Att designa en ny typ av kärnreaktorer är en komplicerad strävan som kräver miljarder dollar och år av utveckling. Vad mer, det finns ett stort antal olika föreslagna konfigurationer för nästa generations kärnreaktorer som forskarna hoppas ska producera el på ett säkert sätt, kostnadseffektivt och effektivt.

På grund av den höga kostnaden, forskare utnyttjar kraften i högpresterande datoranvändning för att hantera många av de utmaningar som är förknippade med reaktordesign och prestanda.

Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, forskare kör en bred svit av beräkningskoder på laboratoriets superdatorer som finns vid Argonne Leadership Computing Facility, en användaranläggning för DOE Office of Science, utnyttja resurser tillgängliga på endast ett fåtal platser runt om i världen för att ta itu med några av de mest komplexa och storskaliga vetenskapliga utmaningarna.

"Vi har en god förståelse för de lagar som ligger till grund för reaktorfysik och termisk hydraulik, så modellerings- och simuleringsverktyg ger oss möjligheten att virtuellt analysera potentiella reaktorkonstruktioner, " sa Argonnes kärnkraftsingenjör Emily Shemon.

Inuti modellen

Slutmålet för kärnteknisk modellering och simuleringsinsatser vid Argonne och på andra ställen i DOE:s nationella laboratoriekomplex är att ta bort några av de initiala hindren som kärnkraftsindustrin står inför när den överväger design, licensiering och utbyggnad av nästa generations reaktorer. "Syftet med labbets modelleringsarbete är att fylla kunskapsluckorna för industrin, "Shemon sa. "De kanske kan använda våra koder och modeller för att informera sina designbeslut om vi kan göra en del av benarbetet."

En stor forskningssatsning vid Argonne fokuserar på att simulera det turbulenta flödet i natriumkylda snabba reaktorer. Dessa reaktorer har fascinerat forskare i årtionden på grund av deras förmåga att använda bränsle effektivt, producerar mindre avfall än den befintliga flottan av lätta vattenkylda reaktorer.

Natriumkylda snabba reaktorer har också en avsevärd inneboende fördel:det finns flera inbyggda säkerhetsåtgärder som slår in automatiskt även i fall då reaktorsystemen misslyckas.

När kylvätska strömmar runt ett knippe bränslestift i reaktorhärden, den leder bort värme från bränslepatronen. Uppvärmt natrium tenderar att flyta ovanpå kallare natrium, skapar ett lavalampliknande cirkulationsmönster som förhindrar att ett område blir för varmt.

Att visualisera de komplicerade rörelserna av virvlar och virvlar av varm och kall vätska kräver högpresterande beräkningar, sa Argonnes beräkningsingenjör Aleksandr Obabko. "Vi försöker modellera turbulens direkt, så nära den nödvändiga upplösningen som möjligt, använder superdatorer, " sa han. "Vi behöver superdatorer eftersom det finns många virvlar att modellera, och för att de alla bidrar till blandningsprocessen."

Argonne-forskare använder också modeller för att illustrera reaktorns eller bränslepatronens geometriska effekter på värmetransporten och vätskeflödet.

Att modellera blandningen och turbulensen i en kärnreaktor, Obabko och hans kollegor använder en beräkningskod som heter Nek5000 för att lösa frågor relaterade till beräkningsvätskedynamik. Nek5000 är en allmän vätskemekanikkod som används för att modellera vaskulära flöden, aerodynamik, och förbränningsmotorer samt kärnreaktormiljöer.

Nek5000 ger ett antal fördelar jämfört med konkurrerande beräkningsalgoritmer, men framför allt minskar det dramatiskt tiden och beräkningskostnaderna som krävs för att lösa lösningar. "När de flesta andra koder når 80 procent av lösningen, vi är på 90 procent, och det kan göra stor skillnad när det gäller datorkostnader, " sa Argonne beräkningsforskare Paul Fischer, som designade Nek5000.

