Argonne udnytter virtuel kraft til at løse de mest komplekse udfordringer inden for nuklear videnskab

At designe en ny type atomreaktor er en kompliceret bestræbelse, der kræver milliarder af dollars og års udvikling. Hvad mere er, der er en bred vifte af forskellige foreslåede konfigurationer til næste generation af atomreaktorer, som forskerne håber vil producere elektricitet sikkert, omkostningseffektivt og effektivt.

På grund af de høje omkostninger, videnskabsmænd udnytter kraften i højtydende databehandling til at tackle mange af de udfordringer, der er forbundet med reaktordesign og ydeevne.

Ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, forskere kører en bred pakke af beregningskoder på laboratoriets supercomputere, der er placeret på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet, udnyttelse af ressourcer, der kun er tilgængelige på nogle få steder rundt om i verden, for at løse nogle af de mest komplekse og storstilede videnskabelige udfordringer.

"Vi har en god forståelse af de love, der ligger til grund for reaktorfysik og termisk hydraulik, så modellerings- og simuleringsværktøjer giver os muligheden for at analysere potentielle reaktordesign virtuelt, " sagde Argonne atomingeniør Emily Shemon.

Inde i modellen

Slutmålet med nuklear modellering og simuleringsindsats i Argonne og andre steder i DOE's nationale laboratoriekompleks er at fjerne nogle af de indledende forhindringer, som den nukleare industri står over for, når den overvejer design, licensering og implementering af næste generations reaktorer. "Formålet med laboratoriernes modelleringsindsats er at udfylde videnshullerne for industrien, " sagde Shemon. "De kan muligvis bruge vores koder og modeller til at informere deres designbeslutninger, hvis vi kan gøre noget af benarbejdet."

En stor forskningsindsats hos Argonne fokuserer på at simulere det turbulente flow i natriumkølede hurtige reaktorer. Disse reaktorer har fascineret videnskabsmænd i årtier på grund af deres evne til at bruge brændstof effektivt, producerer mindre affald end den eksisterende flåde af lette vandkølede reaktorer.

Natriumkølede hurtige reaktorer har også en betydelig iboende fordel:Der er adskillige indbyggede sikkerhedsforanstaltninger, der slår ind automatisk, selv i tilfælde, hvor reaktorsystemerne svigter.

Når kølevæske strømmer rundt om et bundt brændstofstifter i reaktorkernen, det fører varme væk fra brændstofsamlingen. Opvarmet natrium har tendens til at flyde oven på køligere natrium, skabe et lavalampe-lignende cirkulationsmønster, der forhindrer et område i at blive for varmt.

Visualisering af de indviklede bevægelser af hvirvler og hvirvler af varm og kold væske kræver højtydende databehandling, sagde Argonne beregningsingeniør Aleksandr Obabko. "Vi forsøger at modellere turbulens direkte, så tæt på den nødvendige opløsning som muligt, ved hjælp af supercomputere, " sagde han. "Vi har brug for supercomputere, fordi der er mange hvirvler at modellere, og fordi de alle bidrager til blandingsprocessen."

Argonne-forskere bruger også modeller til at illustrere de geometriske effekter af reaktoren eller brændstofsamlingen på varmetransporten og væskestrømmen.

At modellere blandingen og turbulensen i en atomreaktor, Obabko og hans kolleger bruger en beregningskode kaldet Nek5000 til at løse spørgsmål relateret til beregningsvæskedynamik. Nek5000 er en generel væskemekanikkode, der bruges til modellering af vaskulære strømme, aerodynamik, og forbrændingsmotorer samt atomreaktormiljøer.

Nek5000 giver en række fordele i forhold til konkurrerende beregningsalgoritmer, men mest bemærkelsesværdigt reducerer det dramatisk den tid og de beregningsmæssige omkostninger, der er nødvendige for at løse løsninger. "På det tidspunkt de fleste andre koder når 80 procent af løsningen, vi er på 90 procent, og det kan gøre en stor forskel med hensyn til computeromkostninger, " sagde Argonne beregningsforsker Paul Fischer, der har designet Nek5000.

