多倫多大學(xué)的研究人員正在與核廢料管理組織 (NWMO) 合作，優(yōu)化處理用過的核燃料包的新工廠的設(shè)計(jì)和布局。 

通過利用一種稱為多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)，該項(xiàng)目旨在進(jìn)一步加強(qiáng)加拿大對廢核燃料的長期管理。 

NWMO 工程師兼 機(jī)械與工業(yè)工程系教授Kamran Behdinan實(shí)驗(yàn)室的彈性時(shí)間博士候選人Grant Minor說：“廢燃料包裝廠將是加拿大此類工廠” 在應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院。“這對加拿大來說是一項(xiàng)巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資?！?nbsp;

目前，19 個(gè)加拿大氘鈾 (CANDU) 反應(yīng)堆提供加拿大約 15% 的電力。安大略省的比例更高，加拿大四座運(yùn)行中的核電站中有三座位于安大略省，目前 56% 的電力來自核能。  

加拿大的核廢料管理計(jì)劃，稱為適應(yīng)性分階段管理，由 NWMO 實(shí)施，該非營利組織于 2002 年根據(jù)聯(lián)邦的《核燃料廢料法》成立。該組織負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和實(shí)施加拿大的安全長期管理計(jì)劃。   

CANDU 反應(yīng)堆通過使用天然鈾的反應(yīng)提供燃料，這種反應(yīng)由重水的一種成分氘緩和。燃料進(jìn)入壓力管，壓力管由稱為排管的大型圓柱形容器固定，根據(jù)反應(yīng)堆配置，排管在運(yùn)行時(shí)可容納大約 5,000 根燃料束。每個(gè) CANDU 燃料束——大約一個(gè)壁爐原木那么大——含有大約 20 公斤鈾，可以為 100 個(gè)家庭提供一年的電力。這些束在反應(yīng)器中停留 15 到 18 個(gè)月。   

一旦用過的燃料從反應(yīng)堆中取出，它首先進(jìn)入濕式儲(chǔ)存，在那里放置 7 到 10 年，然后再轉(zhuǎn)移到干式儲(chǔ)存。加拿大約有 320 萬個(gè)用過的 CANDU 核燃料束，分布在核反應(yīng)堆場址之間。 

適應(yīng)性分階段管理計(jì)劃——由安大略發(fā)電、加拿大原子能有限公司、魁北克水電公司和 NB Power 資助——要求用過的燃料被包含和隔離在一個(gè)深層地質(zhì)儲(chǔ)存庫中。但在此之前，需要從核反應(yīng)堆現(xiàn)場接收用過的核燃料，對其進(jìn)行檢查并重新包裝到用過的燃料容器中。這將發(fā)生在廢燃料包裝廠——處置場的一個(gè)重要地面設(shè)施。  

Minor 的博士研究重點(diǎn)是為該設(shè)施尋找設(shè)計(jì)和布局，員工將使用遠(yuǎn)程處理技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化系統(tǒng)控制流程的各個(gè)方面。  

“廢燃料包裝廠的關(guān)鍵操作是處理高放射性核材料，因此它必須非?？煽康剡\(yùn)行，”Minor 說。“保護(hù)環(huán)境、公共安全和工人安全是并將成為 NWMO 在設(shè)計(jì)、開發(fā)、施工、調(diào)試和未來運(yùn)營和維護(hù)期間的優(yōu)先事項(xiàng)。 

“我看到了將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用于核設(shè)施的機(jī)會(huì)。Behdinan 教授是 [多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化] 領(lǐng)域的專家，在該技術(shù)方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)?！? 

Kamran Behdinan 教授擔(dān)任加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)多學(xué)科工程設(shè)計(jì)主席（攝影：Ray Cheah）

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一種用于創(chuàng)建系統(tǒng)的方法，其中集成了多個(gè)工程學(xué)科，例如機(jī)械、電氣、控制和自動(dòng)化、制造、過程和可靠性工程。它提供了解決多學(xué)科設(shè)計(jì)問題的整體方法。 

在過去的幾十年里，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化一直被用于航空航天工業(yè)，并被證明在飛機(jī)及其許多部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。近，Behdinan 還將該方法應(yīng)用于汽車、先進(jìn)制造和生物醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)。   

“當(dāng)你處理一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，這種方法非常有效，”擔(dān)任加拿大自然科學(xué)和工程研究委員會(huì)多學(xué)科工程設(shè)計(jì)主席的 Behdinan 說。  

“這是一種在這些工程學(xué)科之間進(jìn)行交互的結(jié)構(gòu)化方式——不僅是為了優(yōu)化，而且是為了了解這些學(xué)科中的設(shè)計(jì)變量如何相互作用和相互影響。這使我們能夠分析和評估將集成到飛機(jī)等大型系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中的部件。” 

就飛機(jī)而言，每克重量都關(guān)系到燃油效率和化有效載荷（乘客、行李和貨物），工程師使用 MDO 來評估他們的每個(gè)設(shè)計(jì)決策。   

通過同時(shí)探索不同工程學(xué)科使用的數(shù)學(xué)優(yōu)化方程，Behdinan 和 Minor 等研究人員可以了解它們?nèi)绾蜗嗷リP(guān)聯(lián)，從而創(chuàng)建盡可能高效運(yùn)行的安全可靠設(shè)計(jì)。 

“NWMO 就該廢燃料包裝廠的安全可靠設(shè)計(jì)和運(yùn)營向公眾負(fù)責(zé)，”Minor 說。  

“該工廠每年必須處理大約 120,000 個(gè)用過的燃料束。它必須每年運(yùn)行 250 天，同時(shí)可靠且具有成本效益。設(shè)施設(shè)計(jì)還必須符合加拿大核安全委員會(huì)的規(guī)定、其他適用的法律、法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及工程實(shí)踐。”?  

Minor 開發(fā)了一個(gè)初步框架，用于簡化對廢燃料包裝廠中將發(fā)生的過程的研究，著眼于三個(gè)學(xué)科：輻射分析、成本分析和可靠性分析。  

例如，包裝廠將有遠(yuǎn)程控制的機(jī)器來關(guān)閉用過的燃料容器，并且該機(jī)器必須按順序運(yùn)行以對每個(gè)容器執(zhí)行這些過程。該團(tuán)隊(duì)正在尋找將處理單元中的設(shè)備分開的方式——從所有設(shè)備都在一條線上的設(shè)置到每個(gè)設(shè)備都在其自己的隔離外殼中。  

設(shè)計(jì)目標(biāo)包括限度地減少與工廠中使用過的核燃料管理相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)——例如，減少不必要的燃料處理步驟和環(huán)境之間不必要的使用過的燃料轉(zhuǎn)移將是一個(gè)重點(diǎn)。  

Minor 和 Behdinan 將合作為核燃料處置設(shè)施開發(fā)新的優(yōu)化技術(shù)，旨在提高安全性、改善運(yùn)營和可靠性并削減成本。   

“我們還沒有看到 [多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化] 在核廢料管理領(lǐng)域的應(yīng)用，”Behdinan 說。   

“但是核廢料管理系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)涉及很多學(xué)科，這就產(chǎn)生了很多設(shè)計(jì)變量。我們想優(yōu)化它們，因?yàn)槲覀兿氤浞掷霉S。優(yōu)化總是關(guān)于更好的解決方案。”