De intrinsieke schoonheid van bellen - die dunne waterige bolletjes gevuld met lucht of andere gassen - spreekt al lang tot de verbeelding van zowel kinderen als volwassenen. Maar bellen zijn ook een spil van nucleaire techniek, helpen om de natuurlijke wereld uit te leggen, veiligheidsproblemen te voorspellen en de werking van de bestaande en de volgende generatie nucleaire vloten te verbeteren.

Voor vele jaren, het modelleren van dit natuurlijke fenomeen was een uitdaging, tijdrovend probleem, met onderzoekers grotendeels beperkt tot experimenten die slechts een paar bubbels per keer opleverden. Het zou te lang hebben geduurd om de duizenden bellen te genereren die nodig zijn om het gedrag van bellen te modelleren en te voorspellen, meer dan 10 jaar.

"Het is één ding om een ​​paar bubbels te simuleren om te proberen te begrijpen wat daarbinnen gebeurt. Je moet er echt duizenden simuleren om het typische gedrag te begrijpen." - Igor Bolotnov, een professor in nucleaire techniek aan de North Carolina State University

Gelukkig, krachtige supercomputers, zoals de Mira-machine, gevestigd in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), stellen wetenschappers in staat om steeds complexere problemen aan te pakken en sneller op te lossen. Deze machines waren een bijzonder welkome ontwikkeling voor Dr. Igor Bolotnov, want bellen staan ​​centraal in zijn onderzoek.

Bolotnov, een professor in nucleaire technologie aan de North Carolina State University, werkt aan een beter begrip van kookverschijnselen, bellenvorming en tweefasige bubbelstroom in kernreactoren, die afhankelijk zijn van water/stoomomzetting om energie te produceren.

"We simuleren bellen in de reactorkern, zodat we het belgedrag experimenteel kunnen bestuderen op een detailniveau dat niet direct kan worden waargenomen, vanwege de uitdagende omstandigheden, " legde Bolotnov uit. "Het is één ding om een ​​paar luchtbellen te simuleren om te proberen te begrijpen wat daarbinnen gebeurt. Je moet er echt duizenden simuleren om het typische gedrag te begrijpen."

Zelfs een decennium geleden, een dergelijke simulatie zou onmogelijk zijn geweest. Maar met de opkomst van supercomputers, de gegevens die Bolotnov nodig had, werden gegenereerd in het equivalent van drie dagen op Mira.

Emily Shemon is een nucleair ingenieur in de Nuclear Engineering-divisie van Argonne en lid van het wetenschappelijke team van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), die Mira herbergt en supercomputermogelijkheden biedt aan de wetenschappelijke en technische gemeenschap. Ondersteund door het DOE's Office of Science, Advanced Scientific Computing Research (ASCR) -programma, ALCF is een van de twee DOE Leadership Computing-faciliteiten in het land die zich toeleggen op open wetenschap.

Volgens Shemon, die als verbindingsman van Bolotnov in Argonne diende, er is een competitief proces voor het gebruik van Mira; veel meer onderzoekers willen de machine gebruiken dan kunnen worden ondersteund, zelfs als Mira 24 uur per dag draait. Bolotnov behaalde zijn toekenningsprijs via de ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"Een van de dingen die het ALCC-prijsprogramma onderscheidt van andere, is dat de ontvangers meestal afkomstig zijn uit strategische wetenschappelijke gebieden, " Zei Shemon. "En kernenergie wordt beschouwd als een strategisch onderzoeksgebied."

In november 2017, Bolotnov en Jun Fang, een postdoctoraal onderzoeker bij de ALCF, publiceerde een paper in Nuclear Engineering and Design, detaillering van hun ontwikkeling van een nieuwe bubble-tracking-methode die gedetailleerde tweefasige stroominformatie op individueel bellenniveau kan verzamelen. Dit geavanceerde analytische raamwerk zal onderzoekers helpen om inzichten te verkrijgen uit de "big data" die door de grootschalige simulaties worden geproduceerd.

Als het gaat om het uiteindelijk verbeteren van de veiligheid en de werking van kernreactoren, Het onderzoek van Bolotnov is een cruciaal stukje van een nog grotere puzzel. Jess Gehin van Oak Ridge National Laboratory houdt toezicht op die inspanning, die directeur is van het Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), de eerste Energy Innovation Hub van de DOE.

CASL is opgericht in 2010 en heeft een agressieve missie van 10 jaar om met vertrouwen de prestaties van bestaande en volgende generatie commerciële kernreactoren te voorspellen door middel van uitgebreide, op wetenschap gebaseerde modellering en simulatie, gedeeltelijk door gebruik te maken van supercomputers van leiderschapsklasse zoals Mira.

Gehin zei dat het werk van Bolotnov, die wordt gefinancierd door CASL, is essentieel voor het aanpakken van een van de belangrijkste "uitdagingsproblemen" van het programma:vorming van bellen op het oppervlak van een splijtstofstaaf (afkomstig van een fenomeen dat bekend staat als het vertrek uit het koken van kernen).

"Als je kookt, het beïnvloedt de warmteoverdracht. Maar als je teveel dampvorming krijgt, die de warmteoverdracht kunnen belemmeren, " legde Gehin uit. "Dat is een ontwerplimiet voor kernreactoren. Hoe meer je begrijpt hoe dicht je bij die limiet bent, hoe meer flexibiliteit je hebt in de werking van de fabriek."

Volgens Gehin, CASL ziet al veelbelovende resultaten; het programma zal later dit jaar waarschijnlijk een belangrijke mijlpaal bereiken met betrekking tot sluitingsmodellen van de volgende generatie, die zal worden opgenomen in computationele vloeistofdynamica-software. "De bedoeling is, met meer fundamentele modellen, we kunnen het vertrek-van-nucleaat-kokend effect direct simuleren, in plaats van net zoveel te vertrouwen als wij op experimenten."

Met de particuliere industrie die ook direct betrokken is bij CASL en zeer geïnteresseerd is in deze specifieke resultaten, Gehin zei dat het pad voor toepassingen in de echte wereld duidelijk is, evenals de blijvende waarde van maatschappelijk draagvlak voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.

"Dit is een sweet spot in termen van publiek-private samenwerkingen."