美國核實(shí)驗(yàn)室的“彩虹裝置”：讓核試驗(yàn)像看電視一樣直觀

數(shù)千盞LED燈閃爍交替，一個(gè)電話亭般大小的裝置在黑暗中搖曳出彩虹色的光芒。

這不是藝術(shù)裝置，而是美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室最新推出的秘密武器。這個(gè)名叫ViBRANT的裝置用光子代替中子，用無害的照明系統(tǒng)模擬真實(shí)核反應(yīng)堆的復(fù)雜物理過程。

它的出現(xiàn)意味著核反應(yīng)堆的開發(fā)和測(cè)試從此進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆開發(fā)面臨一個(gè)根本性的悖論：你無法通過實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)如何控制真實(shí)反應(yīng)堆，因?yàn)槿魏螌?shí)驗(yàn)失誤都可能造成災(zāi)難。

工程師們只能依靠純理論、計(jì)算機(jī)模擬和極其昂貴的真實(shí)反應(yīng)堆測(cè)試。這限制了他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ下宋⑿头磻?yīng)堆技術(shù)的發(fā)展速度。

ViBRANT改變了這個(gè)游戲。

愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的研究員托尼·克勞福德博士設(shè)計(jì)出了這個(gè)裝置，它用光學(xué)物理學(xué)的原理來模擬核物理學(xué)的現(xiàn)象。

當(dāng)ViBRANT啟動(dòng)時(shí)，數(shù)千個(gè)LED燈開始按照精心編程的節(jié)律閃爍。這些光子的亮度和顏色變化代表了真實(shí)反應(yīng)堆中的熱量分布和中子反饋。

整個(gè)系統(tǒng)配備了傳感器，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)光的強(qiáng)度和頻率，反過來驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)做出調(diào)整。

克勞福德說得形象："燃料和危險(xiǎn)的反射層、吸收層材料被完全無害的光學(xué)材料所取代。所有真實(shí)反應(yīng)堆的危險(xiǎn)都被降低到安全且可控的水平。"

更巧妙的是，ViBRANT的控制系統(tǒng)MACS采用了與MARVEL微型反應(yīng)堆完全相同的機(jī)電裝置。

這意味著工程師測(cè)試的是真實(shí)的執(zhí)行器、真實(shí)的控制邏輯、真實(shí)的傳感器反饋環(huán)路。唯一不同的只是能源來自LED而不是核裂變。

結(jié)果是一個(gè)混合系統(tǒng)，既保留了真實(shí)的硬件和物理，又完全消除了輻射危害。

ViBRANT的實(shí)用價(jià)值超出了預(yù)期。

首先是訓(xùn)練時(shí)間的急劇壓縮。MARVEL反應(yīng)堆從冷啟動(dòng)到達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)需要整整一天。但在ViBRANT上，同樣的過程只需要10分鐘。

這意味著工程師可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行數(shù)十次完整的啟停循環(huán)，獲得在真實(shí)反應(yīng)堆上需要數(shù)周才能得到的經(jīng)驗(yàn)。

其次是成本的大幅降低。不再需要用珍貴的核燃料和專業(yè)的防護(hù)設(shè)備來進(jìn)行控制系統(tǒng)的測(cè)試。任何工程師、學(xué)生甚至非專業(yè)人士都能走進(jìn)去，看著五彩斑斕的燈光變化，直觀地理解反應(yīng)堆的工作原理。

克勞福德指出這個(gè)優(yōu)勢(shì)："操作起來就像看電視一樣直觀。反應(yīng)堆開發(fā)過程中的幾乎每個(gè)人，從建模人員到控制系統(tǒng)開發(fā)人員再到裝配人員，都可以參與其中并學(xué)習(xí)。"

但最重要的是，ViBRANT已經(jīng)在真實(shí)的工程問題中發(fā)現(xiàn)了價(jià)值。

在一次測(cè)試中，工程師們發(fā)現(xiàn)MARVEL反應(yīng)堆的一款執(zhí)行器設(shè)計(jì)在緊急停堆工況下會(huì)發(fā)生滑移。這是一個(gè)致命的缺陷，因?yàn)樵诤税踩年P(guān)鍵時(shí)刻，執(zhí)行器必須完全可靠。

問題源自執(zhí)行器采用的滾筒軸承設(shè)計(jì)，在某些條件下會(huì)改變摩擦力，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

多虧了ViBRANT的安全環(huán)境，工程師能夠在原型成型前發(fā)現(xiàn)并重新設(shè)計(jì)了這個(gè)部件。這樣的發(fā)現(xiàn)如果發(fā)生在真實(shí)反應(yīng)堆的測(cè)試中，后果不堪想象。

ViBRANT還被用來驗(yàn)證RELAP、MCNP和MOOSE等先進(jìn)的核建模軟件。

通過將這些復(fù)雜的數(shù)字模型與物理組件和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)連接，愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)能夠不斷改進(jìn)模擬代碼和算法。

這創(chuàng)造了一個(gè)正反饋循環(huán)：更好的代碼導(dǎo)致更好的設(shè)計(jì)，而物理驗(yàn)證又進(jìn)一步完善代碼。

ViBRANT的背景是MARVEL項(xiàng)目，一個(gè)雄心勃勃的微型反應(yīng)堆計(jì)劃。

MARVEL采用鈉鉀冷卻技術(shù)，設(shè)計(jì)發(fā)電量僅為85千瓦，足以為數(shù)據(jù)中心或海水淡化廠供電。

這些小型反應(yīng)堆代表了核能的未來：分布式、可控、安全。

但要讓這個(gè)未來變成現(xiàn)實(shí)，需要克服無數(shù)的工程挑戰(zhàn)。ViBRANT正是這些挑戰(zhàn)的解決方案。

它不僅加速了MARVEL的開發(fā)，更重要的是建立了一個(gè)模板，用來開發(fā)和測(cè)試下一代核技術(shù)。

從這個(gè)角度看，這盞閃爍的LED燈房間可能正在塑造核能的未來。