桑迪亚国家实验室的工程师 Kyle Clavier(左)和 Dan Clayton 开发了一种标准化的筛选方法，以确定在不太可能发生的事件中由先进核反应堆产生的最重要的放射性同位素。图片来源：Craig Fritz/桑迪亚国家实验室
核能是稳定的碳中和电力的重要来源，先进的反应堆可以为美国电网增加更多核能，这对环境和经济至关重要。
几十年来，桑迪亚国家实验室一直支持核管理委员会在监管和许可核反应堆方面发挥作用。桑迪亚地球科学工程师 Kyle Clavier 说，随着许多先进的核反应堆设计正在开发以获得潜在许可，这种支持一如既往地重要。
桑迪亚为 NRC 许可工作提供的最新帮助之一是标准化筛选方法，以确定在不太可能发生事故时可能离开先进反应堆场址的最重要的放射性同位素。Sandia 团队最近将其应用于热管反应堆的 概念设计，并与 NRC 和更大的科学界分享了结果。
放射性同位素是元素的不稳定形式，作为成为更稳定同位素过程的一部分，它们会以各种形式的潜在有害辐射释放能量。例如，天然存在的氡 222 是铀衰变的产物，然后衰变为钋 218，释放出α辐射。这种衰变过程如果发生在某人的肺部，则特别有害，这就是为什么 EPA 敦促房主测试他们房屋中氡气的积聚。
“我们现在正在进行核复兴，出现了很多新的反应堆设计，这些设计承诺具有更多的被动安全功能，更加模块化并且比传统核反应堆具有其他优势，”一直致力于该方法并将其应用于示例反应器设计。“我们正在努力为 NRC 提供它需要的工具，以确保当这些新的先进反应堆获得许可时，NRC 可以准确地量化潜在风险，从而确保反应堆安全运行。”
热管反应堆是一种先进的设计，它使用惰性气体或液态金属等物质来冷却堆芯。这意味着该反应堆可能需要比轻水反应堆少得多的水，轻水反应堆使用普通水冷却核燃料并产生蒸汽来发电，同样积极参与该项目的桑迪亚核工程师丹·克莱顿 (Dan Clayton) 说。轻水反应堆是最常见的核电站设计类型。
此外，热管中的流体不需要任何移动部件(例如阀门或泵)来调节堆芯温度，这意味着它们不需要电力来确保反应堆的安全。
筛选名单
该团队的筛选方法从核反应堆可能产生的数千种放射性同位素的清单开始，并对它们进行分类以确定在不太可能发生事故的情况下对人类和环境构成最大风险的放射性同位素。
在热管反应堆的例子中，他们从橡树岭国家实验室的初步清单开始，预计这种反应堆会产生 1,200 多种放射性同位素。首先，他们去除了衰变非常快的同位素，Clavier 说。
例如，铑 106 是一种具有 45 个质子和 61 个中子的铑元素，其半衰期为 29.9 秒。这意味着 30 秒后，初始量的 106 铑的一半将变成 106 钯(一种具有 46 个质子和 60 个中子的稳定金属元素)，释放出 β 辐射。一分钟后，只有四分之一的铑 106 会保留下来。即使事故迅速发生，也只有极少量的铑 106 会影响人或环境。
然后，该团队通过删除非常稀有的同位素，特别是占清单总放射性的不到 0.0001% 的同位素，减少了清单。
“这种筛选方法背后的原因之一是确定实际上很重要的同位素，因为我们的资源有限，”克莱顿说。“我们希望能够专注于可能需要进一步研究的新放射性同位素，以确保 NRC 能够适当有效地审查安全应用。通过筛选出稀有同位素，我们可以减少评估这些同位素所需的成本和时间不影响安全的新反应堆。”
Clavier 说，选择前两种筛选方法与 1970 年代和 80 年代使用的方法相似，以确定轻水反应堆感兴趣的放射性同位素。利用这两次筛选，该团队制作了一份包含 110 种放射性同位素的目标清单，以供进一步研究。
量化健康影响
然后，该团队从每种放射性同位素中提取了一定数量，并使用环境保护局报告中的值确定了由此产生的辐射剂量。Clavier 说，剂量是该放射性同位素暴露对健康影响的数字表示。具体来说，他们能够使用Maccs等先进的计算机代码来计算放射性同位素在环境中的传输以及感兴趣的同位素对骨髓和肺部造成的危害——这两个器官可以很好地了解整体健康状况辐射暴露的影响。
将来自一定量放射性同位素的这些剂量值与热管反应堆库存中存在的该同位素的比例相结合，他们能够计算所研究的放射性同位素的短期和长期健康影响。然后他们将这些剂量值与等效剂量的碘 131 和铯 137进行了比较。
碘 131 是一种放射性同位素，它在常规核动力反应堆发生事故时造成的短期风险最大。这就是为什么在美国核电站附近分发碘化钾药片(它可以阻止人体摄入放射性碘)以防万一。Clavier 说，铯 137 是一种同位素，可以很好地代表传统核动力反应堆事故的长期风险。
他们在热管反应堆库存中发现了十几种放射性同位素，这些同位素可能造成与碘 131 相当的短期健康风险。热管反应堆库存中存在的四种放射性同位素可能造成与铯 137 同等的长期健康风险。
Clavier 说，虽然这项研究表明这些同位素可能对热管反应堆的未来后果评估很重要，但还需要更多的研究来改进热管反应堆的库存并确定在可能发生的事故中可能释放的同位素比例。
Clavier 和 Clayton 表示，未来，来自桑迪亚和 NRC 的科学家将能够使用这种透明且可追溯的方法，从其他先进核反应堆设计的清单中确定目标关注的放射性同位素清单。
“我们发现了许多放射性同位素，超出了我们已经考虑用于轻水反应堆的那些，它们对于后果分析很重要，”克拉维尔说。“然而，这项研究的目的是开发一种可以应用于任何反应堆设计的方法，因为这些反应堆的库存信息变得可用。选择热管反应堆来演示该方法。令人兴奋的是能够利用我们的专业知识协助美国监管机构准备新反应堆的许可。”
