拯救美国的核工业

从暗暗峡谷在加州中央海岸到土耳其点佛罗里达州东南部，美国是在62个核电站的99个核电反应堆，产生了大约20％的国家电能。但在一个行业困扰着颠覆性技术和强烈的竞争压力，美国核能中的未来是一定的。

在状态报告中公布的去年秋天，核能研究所——该行业最重要的游说组织——描绘了一幅严峻的图景，指出经济、监管和市场力量的“完美风暴”可能使核电运营商陷入赤字潮。风能和太阳能等可再生能源正在获得市场份额，而从页岩中提取的大量低成本天然气正在压低能源价格。与此同时，自经济衰退以来，消费者对电力的需求基本持平，预计至少在未来十年，其年增长率将低于1%。

这些经济压力也造成了不良。自2013年起五个核电厂已经关闭了全国19个反应堆目前正在退役，根据核监管委员会．更多的是一定要遵循。

在过去的二十年里，美国只有一家新的商业反应堆在美国上网：东田纳西州的瓦特酒吧单元2开始于去年10月开始运营。反应堆的历史强调了该行业面临的挑战。田纳西州谷权威于1973年在该网站上建设两台反应堆，但由于削弱了电力和一系列监管问题，1985年暂停了第2款。TVA于2007年恢复了反应堆的建设，在项目破裂地面后，完成工作超过四十年，总费用为64亿美元。

四个新的反应堆是在南正在建设中 - 两个在格鲁吉亚和两个在南卡罗来纳州 - 在电力市场仍然受到严格调控，使核运营商从不受约束的竞争，一些保护。尽管如此，反应堆建设极为复杂，费时和昂贵，使得新的核电厂建在全国各地昂贵。

2015年，研究人员汤姆·斯泰西和乔治·泰勒进行了一项研究能源研究所估计即使是打破，一个新的反应堆必须每兆瓦的电力收取84.50美元。对于新的传统天然气厂的突破点，这超过了每兆瓦的18美元。

不足为奇的是，研究人员发现，现有的核反应堆在能源市场上有显著的成本优势，因为他们的建设费用是几十年前发生的，使他们能够在平均29.60只是$每兆瓦时甚至断裂。

结论很明显:只有核运营商找到提高电力、效率和现有反应堆寿命的方法，核能才能继续在美国能源组合中占据重要地位。北卡罗来纳州立大学是一个团队的一部分，致力于帮助他们做到这一点。

创新中心

大卫Kropaczek打开了他的电脑上的幻灯片演示，显示页面挤满了三十多家实体试图挽救美国的核工业，包括一些国家的顶尖研究型大学，实验室和能源公司的名称和标志。

在页面的中心是标志橡树岭国家实验室该机构成立于1943年，是联邦研究机构的先驱，致力于利用原子的能量。在第二次世界大战期间，它位于田纳西州农村的庞大校园是绝密曼哈顿计划的主要研究地点。今天,它是美国能源部最大的科学和能源研究实验室，以及泰坦的家，一个超级计算机，具有299,000个处理器核心和710岁的系统内存，每秒高出27,000多万亿计算。

杜克大学核工程专业的杰出教授Kropaczek是一组多学科研究人员中的一员，他们利用泰坦的计算能力来解决核能面临的最大技术挑战。能源部雄心勃勃的项目叫做CASL轻水堆先进模拟联盟，是一个10年，2.43亿美元的努力，通过科学创新来提示核对核对之部。

Kropaczek最近以首席科学家的身份加入了该项目，他说CASL专注于能够在行业现有环境中实施的现实世界解决方案。“这是一个里程碑式的研发工作，”他说。“我们关注的是许多、许多年都没有解决的问题。”

该财团具有非常真实的历史意义。它是美国能源部自2010年以来建立的五个能源创新中心之一，旨在应用多学科系统方法克服能源技术变革进步的关键技术障碍。

在它的创始合伙一些在核能的历史上最重要的名字。除牵头组织，橡树岭国家实验室，有洛杉矶阿拉莫斯国家实验室在新墨西哥州，其他网站在美国军队在1945年的第一个原子武器的研制工作;爱达荷国家实验室，科学家在1951年首先从核反应堆发电;NC国家成为1953年第一届学术机构运营反应堆;和行业领导者西屋，这在1960年设计了第一家全商业加压水反应器。

