Het ontwerpen van een nieuw type kernreactor is een gecompliceerde onderneming die miljarden dollars en jaren van ontwikkeling vereist. Bovendien, er is een breed scala aan verschillende voorgestelde configuraties voor kernreactoren van de volgende generatie waarvan wetenschappers hopen dat ze veilig elektriciteit zullen produceren, kosteneffectief en efficiënt.

Vanwege de hoge kosten, wetenschappers maken gebruik van de kracht van high-performance computing om veel van de uitdagingen aan te gaan die samenhangen met het ontwerp en de prestaties van reactoren.

In het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers gebruiken een brede reeks computercodes op de supercomputers van het laboratorium in de Argonne Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, gebruik maken van middelen die op slechts enkele locaties over de hele wereld beschikbaar zijn om enkele van de meest complexe en grootschalige wetenschappelijke uitdagingen aan te pakken.

"We hebben een goed begrip van de wetten die ten grondslag liggen aan reactorfysica en thermische hydrauliek, dus modellering en simulatietools geven ons de mogelijkheid om potentiële reactorontwerpen virtueel te analyseren, " zei Argonne nucleair ingenieur Emily Shemon.

In het model

Het einddoel van nucleaire modellering en simulatie-inspanningen in Argonne en elders in het nationale laboratoriumcomplex van de DOE is het wegnemen van enkele van de aanvankelijke obstakels waarmee de nucleaire industrie wordt geconfronteerd bij het overwegen van ontwerp, vergunningverlening en inzet van reactoren van de volgende generatie. "Het doel van de modelleringsinspanningen van de laboratoria is om de kennislacunes voor de industrie op te vullen, "Zei Shemon. "Misschien kunnen ze onze codes en modellen gebruiken om hun ontwerpbeslissingen te informeren als we een deel van het beenwerk kunnen doen."

Een belangrijke onderzoeksinspanning bij Argonne richt zich op het simuleren van de turbulente stroming in natriumgekoelde snelle reactoren. Deze reactoren intrigeren wetenschappers al tientallen jaren vanwege hun vermogen om brandstof efficiënt te gebruiken, minder afval produceren dan de bestaande vloot van lichte watergekoelde reactoren.

Natriumgekoelde snelle reactoren hebben ook een aanzienlijk inherent voordeel:er zijn verschillende ingebouwde veiligheidsmaatregelen die automatisch in werking treden, zelfs als de reactorsystemen falen.

Terwijl koelvloeistof rond een bundel brandstofpinnen in de reactorkern stroomt, het voert warmte weg van de brandstofassemblage. Verwarmd natrium heeft de neiging om op koeler natrium te drijven, het creëren van een lavalampachtig circulatiepatroon dat voorkomt dat een gebied te heet wordt.

Het visualiseren van de ingewikkelde bewegingen van de wervelingen en wervelingen van warme en koude vloeistof vereist high-performance computing, zei Argonne computationeel ingenieur Aleksandr Obabko. "We proberen turbulentie direct te modelleren, zo dicht mogelijk bij de benodigde resolutie, supercomputers gebruiken, " zei hij. "We hebben supercomputers nodig omdat er veel draaikolken zijn om te modelleren, en omdat ze allemaal bijdragen aan het mengproces."

Onderzoekers van Argonne gebruiken ook modellen om de geometrische effecten van de reactor of het brandstofsamenstel op het warmtetransport en de vloeistofstroom te illustreren.

Om de menging en turbulentie in een kernreactor te modelleren, Obabko en zijn collega's gebruiken een computationele code genaamd Nek5000 om vragen op te lossen die verband houden met computationele vloeistofdynamica. Nek5000 is een algemene vloeistofmechanica-code die wordt gebruikt voor het modelleren van vasculaire stromingen, aërodynamica, en interne verbrandingsmotoren evenals kernreactoromgevingen.

Nek5000 biedt een aantal voordelen ten opzichte van concurrerende rekenalgoritmen, maar het belangrijkste is dat het de tijd en de rekenkosten die nodig zijn om oplossingen op te lossen drastisch vermindert. "Tegen de tijd dat de meeste andere codes 80 procent van de oplossing bereiken, we zitten op 90 procent, en dat kan een groot verschil maken in termen van computerkosten, " zei Argonne computationeel wetenschapper Paul Fischer, die Nek5000 heeft ontworpen.

