Bubblornas inneboende skönhet - de tunna vattniga sfärerna fyllda med luft eller andra gaser - har länge fångat fantasin hos både barn och vuxna. Men bubblor är också en kedja av kärnteknik, hjälper till att förklara den naturliga världen, förutsäga säkerhetsfrågor och förbättra driften av befintliga och nästa generations kärnvapenflottor.

Under många år, att modellera detta naturfenomen var en utmaning, tidskrävande problem, med forskare i stort sett begränsade till experiment som endast gav några få bubblor åt gången. Att generera de tusentals bubblor som är nödvändiga för att modellera och förutsäga bubbelbeteende skulle ha tagit för lång tid - upp till tio år.

"Det är en sak att simulera ett par bubblor för att försöka förstå vad som händer där. Du måste verkligen simulera tusentals av dem för att förstå det typiska beteendet." - Igor Bolotnov, professor i kärnteknik vid North Carolina State University

Lyckligtvis, högpresterande superdatorer, som Mira -maskinen, ligger vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillåter forskare att hantera allt mer komplexa problem och lösa dem snabbare. Dessa maskiner har varit en särskilt välkommen utveckling för Dr. Igor Bolotnov, eftersom bubblor är centrala för hans forskning.

Bolotnov, professor i kärnteknik vid North Carolina State University, arbetar för att bättre förstå kokande fenomen, bubbelbildning och tvåfas bubblande flöde inuti kärnreaktorer, som förlitar sig på vatten/ångomvandling för att producera energi.

"Vi simulerar bubblor i reaktorkärnan så att vi kan studera bubbelbeteende på en detaljnivå experimentellt som inte kan observeras direkt, på grund av de utmanande förhållandena, "Förklarade Bolotnov." Det är en sak att simulera ett par bubblor för att försöka förstå vad som händer där inne. Du måste verkligen simulera tusentals av dem för att förstå det typiska beteendet. "

Till och med för ett decennium sedan, sådan simulering hade varit omöjlig. Men med framväxten av superdatorer, data som behövs av Bolotnov genererades på motsvarande tre dagar på Mira.

Emily Shemon är en kärntekniker i Argonnes kärntekniska division och medlem i vetenskapsteamet vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), som rymmer Mira och tillhandahåller superdatormöjligheter till det vetenskapliga och tekniska samhället. Med stöd av DOE:s vetenskapliga kontor, Programmet Advanced Scientific Computing Research (ASCR), ALCF är en av två DOE Leadership Computing -faciliteter i landet som är dedikerade till öppen vetenskap.

Enligt Shemon, som fungerade som Bolotnovs kontaktperson i Argonne, det finns en konkurrensutsatt process för att använda Mira; långt fler forskare vill använda maskinen än vad som kan stödjas, även med Mira som kör 24 timmar om dygnet. Bolotnov erhöll sin tilldelningspris genom ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"En av sakerna som skiljer ALCC -prisprogrammet från andra är att mottagarna tenderar att komma från strategiska vetenskapliga områden, "Sade Shemon." Och kärnkraft anses vara ett strategiskt forskningsområde. "

I november 2017, Bolotnov och Jun Fang, en postdoktor vid ALCF, publicerat en uppsats i kärnteknik och design, som beskriver deras utveckling av en ny bubblaspårningsmetod som kan samla in detaljerad tvåfasflödesinformation på individuell bubbelnivå. Detta avancerade analytiska ramverk kommer att hjälpa forskare att få insikter från "big data" som produceras av de storskaliga simuleringarna.

När det gäller att i slutändan förbättra säkerheten och driften av kärnreaktorer, Bolotnovs forskning är en kritisk del av ett ännu större pussel. Att övervaka denna insats är Oak Ridge National Laboratory's Jess Gehin, som är chef för Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), DOE:s första Energy Innovation Hub.

CASL grundades 2010 och är på ett aggressivt 10-årigt uppdrag för att tryggt förutsäga prestanda för befintliga och nästa generations kommersiella kärnreaktorer genom omfattande, vetenskapligt baserad modellering och simulering, delvis genom att utnyttja superdatorer som ledarskapsklass som Mira.

Gehin sa att Bolotnovs arbete, som finansieras av CASL, är avgörande för att ta itu med ett av programmets viktigaste "utmaningsproblem":bildning av bubblor på ytan av en kärnbränslestav (som härrör från ett fenomen som kallas avgång från kärnkokning).

"När du kokar, det påverkar värmeöverföringen. Men om du får för mycket ångbildning, som kan hämma värmeöverföring, "Förklarade Gehin." Det är en designgräns för kärnreaktorer. Ju mer du förstår hur nära du är till den gränsen, desto mer flexibilitet har du i driften av anläggningen. "

Enligt Gehin, CASL ser redan lovande resultat; programmet kommer sannolikt att uppnå en stor milstolpe senare i år med nästa generations stängningsmodeller, som kommer att införlivas i mjukvaran för beräkningsvätskedynamik. "Avsikten är, med mer grundläggande modeller, vi kan direkt simulera effekten som avviker från kärnkraften, snarare än att lita så mycket som vi gör på experiment. "

Eftersom den privata industrin också är direkt involverad i CASL och extremt intresserad av dessa specifika resultat, Gehin sa att vägen för verkliga applikationer är tydlig, liksom det hållbara värdet av offentligt stöd för grundläggande vetenskaplig forskning.

"Detta är en söt plats när det gäller offentlig-privata partnerskap."