte d’activité.

Les efforts combinés de l’équipe de recherche de Virginia Tech pourraient entièrement contourner ce problème avec des capteurs innovants qui fonctionnent à l’extérieur du réacteur, éliminant ainsi le besoin d’installations et de retraits qui provoquent des arrêts.

Rassembler l’équipe

Jonathan Lien, professeur au Département de physique de Virginia Tech, avec ses collègues du département Patrick Huber et Camillo Mariani, a développé un nouveau système de détection qui a attiré l’attention d’un ingénieur nucléaire. Ce système s’appelle CHANDLERun coffret de matériaux qui détecte la présence de particules appelées antineutrinos.

Le mécanisme CHANDLER utilise une série de cubes contenant un matériau scintillant qui produit de la lumière lorsqu’il interagit avec de l’énergie. Ce phénomène se produit en raison du dépôt d’énergie dans les interactions des particules.

Différentes particules émettent de la lumière à des moments différents, ce qui aide les chercheurs à les identifier. Le mécanisme contient également des tubes photomultiplicateurs qui détectent la lumière et mesurent les positions des dépôts d’énergie et le temps entre les illuminations, relayant ainsi la nature de chaque interaction.

Les antineutrinos sont de minuscules particules inoffensives sans charge, de taille subatomique, que les centrales nucléaires émettent en grand nombre. Ils sont créés lors du processus de fission nucléaire et traversent la structure du réacteur sans être inhibés en raison de leur petite taille et de leur manque de charge.

La détection des antineutrinos est difficile car les particules chargées interférentes sont partout. Ils parcourent la galaxie et viennent même de notre soleil. Dans les capteurs, les particules chargées créent des interférences sous forme de « bruit » supplémentaire qui brouille l’image lors de l’interprétation des résultats.

L’appareil de Link coupe le bruit. Alors que CHANDLER a été envisagé à l’origine comme un moyen de dissuader les pays voyous de développer des armes nucléaires en trouvant des détournements cachés de matières nucléaires, la capacité du système à détecter les particules et à filtrer le bruit ambiant offre des opportunités au-delà de cet objectif.

Ce potentiel a déclenché une conversation entre Link et Alireza Haghighatdirecteur de la programme de génie nucléaire au sein de la Département de l’Ingénierie Mécanique.

Au cours des 36 dernières années, Haghighat et son groupe ont développé des méthodes et des codes avancés de simulation du transport de particules. Leurs efforts ont produit un code informatique appelé RAPID, qui donne une représentation visuelle des distributions de neutrons en haute fidélité.

Haghighat et ses étudiants travaillent depuis de nombreuses années au sein de l’industrie nucléaire, engagés dans des projets avec le Institut Jozef Stefan et Énergie du Dominion réaliser des études de validation à l’aide de leur système. Avec RAPID, ils ont créé des versions virtuelles entières de centrales nucléaires et de leurs réacteurs.

Après avoir uni ses efforts avec l’équipe de Link, Haghighat a pu étendre ces partenariats pour inclure le développement de CHANDLER. Dominion Power a accepté de soutenir la recherche en fournissant des données pour la modélisation du Centrale électrique de North Anna, Unité 2, en utilisant les données de mesure des neutrons RAPID, dans le cœur et hors du cœur, et l’accès pour effectuer des mesures CHANDLER.

Dans cet environnement, Haghighat et Link ont ​​pu déterminer de nouvelles façons de filtrer le bruit pour identifier avec précision les antineutrinos auparavant insaisissables et créer une image plus complète de leur présence dans et autour d’un réacteur. Les informations qui en résultent illustrent précisément ce que fait le cœur du réacteur.

« Si je peux mesurer le flux d’antineutrinos avec une grande précision, je connais la quantité de fission », a déclaré Haghighat. « Si je connais la quantité de fission, je connais la puissance générée dans le réacteur. Si je connais la fission et la puissance, je connais la matière. Combiné aux solutions RAPID, cela nous donne une image complète d’un cœur nucléaire sans avoir besoin d’être à l’intérieur du cœur lui-même.

Est également impliqué dans le projet Nathan Lau, professeur agrégé au Département de génie industriel et des systèmes de Grado. Lau et son groupe ont étudié comment concevoir des salles de contrôle de centrales nucléaires pour prendre en charge la connaissance de la situation et réduire les erreurs humaines.

L’expertise de Lau a permis de combler le fossé entre la détection des particules et la communication des informations aux opérateurs pour comprendre ce qui se passe dans le cœur et prendre les mesures nécessaires. Cette collaboration permet à l’équipe de déterminer comment identifier les antineutrinos, comment traduire les données en un affichage intuitif et comment mettre ces outils entre les mains des personnes qui en ont besoin.

« Le fait que nous sachions exactement ce qui se passe dans le cœur est énorme car il existe de nombreuses méthodes utilisées pour déterminer la quantité de combustible restant dans un cœur nucléaire », a déclaré Haghighat. « Le carburant est utilisé à différentes quantités dans le cœur d’un réacteur, ce qui crée un processus plus compliqué pour calculer les informations exactes à partir d’un cœur. Nous avons les outils pour surmonter ces difficultés.

Haghighat a ajouté que cet effort peut éliminer le besoin de détecteurs de neutrons dans le cœur, ce qui peut bénéficier de manière significative à la conception et au fonctionnement des petits et micro-réacteurs modulaires.

Source: VirginieTech