Validera modellerna och utforska nya gränser

Av sig själva, datorkoder kan bara kasta så mycket ljus över det inre arbetet i en kärnreaktor. Att veta hur exakt utdata från en beräkningsmodell överensstämmer med verkligheten kräver förmågan att jämföra resultaten med data från experiment, en process som kallas validering. För vissa avancerade reaktortyper, sådana experimentella data är begränsade och dyra att generera för att täcka alla designvariationer. Därför, moderna modellerings- och simuleringsmöjligheter syftar till att uppnå en högre nivå av förutsägbarhet utan att förlita sig så mycket på experiment.

"Vi kan fortfarande inte helt lita på våra beräkningsmodeller utan experimentella data, men vi kan använda oss av de begränsade experimentella data som finns tillgängliga, " sa Shemon. "Så, vad vi har är en iterativ process där designers använder vår programvara för att göra den preliminära analysen, låta dem begränsa designvalen eller göra förbättringar av sina system, och validera deras slutliga design med mer riktade tester."

En verkligt användbar modell återger inte bara vad forskare kan se experimentellt, men det kan också komplettera kända data och göra det möjligt för forskare att göra förutsägelser med större självförtroende. Detta är särskilt viktigt för avancerade reaktorkonstruktioner med olika typer av kylmedel och bränsleval.

Eftersom det finns så många potentiella nya konstruktioner som har föreslagits – allt från natriumkylda snabba reaktorer som de som studerats av Obabko till de som kyls av gas eller smälta salter – representerar avancerad datoranvändning den bästa vägen forskare har för att bedöma förmågan hos sina konstruktioner .

I de flesta fallen, datorkoder måste utbyta information om värmealstringshastigheterna, temperaturer, och spänningar och töjningar eftersom neutroniska, termiska och strukturella fenomen påverkar varandra. På det här sättet, Argonnes kärnmodelleringsprogram har två mål:För det första, att utveckla kärnreaktorns fysik, termisk hydraulik, strukturmekanik, och bränsle- och materialmodelleringsverktyg; andra, att skapa multifysikanalysfunktioner som fångar det ömsesidiga beroendet mellan alla dessa områden.

Att skörda frukterna

Även när forskare inte har möjlighet att direkt validera sina koder, Att utveckla modeller med högre trohet närmar-till-första-principer representerar en förbättring på många sätt jämfört med de lågordningskoder som kan ha validerats tidigare. Till exempel, högre trohetskoder gör det möjligt för forskare att få en mer exakt förståelse av kvantiteter som de tidigare bara hade ett medelvärde för.

"Tidigare lågordningskoder var korrekta, men de var, på sätt och vis, suddigt, " Sade Shemon. "Dessa nya högtrohetskoder ger oss möjligheten att vara mycket mer exakta när det gäller energi, rum och tid."

Ett sätt på vilket high fidelity-koderna kan förbättra konstruktionen och driften av en reaktor är genom att minska osäkerheten i de toleranser – eller temperaturmarginaler – som krävs för säker och effektiv reaktordrift. I ett exempel, Argonne-forskare kör modeller med bästa möjliga scenarier, där bränslestift och deras beklädnad tillverkas exakt enligt specifikationerna. Sedan, de kör också värsta scenarier, där dessa komponenter skiljer sig från sina ideal för att ta hänsyn till osäkerheter och toleranser, och jämför skillnaden i hur reaktorn praktiskt taget beter sig för att utvärdera säkerhetsmarginalerna.

Enligt Shemons åsikt, detta projekt och andra på Argonne stödjer en bredare, övergripande mål. "Vårt huvudmål är att öka tillgängligheten av information för avancerade reaktorkonstruktioner, " sa hon. "Vi försöker möjliggöra säkrare, snabbare, mer ekonomisk design genom modellering och simulering. Allt vi gör är inriktat på det."