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澳门永利网址网页版登录:科研动态 | 澳门永利网址网页版登录在核取证研究上取得重要进展

发布人:周越

       近日,中山大学澳门永利网址网页版登录与中国工程物理研究院战略研究中心在核取证研究取得重要进展,深度溯源6种反应堆中辐照后燃料的初始富集度与燃耗、以及区分压水堆(PWR)与沸水堆(BWR)。该成果已于美国当地时间3月9日在线发表在美国物理学会旗下的应用物理领域主流期刊Physical Review Applied上,题为“Linear Regression and Machine Learning for Nuclear Forensics of Spent Fuel from Six Types of Nuclear Reactors”。该论文入选美国物理学会Physical Review系列期刊的“物理亮点(Featured in Physics)”,由其Physics杂志高级编辑David Ehrenstein撰写的题为“Finding the Source of Illicit Nuclear Material”科普文章同时在线报道。 

       反应中的一个很常见的问题是通过反应产物推断反应物和反应过程,这是个典型的逆问题或反问题。对于核反应堆,确定初始富集度的燃料在经历一定的燃耗后,乏燃料中会包含各种锕系核素和裂变产物。反之,如果知道最后产物的浓度,也有可能反推初始富集度和燃耗。核取证作为一门新兴学科,通过对核走私以及核爆炸样品的分析进行溯源,能够有效地防范核扩散和核威胁。其中,乏燃料的扩散最具潜在威胁性,之前的许多研究一直在寻找合适的表征参数来判断乏燃料的来源信息,包括它的初始富集度,反应堆类型以及燃耗等,但少有较为有效地进展。一方面在于实验测量数据的匮乏,以往的研究往往采用基于模拟数据的统计分析,难以得到高可信度的结果;另一方面,反应堆作为一个复杂体系,其中子输运-燃耗耦合为高度非线性问题,反应产物的浓度变化与各种溯源信息之间并不存在简单的对应关系。

       本工作提出了一种新思路解决此问题,也即使用了两组核素比例的线性组合作为表征依据。基于OECD核能署发布的乏燃料(测量)数据库SFCOMPO-2.0,本工作挑选了测量数据较多的铀、钚的7种长寿命同位素,按两组核素比相组合,进行穷举分析,发现PWR,BWR,VVER-400,VVER-1000,MAGNOX和AGR共6种类型的反应堆中辐照后的燃料内确实存在相应的线性约束,并确定了与之相关的模型;基于开源蒙特卡洛程序OpenMC模拟的PWR与BWR数据亦符合上述模型。此外,通过机器学习的方法,发展了基于两组核素比例的区分中子学性质相近的PWR与BWR。

图1:以PWR与BWR为例,选取的两组同位素比值R1与R2(左)以及基于R1与R2的模型预测与真实富集度比较(右)。

图2:3种方法对应的PWR与BWR区分结果。

       这些模型可以作为核取证的特征依据,有效地提取以上6种类型的反应堆的初始富集度和燃耗信息,并能够区分辐照环境为PWR或BWR,具有重要的应用价值。此论文入选Physical Review系列期刊论文中的“物理亮点(Featured in Physics)”,在美国物理学会的物理杂志Physics上报道。“物理亮点”文章筛选苛刻,大多数入选论文出自物理学顶级期刊Physical Review Letters,其余Physical Review系列期刊入选率为1%左右,其中Physical Review Applied创刊以来共发表5481篇论文,仅有77篇入选。

      本工作得到了澳门永利网址网页版登录的大力支持,开始于2021年大澳门永利网址网页版登录创新创业训练计划项目“溯源取证压水堆重要运行参数的研究”,并进一步拓展研究成为本科毕业课题。18级5位本科生王天翔、张中、李润锋、袁溯、张瑞浥在陈胜利助理教授与袁岑溪副教授的指导下参与并完成了各自的本科毕业论文(PWR与BWR分类、初始富集度拟合、PWR模拟、BWR模拟、燃耗拟合)。

       澳门永利网址网页版登录自成立以来,一直坚持一人一题、团队合作的本科毕业论文模式,即3-5名澳门永利网址网页版登录组成团队开展合作研究,共同攻关一个较为复杂的前沿问题,一起完成团队研究报告及分别撰写各自毕业论文,并在中期检查和毕业答辩中采用团队方式进行全英文答辩,极大地锻炼了澳门永利网址网页版登录的创新能力、合作能力和交流能力。

       本工作为中山大学澳门永利网址网页版登录与中国工程物理研究院战略研究中心合作完成。“百人计划”助理教授陈胜利博士为本文第一作者,袁岑溪副教授为通讯作者,张纯禹副教授与战略研究中心朱剑钰副研究员为共同作者。

   本研究由国家重点研发项目(2018YFB1900405)、国家自然科学基金项目(12205390)、广东省基础与应用基础重大项目(2021B0301030006)、广东省国际科技合作项目(2019A050510022)、广东省重大科技专项(2019B030302011)、中央高校基本业务费(22qntd1801)支持。

 

全文链接:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.034028

Physics科普文章链接:https://physics.aps.org/articles/v16/s38

 

图文:陈胜利

初审:袁岑溪、周越

审核:刘李云

审核发布:徐瑶