Över hela landet, Miljövänliga forskare och ingenjörer leder en ny generation av kärnreaktorkonstruktioner. De ser kärnkraften som en ren, kolfri energikälla tillsammans med vattenkraft, vind, och solenergi.

Flera av de innovativa, nästa generations reaktorkonstruktioner är säkrare, mindre, modul, och mer mobil. De kan driva rymdflygningar, drivs med återvunnet kärnbränsle, och även fungera som bärbara generatorer för katastrofinsatser. En design, smältsaltreaktorer (MSR), tar fart i kärnkraftssamhället.

Men, innan någon av dessa nya reaktordesigner blir verklighet, de måste genomgå många omgångar av säkerhets- och driftstester.

Den mödosamma uppgiften att förbättra och testa reaktorer har precis blivit lättare, tack vare en innovation från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som kombinerar fjärrkontroll, realtidstestning och kontinuerlig övervakning av biprodukter från gasen. Tillsammans med ett mjukvarupaket riktat till anläggningsoperatörer, utvecklingen lägger grunden för fjärr, nästan omedelbar övervakning i en ny era av reaktordesign.

"Realtidsövervakning är ett värdefullt verktyg, särskilt i utvecklingen av nästa generations reaktorer. Detta kan hjälpa designers att designa och testa flödesslingor mer effektivt och effektivt, mekanismer, eller processer, sa Amanda Lines, en PNNL-kemist. "Också, när de till slut distribuerar sina reaktorsystem, detta ger operatörerna ett verktyg för att bättre förstå och kontrollera dessa processer."

Ett kemiskt recept, bara bakåt

En viktig biprodukt från kärnkraftsproduktion är jod, som tillverkas i flera former. I reaktorer med smält salt i flytande bränsle, Jodföreningar skulle övervakas genom att ta prover vid kraftverk och analysera dem i ett avlägset laboratorium. Denna metod är både långsam och dyr - för att inte tala om de extra säkerhetsutmaningarna och komplexiteten med att analysera radioaktiva prover i ett laboratorium. Realtidsövervakning involverar ingen direkt mänsklig interaktion med proverna, och erbjuder en mindre riskabel, effektivare alternativ.

"Det är en riktig gamechanger när det gäller de steg du måste gå igenom, och tidslinjen för att prova jod och andra kemiska arter, sa Lines.

Avgasklyvningsprodukter produceras i alla kärnreaktorer. Jodgas är ett särskilt problem eftersom det är radiotoxiskt, kan lätt förångas och, om den släpps, blir luftburet. Driften av reaktorer med smält salt skulle kräva att jod behandlas och skrubbas från systemet eftersom det produceras i realtid. Detta är inte nödvändigt i konventionella lättvattenreaktorer eftersom joden är fångad i bränslestavarna. För att möjliggöra realtidsskrubbningen, Operatörer av smältsaltreaktorer kommer att behöva kontinuerlig information om jodnivåer.

De befintliga processerna för att spåra radiojodnivåer är komplexa och dyra. Detta innebär att packa upp kemiskt beteende på molekylär nivå, eftersom jod kontinuerligt kan förvandlas genom att binda till andra element, skapa nya molekyler med olika egenskaper. Det här skulle vara som att baka en kryddkaka och sedan be någon lista ut varje ingrediens.

Jagar kemiska fingeravtryck

Forskargruppen fokuserade sina sikte på att inrikta sig på två vanliga former av jod - jodmonoklorid och elementärt jod - och anropa metoder för att kvantifiera var och en. Målet var att söka efter de kemiska "fingeravtrycken" för varje typ av jod som produceras med två vanliga kemiska analystekniker - Raman-spektroskopi och Fourier-transform infraröd spektroskopi.

Även om spektroskopiavläsningarna är användbara för forskare, det var viktigt att konvertera dessa data till användbar information för operatörerna.

"Vi vill ha en utgång som är lätt att förstå, speciellt för någon som inte har ägnat flera år av sitt liv åt att stirra på spektrometridata, sa Lines.

Mjukvarulösningar för avgasövervakning

Teamet utvecklade också programvara som tar mycket känsliga, spektroskopiska ljusavläsningar från befintliga, off-the-shelf-teknik och omvandlar denna data till realtid, användbar information för anläggningsoperatörer. Nästa, teamet planerar att ta vad de har lärt sig från dessa studier och utöka det till andra biproduktgaser.

"I slutändan är dessa verktyg som kan hjälpa till att utöka forsknings- och utvecklingsinsatser, särskilt när det gäller nästa generations reaktordesign och testning. Realtidsövervakning kan möjliggöra nya typer av reaktorer genom att lösa problem på fronten, sa Sam Bryan, en PNNL-laboratoriestipendiat och kemist.

Dela kunskapen

Forskargruppen är baserad i PNNL:s Radiochemical Processing Laboratory, en kärnkraftsforskningsanläggning utan reaktor, och inkluderar:Amanda Lines, Sam Bryan, Tim J. Johnson, Heather Felmy, Kendall Hughey, Ashley Bradley, Russell Tonkyn, Thomas Blake, Andrew Clifford, Adan Schafer Medina, Richard Cox, och Jennifer Wilson.