Validering af modellerne og udforskning af nye grænser

På egen hånd, computerkoder kan kun kaste så meget lys over den indre funktion af en atomreaktor. At vide, hvor præcist outputtet af en beregningsmodel stemmer overens med virkeligheden, kræver evnen til at sammenligne resultaterne med data fra eksperimenter, en proces kendt som validering. For nogle avancerede reaktortyper, sådanne eksperimentelle data er begrænsede og dyre at generere for at dække alle designvariationer. Derfor, moderne modellerings- og simuleringsevner sigter mod at opnå et højere niveau af forudsigelse uden at stole så meget på eksperimenter.

"Vi kan stadig ikke stole fuldt ud på vores beregningsmodeller uden eksperimentelle data, men vi kan gøre brug af de begrænsede eksperimentelle data, der er tilgængelige, " sagde Shemon. "Så, hvad vi har, er en iterativ proces, hvor designere bruger vores software til at lave den foreløbige analyse, giver dem mulighed for at indsnævre designvalg eller foretage forbedringer af deres systemer, og validere deres endelige design med mere målrettede tests."

En virkelig brugbar model reproducerer ikke kun, hvad videnskabsmænd kan se eksperimentelt, men det kan også supplere kendte data og give forskere mulighed for at lave forudsigelser med mere selvtillid. Dette er især vigtigt for avancerede reaktordesigner med forskellige typer kølevæske og brændstofvalg.

Fordi der er så mange potentielle nye designs, der er blevet foreslået - lige fra natriumkølede hurtige reaktorer som dem, der er undersøgt af Obabko til dem, der er afkølet af gas eller af smeltede salte - repræsenterer avanceret databehandling den bedste vej, forskere har til at vurdere deres designs muligheder. .

I de fleste tilfælde, computerkoder skal udveksle oplysninger om varmeproduktionshastighederne, temperaturer, og spændinger og belastninger, fordi de neutroniske, termiske og strukturelle fænomener har indflydelse på hinanden. På denne måde Argonnes nukleare modelleringsprogram har to mål:For det første, at udvikle kernereaktorfysik, termisk hydraulik, struktur mekanik, og brændstof- og materialemodelleringsværktøjer; sekund, at skabe multifysiske analysefunktioner, der fanger den indbyrdes afhængighed mellem alle disse felter.

At høste fordelene

Selv når forskere ikke har mulighed for direkte at validere deres koder, udvikling af højere-fidelity tættere-på-første-principper-modeller repræsenterer en forbedring på mange måder i forhold til de lav-ordens koder, der kan være blevet valideret i fortiden. For eksempel, højere troskabskoder giver forskere mulighed for at opnå en mere præcis forståelse af mængder, som de tidligere kun havde en gennemsnitsværdi for.

"Tidligere lavordenskoder var nøjagtige, men de var, i en vis forstand, sløret, " sagde Shemon. "Disse nye high-fidelity-koder giver os muligheden for at være meget mere præcise med hensyn til energi, rum og tid."

En måde, hvorpå high-fidelity-koderne kan forbedre design og drift af en reaktor, er ved at reducere usikkerheden i de tolerancer - eller temperaturmargener - der kræves for sikker og effektiv reaktordrift. I et eksempel Argonne-forskere kører modeller med best-case scenarier, hvor brændstofstifter og deres beklædning er fremstillet nøjagtigt efter specifikationer. Derefter, de kører også worst-case scenarier, hvor disse komponenter adskiller sig fra deres ideal for at tage højde for usikkerheder og tolerancer, og sammenligne forskellen i, hvordan reaktoren virtuelt opfører sig, for at evaluere sikkerhedsmarginerne.

Efter Shemons opfattelse, dette projekt og andre hos Argonne støtter en bredere, overordnede mål. "Vores hovedmål er at øge tilgængeligheden af ​​information til avanceret reaktordesign, " sagde hun. "Vi forsøger at gøre det mere sikkert, hurtigere, mere økonomisk design gennem modellering og simulering. Alt, hvad vi gør, er rettet mod det."