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

通過利用一種稱為多學科設計優化的技術，該項目旨在進一步加強加拿大對廢核燃料的長期管理。 

NWMO 工程師兼 機械與工業工程系教授Kamran Behdinan實驗室的彈性時間博士候選人Grant Minor說：“廢燃料包裝廠將是加拿大此類工廠” 在應用科學與工程學院。“這對加拿大來說是一項巨大的基礎設施投資。” 

目前，19 個加拿大氘鈾 (CANDU) 反應堆提供加拿大約 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劃，稱為適應性分階段管理，由 NWMO 實施，該非營利組織于 2002 年根據聯邦的《核燃料廢料法》成立。該組織負責設計和實施加拿大的安全長期管理計劃。   

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

一旦用過的燃料從反應堆中取出，它首先進入濕式儲存，在那里放置 7 到 10 年，然后再轉移到干式儲存。加拿大約有 320 萬個用過的 CANDU 核燃料束，分布在核反應堆場址之間。 

適應性分階段管理計劃——由安大略發電、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深層地質儲存庫中。但在此之前，需要從核反應堆現場接收用過的核燃料，對其進行檢查并重新包裝到用過的燃料容器中。這將發生在廢燃料包裝廠——處置場的一個重要地面設施。  

Minor 的博士研究重點是為該設施尋找設計和布局，員工將使用遠程處理技術、機器人技術和自動化系統控制流程的各個方面。  

“廢燃料包裝廠的關鍵操作是處理高放射性核材料，因此它必須非常可靠地運行，”Minor 說。“保護環境、公共安全和工人安全是并將成為 NWMO 在設計、開發、施工、調試和未來運營和維護期間的優先事項。 

“我看到了將多學科設計優化應用于核設施的機會。Behdinan 教授是 [多學科設計優化] 領域的專家，在該技術方面擁有多年經驗。”? 

Kamran Behdinan 教授擔任加拿大自然科學與工程研究委員會多學科工程設計主席（攝影：Ray Cheah）

多學科設計優化是一種用于創建系統的方法，其中集成了多個工程學科，例如機械、電氣、控制和自動化、制造、過程和可靠性工程。它提供了解決多學科設計問題的整體方法。 

在過去的幾十年里，多學科設計優化一直被用于航空航天工業，并被證明在飛機及其許多部件的結構設計中至關重要。近，Behdinan 還將該方法應用于汽車、先進制造和生物醫學設計。   

“當你處理一個非常復雜的系統時，這種方法非常有效，”擔任加拿大自然科學和工程研究委員會多學科工程設計主席的 Behdinan 說。  

“這是一種在這些工程學科之間進行交互的結構化方式——不僅是為了優化，而且是為了了解這些學科中的設計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等大型系統整體設計中的部件。” 

就飛機而言，每克重量都關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 來評估他們的每個設計決策。   

通過同時探索不同工程學科使用的數學優化方程，Behdinan 和 Minor 等研究人員可以了解它們如何相互關聯，從而創建盡可能高效運行的安全可靠設計。 

“NWMO 就該廢燃料包裝廠的安全可靠設計和運營向公眾負責，”Minor 說。  

“該工廠每年必須處理大約 120,000 個用過的燃料束。它必須每年運行 250 天，同時可靠且具有成本效益。設施設計還必須符合加拿大核安全委員會的規定、其他適用的法律、法規、規范和標準，以及工程實踐。”?  

Minor 開發了一個初步框架，用于簡化對廢燃料包裝廠中將發生的過程的研究，著眼于三個學科：輻射分析、成本分析和可靠性分析。  

例如，包裝廠將有遠程控制的機器來關閉用過的燃料容器，并且該機器必須按順序運行以對每個容器執行這些過程。該團隊正在尋找將處理單元中的設備分開的方式——從所有設備都在一條線上的設置到每個設備都在其自己的隔離外殼中。  

設計目標包括限度地減少與工廠中使用過的核燃料管理相關的風險——例如，減少不必要的燃料處理步驟和環境之間不必要的使用過的燃料轉移將是一個重點。  

Minor 和 Behdinan 將合作為核燃料處置設施開發新的優化技術，旨在提高安全性、改善運營和可靠性并削減成本。   

“我們還沒有看到 [多學科設計優化] 在核廢料管理領域的應用，”Behdinan 說。   

“但是核廢料管理系統的整體設計涉及很多學科，這就產生了很多設計變量。我們想優化它們，因為我們想充分利用工廠。優化總是關于更好的解決方案。”