其他合作伙伴包括桑迪亚国家实验室,密歇根大学,马萨诸塞州理工学院,田纳西州谷权威和电力科学研究院．

贴合，Kropaczek的北卡罗莱纳州的办公室是在伯灵顿工程实验室，一旦被美联社科学编辑为标有本世纪中叶玻璃和砖瓦结构大学的Pulsar反应堆只是上面两层的“原子的第一庙”。由于他负责管理分散在全国各地，并分为六个技术重点领域的科学家团队的工作，Kropaczek似乎更像是一个外交官不是牧师。毕竟，面对核工业面临的最大问题是如此复杂，它需要科学家与专业知识合作，甚至开始寻找解决方案的众多领域。一个学科的词汇听起来像是一门外语在另一个领域的科学家。

Kropaczek半开玩笑地说:“我们学到的最令人惊讶的事情是，不同的团队可以一起工作。”“我们已经证明，来自不同大学和不同实验室的人，有些来自产业界，有些来自政府和学术界，可以走到一起，做出伟大的事情。”

世界上最安全的反应堆

在CASL方案的核心是所谓的VERA，简称为反应堆应用虚拟环境中的复杂的虚拟核反应堆，可以精确地模拟涉及到几十个因素和力量的复杂反应器的操作 - 如热工水力，燃料化学和材料特性 - 所有一路下跌到原子尺度。这是一个改变游戏规则的科学家和工程师寻求理解和解决看似棘手的问题。

从本质上讲，VERA作为世界上最安全的反应堆运行，允许研究人员在计算机上推进反应堆性能的边际——蒸汽管道破裂或燃料棒磨损不需要花费任何成本，不会伤害任何人，只需敲击键盘即可修复。

如果我们想要转向电动汽车，停止燃烧化石燃料，那么电力将从哪里来呢?

VERA采用了一种称为耦合多物理的计算方法，它允许研究人员将多个现象的模型组合成一个单一的模拟。例如，核工业最大的技术挑战之一是粗糙，这是核工程师用来形容在燃料棒上积聚的粒子的术语。克罗帕泽克解释说:“杂质实际上可以极大地改变反应堆的功率形状。”“许多反应堆都经历了原油引发的动力转移，还有一些反应堆经历了原油引发的腐蚀。”

为了了解反应器内的条件，导致CRUD开发，Casl研究人员创建了一种腐蚀性材料的3D模型。该模型可以在VERA上运行作为独立应用，或者它可以与模拟燃料杆周围的水流的程序以及反应器内部中子和材料的相互作用耦合。由于VERA，研究人员可以预测在不同的操作条件下的燃料棒上积聚多少CRUD以及它将如何影响反应堆的功率水平。Vera将允许研究人员测试可以帮助核运营商管理CRUD积累的想法，最终降低了对昂贵的功率减少的需求。

CASL后

CASL研究人员一直在考虑当节目的联邦资金在两年内耗尽会发生什么情况他们所有的创新团队合作。其中，中飞的教育使命进场那是迈克尔Doster，核工程的杰出校友本科教授谁在北卡罗来纳州从Kropaczek作品在大厅说。

多斯特是CASL教育项目的负责人，他最近的研究重点是部署小型模块化反应堆，这种反应堆可以在工厂生产，成本只是传统反应堆的一小部分。他解释说:“我们正在尝试将我们正在开发的建模和仿真技术——我们正在创建的软件和新工具——应用到教室和行业培训项目中。”

国家统计局的教授和学生普尔管理学院也称为，为赌场实体创造业务计划，可以继续与行业合作伙伴的演唱会的一些计划的研发工作。

“核心在稳定的能量电网中发挥着重要作用，”Doster说。“如果我们想搬到电动车并停止燃烧化石燃料，那么电力就会来自哪里？”

Doster最近的研究表明，在未来几年的一些社区中，小型模块反应堆可能成为可行的选择，特别是随着美国的第一代反应堆，达到其生命跨度的极限。“有人致力于部署该设计的反应堆的策略，”他解释道。“他们将需要增强的建模和模拟能力，这些功能将受益于现在在CASL中的开发。”