Progettare un nuovo tipo di reattore nucleare è un'impresa complicata che richiede miliardi di dollari e anni di sviluppo. Cosa c'è di più, esiste una vasta gamma di diverse configurazioni proposte per i reattori nucleari di prossima generazione che gli scienziati sperano possano produrre elettricità in modo sicuro, economico ed efficiente.

A causa del costo elevato, gli scienziati stanno sfruttando la potenza del calcolo ad alte prestazioni per affrontare molte delle sfide associate alla progettazione e alle prestazioni dei reattori.

Presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori stanno eseguendo un'ampia suite di codici computazionali sui supercomputer del laboratorio ospitati presso l'Argonne Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, sfruttando le risorse disponibili solo in pochi siti in tutto il mondo per affrontare alcune delle sfide scientifiche più complesse e su larga scala.

"Abbiamo una buona conoscenza delle leggi alla base della fisica dei reattori e dell'idraulica termica, quindi gli strumenti di modellazione e simulazione ci danno la possibilità di analizzare virtualmente i potenziali progetti di reattori, ", ha detto l'ingegnere nucleare di Argonne Emily Shemon.

All'interno del modello

L'obiettivo finale degli sforzi di modellazione e simulazione nucleare ad Argonne e altrove nel complesso di laboratori nazionali del DOE è rimuovere alcuni degli ostacoli iniziali che l'industria nucleare deve affrontare mentre contempla la progettazione, concessione di licenze e distribuzione di reattori di nuova generazione. "Lo scopo degli sforzi di modellazione dei laboratori è quello di colmare le lacune di conoscenza per l'industria, " Ha detto Shemon. "Potrebbero essere in grado di utilizzare i nostri codici e modelli per informare le loro decisioni di progettazione se possiamo fare parte del lavoro di gambe".

Un importante sforzo di ricerca presso Argonne si concentra sulla simulazione del flusso turbolento nei reattori veloci raffreddati al sodio. Questi reattori hanno incuriosito gli scienziati per decenni a causa della loro capacità di utilizzare il combustibile in modo efficiente, producendo meno rifiuti rispetto alla flotta esistente di reattori leggeri raffreddati ad acqua.

I reattori veloci raffreddati al sodio hanno anche un notevole vantaggio intrinseco:ci sono diverse misure di sicurezza integrate che si attivano automaticamente anche nei casi in cui i sistemi del reattore si guastano.

Mentre il refrigerante scorre attorno a un fascio di perni di combustibile nel nocciolo del reattore, porta via il calore dal gruppo combustibile. Il sodio riscaldato tende a galleggiare sopra il sodio più freddo, creando un modello di circolazione simile a una lampada di lava che impedisce a qualsiasi area di diventare troppo calda.

Visualizzare gli intricati movimenti dei vortici e dei vortici del fluido caldo e freddo richiede un calcolo ad alte prestazioni, ha detto l'ingegnere computazionale di Argonne Aleksandr Obabko. "Cerchiamo di modellare direttamente la turbolenza, il più vicino possibile alla risoluzione necessaria, utilizzando supercomputer, " ha detto. "Abbiamo bisogno di supercomputer perché ci sono molti vortici da modellare, e perché tutti contribuiscono al processo di miscelazione."

I ricercatori di Argonne utilizzano anche modelli per illustrare gli effetti geometrici del reattore o dell'assemblaggio del combustibile sul trasporto di calore e sul flusso dei fluidi.

Per modellare la miscelazione e la turbolenza in un reattore nucleare, Obabko e i suoi colleghi utilizzano un codice computazionale chiamato Nek5000 per risolvere questioni relative alla fluidodinamica computazionale. Nek5000 è un codice fluidodinamico generico utilizzato per modellare i flussi vascolari, aerodinamica, e motori a combustione interna, nonché ambienti di reattori nucleari.

Nek5000 offre una serie di vantaggi rispetto agli algoritmi di calcolo concorrenti, ma soprattutto riduce drasticamente il tempo e la spesa computazionale necessari per risolvere le soluzioni. "Quando la maggior parte degli altri codici raggiunge l'80% della soluzione, siamo al 90 per cento, e questo può fare una grande differenza in termini di spese di elaborazione, " ha detto lo scienziato computazionale di Argonne Paul Fischer, che ha progettato Nek5000.

