La bellezza intrinseca delle bolle, quelle sottili sfere acquose piene di aria o altri gas, ha catturato a lungo l'immaginazione di bambini e adulti. Ma le bolle sono anche un fulcro dell'ingegneria nucleare, aiutando a spiegare il mondo naturale, prevedere i problemi di sicurezza e migliorare il funzionamento delle flotte nucleari esistenti e di prossima generazione.

Per molti anni, modellare questo fenomeno naturale è stata una sfida, problema che richiede tempo, con i ricercatori in gran parte limitati a esperimenti che hanno prodotto solo poche bolle alla volta. Per generare le migliaia di bolle necessarie per modellare e prevedere il comportamento delle bolle ci sarebbe voluto troppo tempo, fino a 10 anni.

"Una cosa è simulare un paio di bolle per cercare di capire cosa sta succedendo lì dentro. Devi davvero simularne migliaia per capire il comportamento tipico."—Igor Bolotnov, un professore di ingegneria nucleare alla North Carolina State University

Fortunatamente, supercomputer ad alte prestazioni, come la macchina Mira, situato presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), stanno permettendo agli scienziati di affrontare problemi sempre più complessi e di risolverli più velocemente. Queste macchine sono state uno sviluppo particolarmente gradito per il Dr. Igor Bolotnov, perché le bolle sono al centro della sua ricerca.

Bolotnov, professore di ingegneria nucleare alla North Carolina State University, sta lavorando per comprendere meglio i fenomeni di ebollizione, formazione di bolle e flusso di bolle bifase all'interno dei reattori nucleari, che si basano sulla conversione acqua/vapore per produrre energia.

"Stiamo simulando bolle nel nocciolo del reattore in modo da poter studiare sperimentalmente il comportamento delle bolle a un livello di dettaglio che non può essere osservato direttamente, a causa delle difficili condizioni, " Ha spiegato Bolotnov. "Una cosa è simulare un paio di bolle per cercare di capire cosa sta succedendo lì dentro. Hai davvero bisogno di simularne migliaia per capire il comportamento tipico".

Anche un decennio fa, tale simulazione sarebbe stata impossibile. Ma con l'avvento del supercalcolo, i dati necessari a Bolotnov sono stati generati nell'equivalente di tre giorni su Mira.

Emily Shemon è un ingegnere nucleare nella divisione di ingegneria nucleare di Argonne e membro del team scientifico presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), che ospita Mira e fornisce capacità di supercalcolo alla comunità scientifica e ingegneristica. Supportato dall'Office of Science del DOE, Programma ASCR (Advanced Scientific Computing Research), ALCF è uno dei due DOE Leadership Computing Facilities nella nazione dedicata alla scienza aperta.

Secondo Shemon, che servì come collegamento di Bolotnov ad Argonne, esiste un processo competitivo per l'utilizzo di Mira; molti più ricercatori vogliono usare la macchina di quanti possono essere supportati, anche con Mira in funzione 24 ore al giorno. Bolotnov ha ottenuto il premio per l'assegnazione tramite l'ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"Una delle cose che distingue il programma di premi ALCC dagli altri è che i destinatari tendono a provenire da aree scientifiche strategiche, "Ha detto Shemon. "E l'energia nucleare è considerata un'area strategica di ricerca".

A novembre 2017, Bolotnov e Jun Fang, un ricercatore post-dottorato presso l'ALCF, ha pubblicato un articolo in Ingegneria nucleare e design, dettagliando il loro sviluppo di un nuovo metodo di tracciamento delle bolle in grado di raccogliere informazioni dettagliate sul flusso a due fasi a livello di singola bolla. Questo quadro analitico avanzato aiuterà i ricercatori a ottenere informazioni dai "big data" prodotti dalle simulazioni su larga scala.

Quando si tratta di migliorare in definitiva la sicurezza e il funzionamento dei reattori nucleari, La ricerca di Bolotnov è un pezzo fondamentale di un puzzle ancora più grande. A supervisionare questo sforzo è Jess Gehin dell'Oak Ridge National Laboratory, che è direttore del Consorzio per la simulazione avanzata dei reattori ad acqua leggera (CASL), il primo Energy Innovation Hub del DOE.

CASL è stata fondata nel 2010 ed è impegnata in una missione aggressiva di 10 anni per prevedere con sicurezza le prestazioni dei reattori nucleari commerciali esistenti e di prossima generazione attraverso modellazione e simulazione scientifica, in parte sfruttando supercomputer di classe dirigente come Mira.

Gehin ha detto che il lavoro di Bolotnov, finanziato dal CASL, è essenziale per affrontare uno dei "problemi di sfida" chiave del programma:la formazione di bolle sulla superficie di una barra di combustibile nucleare (derivante da un fenomeno noto come allontanamento dall'ebollizione nucleata).

"Quando hai l'ebollizione, influisce sul trasferimento di calore. Ma se si forma troppa vapore, che può inibire il trasferimento di calore, " Ha spiegato Gehin. "Questo è un limite di progettazione per i reattori nucleari. Più capisci quanto sei vicino a quel limite, maggiore è la flessibilità che si ha nel funzionamento dell'impianto."

Secondo Gehin, CASL sta già vedendo risultati promettenti; il programma raggiungerà probabilmente un importante traguardo entro la fine dell'anno che coinvolgerà i modelli di chiusura di prossima generazione, che sarà incorporato nel software di fluidodinamica computazionale. "L'intento è con modelli più fondamentali, possiamo simulare direttamente l'effetto di partenza dall'ebollizione nucleare, piuttosto che fare affidamento tanto quanto noi sugli esperimenti".

Con l'industria privata direttamente coinvolta nel CASL ed estremamente interessata a questi particolari risultati, Gehin ha affermato che il percorso per le applicazioni del mondo reale è chiaro, così come il valore duraturo del sostegno pubblico alla ricerca scientifica fondamentale.

"Questo è un punto debole in termini di partenariati pubblico-privato".