卵石床反应堆使用自然循环冷却，因此理论上堆芯熔化不可能发生。（图片来源：Dr. Jean Ragusa，Dr. Mauricio Eduardo Tano Retamales/德州农工大学工程部）
在2011年3月11日日本，现代最大的地震之一发生时，福岛第一核电站按照设计自动关闭。本来可以帮助维持核心必要冷却的应急系统被随后而来的海啸破坏了。因为反应堆无法再自行冷却了，核心变得过热，导致了严重的核熔毁，自1986年切尔诺贝利灾难以来，还没有出现过类似的情况。
从那时起，反应堆的安全性、可持续性和效率就被大大提升。与福岛使用液体冷却和铀燃料的轻水反应堆不同，现在的反应堆有许多不同的冷却剂可供选择，包括使用熔盐混合物，超临界水，甚至像氦这样的气体。
来自德州农工大学核工程部的Jean Ragusa博士和Mauricio Eduardo Tano Retamales博士正在研究一种新的第四代反应堆——卵石床反应堆。卵石床反应堆使用球形燃料配件（称为卵石）和液体冷却剂（通常是气体）。
卵石床反应堆 图片来源：wikipedia.org
“在一个这样的反应堆里大约有四万个燃料鹅卵石。”Ragusa说，“想象一下这个反应堆，它就像一个大桶，里面有四万个网球。”
在意外发生时，因为反应堆的核心升温，下面的冷空气上升，这一过程被称为自然对流冷却。另外，因为燃料鹅卵石由热解碳和结构各向同性颗粒制成，它们能承受高达三千华氏度的温度。作为超高温反应堆，卵石床反应堆能通过被动自然循环冷却，这让它在理论上几乎不可能发生类似于福岛核电站的事件。
然而，在正常运行时，一股高速流会使鹅卵石冷却。这股高速流在燃料卵石周围和之间流动，就像是一阵风改变网球的运动轨迹。应该如何考虑卵石之间的摩擦和这种摩擦对冷却的影响呢？
这就是Ragusa和Tano在他们最新发表于《核技术》（Nuclear Technology）期刊的文章中想要回答的问题。
反应器中的石墨球图片来源：wikipedia.org
“我们使用离散元法解出这些‘网球’的位置，在这些位置上我们解释在所有网球之间由流动产生的运动和摩擦。”Tano说，“之后我们使用在SANA实验中的热量测量值测试耦合模型。”
SANA实验在20世纪90年代早期进行，测量当热量从圆柱中心传递到外周时，反应堆中的机制是如何互相转换的。这项实验让Tano和Ragusa有了一个验证他们的模型的标准。
因此，他们的团队开发了一个耦合的计算流体力学-离散元方法模型，用于研究通过卵石床的流动。这个模型能被用于所有高温卵石床反应堆，且是同类中的第一个计算模型。就是这样高精度的工具让供应商能开发更好的反应堆。
“我们创造的计算模型帮助我们更好地评估反应堆中的不同物理现象。”Tano说，“因此，反应堆的运行利润更高，理论上产生更多的能量，同时反应堆安全性也增加。使用该模型，我们也能为能源部的熔盐反应堆做同样的事。”
现在人工智能发展迅速，它在计算模型和模拟上的应用也增加了。“我们在该领域正处在一个激动人心的阶段，”Ragusa说，“我们鼓励对计算模型感兴趣的学生伸出手去，因为这个领域很有可能会存在很长时间。”
作者：Laura Simmons
翻译：王嘉钰
审校：汪茹
引进来源：德州农工大学
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