Validare i modelli ed esplorare nuove frontiere

Da soli, i codici dei computer possono far luce solo sul funzionamento interno di un reattore nucleare. Per sapere con quanta precisione l'output di un modello computazionale è conforme alla realtà richiede la capacità di confrontare i risultati con i dati degli esperimenti, un processo noto come convalida. Per alcuni tipi di reattori avanzati, tali dati sperimentali sono limitati e costosi da generare per coprire tutte le variazioni di progettazione. Perciò, le moderne capacità di modellazione e simulazione mirano a raggiungere un livello più elevato di predittività senza dipendere così pesantemente dagli esperimenti.

"Non possiamo ancora fidarci completamente dei nostri modelli computazionali senza dati sperimentali, ma possiamo fare uso di tutti i dati sperimentali limitati disponibili, " disse Shemon. "Allora, quello che abbiamo è un processo iterativo in cui i progettisti utilizzano il nostro software per eseguire l'analisi preliminare, consentendo loro di restringere le scelte progettuali o apportare miglioramenti ai loro sistemi, e convalidare il loro progetto finale con test più mirati."

Un modello veramente utile non solo riproduce ciò che gli scienziati possono vedere sperimentalmente, ma può anche integrare i dati noti e consentire ai ricercatori di fare previsioni con maggiore sicurezza. Ciò è particolarmente importante per i progetti di reattori avanzati con diversi tipi di scelta di refrigerante e combustibile.

Poiché ci sono così tanti potenziali nuovi progetti che sono stati proposti, che vanno dai reattori veloci raffreddati al sodio come quelli studiati da Obabko a quelli raffreddati da gas o da sali fusi, l'informatica avanzata rappresenta la strada migliore che i ricercatori hanno per valutare le capacità dei loro progetti .

Nella maggior parte dei casi, i codici informatici devono scambiare informazioni sui tassi di generazione di calore, temperature, e sollecitazioni e deformazioni perché il neutronico, i fenomeni termici e strutturali si influenzano a vicenda. In questo modo, Il programma di modellazione nucleare di Argonne ha due obiettivi:primo, per sviluppare la fisica del reattore centrale, termoidraulica, meccanica della struttura, e strumenti per la modellazione di combustibili e materiali; secondo, per creare capacità di analisi multifisica che catturino l'interdipendenza tra tutti questi campi.

Raccogliere i benefici

Anche quando i ricercatori non hanno la capacità di convalidare direttamente i loro codici, lo sviluppo di modelli ad alta fedeltà più vicini ai primi principi rappresenta un miglioramento in molti modi rispetto ai codici di ordine inferiore che potrebbero essere stati convalidati in passato. Ad esempio, i codici ad alta fedeltà consentono ai ricercatori di ottenere una comprensione più precisa delle quantità per le quali in precedenza avevano solo un valore medio.

"I precedenti codici di ordine inferiore erano accurati, ma erano, in un senso, sfocato, " ha detto Shemon. "Questi nuovi codici ad alta fedeltà ci danno la possibilità di essere molto più precisi in termini di energia, spazio e tempo».

Un modo in cui i codici ad alta fedeltà possono migliorare la progettazione e il funzionamento di un reattore è ridurre l'incertezza nelle tolleranze, o margini di temperatura, necessari per un funzionamento sicuro ed efficiente del reattore. In un esempio, I ricercatori di Argonne eseguono modelli con gli scenari migliori, in cui i perni del carburante e il loro rivestimento sono realizzati esattamente secondo le specifiche. Quindi, gestiscono anche gli scenari peggiori, in cui questi componenti differiscono dal loro ideale per tenere conto di incertezze e tolleranze, e confrontare la differenza nel comportamento virtuale del reattore per valutare i margini di sicurezza.

Dal punto di vista di Shemon, questo progetto e altri ad Argonne supportano un più ampio, obiettivo generale. "Il nostro obiettivo principale è aumentare la disponibilità di informazioni per progetti avanzati di reattori, " ha detto. "Stiamo cercando di abilitare più sicuro, Più veloce, progettazione più economica attraverso la modellazione e la simulazione. Tutto ciò che facciamo è orientato a questo".