Computersimulering af kogende fænomener, bobledannelse og to-faset boblende flow inde i atomreaktorer

Boblernes iboende skønhed - de tynde vandige kugler fyldt med luft eller andre gasser - har længe fanget fantasi hos både børn og voksne. Men bobler er også en kæde af atomteknik, hjælpe med at forklare den naturlige verden, forudsige sikkerhedsspørgsmål og forbedre driften af ​​den eksisterende og næste generation af atomflåder.

I mange år, modellering af dette naturfænomen var en udfordring, tidskrævende problem, med forskere stort set begrænset til eksperimenter, der kun gav nogle få bobler ad gangen. At generere de tusinder af bobler, der er nødvendige for at modellere og forudsige bobleadfærd, ville have taget for lang tid - op til 10 år.

"Det er en ting at simulere et par bobler i forsøget på at forstå, hvad der foregår derinde. Du skal virkelig simulere tusinder af dem for at forstå den typiske adfærd." - Igor Bolotnov, en professor i atomteknik ved North Carolina State University

Heldigvis, højtydende supercomputere, ligesom Mira maskinen, placeret ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillader forskere at tackle stadig mere komplekse problemer og løse dem hurtigere. Disse maskiner har været en særlig velkommen udvikling for Dr. Igor Bolotnov, fordi bobler er centrale i hans forskning.

Bolotnov, en professor i atomteknik ved North Carolina State University, arbejder på at bedre forstå kogende fænomener, bobledannelse og tofaset boblende strøm inde i atomreaktorer, som er afhængige af vand/dampkonvertering for at producere energi.

"Vi simulerer bobler i reaktorkernen, så vi eksperimentelt kan studere bobleadfærd på et detaljeret niveau, der ikke kan observeres direkte, på grund af de udfordrende forhold, " Bolotnov forklarede. "Det er én ting at simulere et par bobler i forsøget på at forstå, hvad der foregår derinde. Du skal virkelig simulere tusinder af dem for at forstå den typiske adfærd. "

Selv for et årti siden, en sådan simulering ville have været umulig. Men med fremkomsten af ​​supercomputing, de data, som Bolotnov havde brug for, blev genereret i løbet af tre dage på Mira.

Emily Shemon er atomingeniør i Argonnes Nuclear Engineering division og medlem af videnskabsteamet ved Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), som huser Mira og leverer supercomputeringsmuligheder til det videnskabelige og ingeniørmiljø. Støttet af DOE's Office of Science, Programmet Advanced Scientific Computing Research (ASCR), ALCF er en af ​​to DOE Leadership Computing -faciliteter i landet dedikeret til åben videnskab.

Ifølge Shemon, der fungerede som Bolotnovs forbindelsesled i Argonne, der er en konkurrencedygtig proces for brug af Mira; langt flere forskere ønsker at bruge maskinen, end der kan understøttes, selvom Mira kører 24 timer i døgnet. Bolotnov opnåede sin tildelingspris gennem ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"En af de ting, der adskiller ALCC-prisprogrammet fra andre, er, at modtagerne har en tendens til at være fra strategiske videnskabelige områder, "Sagde Shemon." Og atomkraft betragtes som et strategisk forskningsområde. "

I november 2017, Bolotnov og Jun Fang, en postdoktor ved ALCF, udgivet et papir i Nuclear Engineering and Design, beskriver deres udvikling af en ny boblesporingsmetode, der kan indsamle detaljeret to-faset flowinformation på individuel bobleniveau. Denne avancerede analytiske ramme vil hjælpe forskere med at få indsigt i de "big data", der produceres af de store simuleringer.

Når det kommer til i sidste ende at forbedre sikkerheden og driften af ​​atomreaktorer, Bolotnovs forskning er en kritisk brik i et endnu større puslespil. Overvåge denne indsats er Oak Ridge National Laboratory's Jess Gehin, der er direktør for Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), DOE's første Energy Innovation Hub.

CASL blev etableret i 2010 og er på en aggressiv 10-årig mission for med sikkerhed at forudsige resultaterne af eksisterende og næste generations kommercielle atomreaktorer gennem omfattende, videnskabsbaseret modellering og simulering, dels ved at udnytte supercomputere i lederklasse som Mira.

Gehin sagde, at Bolotnovs arbejde, som er finansieret af CASL, er afgørende for at løse et af programmets centrale "udfordringsproblemer":dannelse af bobler på overfladen af ​​en atombrændstofstang (der stammer fra et fænomen, der kaldes afgang fra nukleatkogning).

"Når du koger, det påvirker varmeoverførsel. Men hvis du får for meget dampdannelse, som kan hæmme varmeoverførsel, " Forklarede Gehin. "Det er en designgrænse for atomreaktorer. Jo mere du forstår, hvor tæt du er på den grænse, jo mere fleksibilitet du har i driften af ​​anlægget. "

Ifølge Gehin, CASL ser allerede lovende resultater; programmet vil sandsynligvis nå en stor milepæl senere på året med næste generations lukningsmodeller, som vil blive indarbejdet i computational fluid dynamics software. "Hensigten er, med mere grundlæggende modeller, vi kan direkte simulere afvigelse-fra-nukleat-kogende effekt, snarere end at stole så meget på eksperimenter, som vi gør."

Da den private industri også er direkte involveret i CASL og ekstremt interesseret i disse særlige resultater, Gehin sagde, at vejen til virkelige applikationer er klar, ligesom den vedvarende værdi af offentlig støtte til grundlæggende videnskabelig forskning.

"Dette er et sødt sted med hensyn til offentlig-private partnerskaber."