De modellen valideren en nieuwe grenzen verkennen

Zelf, computercodes kunnen slechts zo veel licht werpen op de innerlijke werking van een kernreactor. Om te weten hoe precies de output van een computationeel model overeenkomt met de realiteit, moet je de resultaten kunnen vergelijken met de gegevens van experimenten, een proces dat validatie wordt genoemd. Voor sommige geavanceerde reactortypes, dergelijke experimentele gegevens zijn beperkt en duur om te genereren om alle ontwerpvariaties te dekken. Daarom, moderne modellerings- en simulatiemogelijkheden zijn bedoeld om een ​​hoger niveau van voorspelbaarheid te bereiken zonder zo sterk afhankelijk te zijn van experimenten.

"We kunnen onze rekenmodellen nog steeds niet volledig vertrouwen zonder experimentele gegevens, maar we kunnen gebruik maken van de beperkte experimentele gegevens die beschikbaar zijn, ' zei Shemon. 'Dus, wat we hebben is een iteratief proces waarin ontwerpers onze software gebruiken om de voorlopige analyse te doen, waardoor ze ontwerpkeuzes kunnen verfijnen of verbeteringen aan hun systemen kunnen aanbrengen, en valideren hun definitieve ontwerp met meer gerichte tests."

Een echt bruikbaar model reproduceert niet alleen wat wetenschappers experimenteel kunnen zien, maar het kan ook bekende gegevens aanvullen en onderzoekers in staat stellen met meer vertrouwen voorspellingen te doen. Dit is vooral belangrijk voor geavanceerde reactorontwerpen met verschillende soorten koelvloeistof en brandstofkeuzes.

Omdat er zoveel potentiële nieuwe ontwerpen zijn voorgesteld - variërend van natriumgekoelde snelle reactoren zoals die bestudeerd door Obabko tot die gekoeld door gas of gesmolten zouten - is geavanceerde computertechnologie de beste manier om de mogelijkheden van hun ontwerpen te beoordelen .

In de meeste gevallen, computercodes moeten informatie uitwisselen over de warmteopwekkingssnelheden, temperaturen, en spanningen en spanningen omdat de neutronen, thermische en structurele verschijnselen hebben invloed op elkaar. Op deze manier, Het nucleaire modelleringsprogramma van Argonne heeft twee doelen:om kernreactorfysica te ontwikkelen, thermische hydrauliek, structuur mechanica, en hulpmiddelen voor het modelleren van brandstoffen en materialen; tweede, om multifysische analysemogelijkheden te creëren die de onderlinge afhankelijkheid tussen al deze velden vastleggen.

De vruchten plukken

Zelfs wanneer onderzoekers niet de mogelijkheid hebben om hun codes direct te valideren, het ontwikkelen van betrouwbaardere modellen die dichter bij de eerste principes liggen, betekent in veel opzichten een verbetering ten opzichte van de lage-ordecodes die in het verleden mogelijk zijn gevalideerd. Bijvoorbeeld, Met hogere getrouwheidscodes kunnen onderzoekers een nauwkeuriger begrip krijgen van hoeveelheden waarvoor ze voorheen alleen een gemiddelde waarde hadden.

"Eerdere codes van lage orde waren correct, maar ze waren, in zekere zin, wazig, Shemon zei. "Deze nieuwe high-fidelity codes geven ons de mogelijkheid om veel nauwkeuriger te zijn in termen van energie, ruimte en tijd."

Een manier waarop de high-fidelity-codes het ontwerp en de werking van een reactor kunnen verbeteren, is door de onzekerheid in de toleranties - of temperatuurmarges - die nodig zijn voor een veilige en efficiënte reactorwerking te verminderen. In een voorbeeld, Onderzoekers van Argonne voeren modellen uit met best-case scenario's, waarin brandstofpennen en hun bekleding exact volgens specificaties worden vervaardigd. Vervolgens, ze voeren ook worstcasescenario's uit, waarin deze componenten afwijken van hun ideaal om rekening te houden met onzekerheden en toleranties, en vergelijk het verschil in hoe de reactor zich virtueel gedraagt ​​om de veiligheidsmarges te evalueren.

Volgens Shemon is dit project en anderen bij Argonne ondersteunen een breder, overkoepelende doelstelling. "Ons belangrijkste doel is om de beschikbaarheid van informatie voor geavanceerde reactorontwerpen te vergroten, "zei ze. "We proberen veiliger, sneller, zuiniger ontwerpen door modellering en simulatie. Alles wat we doen is daarop gericht."