- Cercetătorii de la Argonne National Laboratory folosesc supercomputere pentru a simula turbulența din reactoarele nucleare
- Modelele digitale analizează modul în care hidrogenul și alte gaze se amestecă în interiorul reactorului în caz de accident
- Simulările folosesc software avansat de dinamică a fluidelor computațională (CFD), precum Nek5000 și NekRS
- Modelele au fost testate într-un experiment internațional „blind”, numit PANDA, unde predicțiile au fost confirmate de date reale
- Tehnologia ar putea accelera aprobarea reactoarelor nucleare de nouă generație și crește standardele de siguranță
În interiorul unui reactor nuclear, lucrurile nu sunt niciodată complet liniștite. Fluidele și gazele circulă, se amestecă și creează turbulențe – mișcări haotice care influențează modul în care căldura și gazele se distribuie în interiorul instalației.
Pentru ingineri, aceste turbulențe sunt greu de anticipat. Iar în situații rare, precum accidentele nucleare, modul în care gazele se amestecă poate face diferența dintre o situație controlată și una periculoasă.
Cercetătorii de la Argonne National Laboratory, unul dintre principalele laboratoare de cercetare ale Departamentului Energiei din SUA, folosesc acum supercomputere pentru a simula aceste procese cu o precizie fără precedent.
Scopul este simplu: să înțeleagă matematica haosului din reactoare pentru a face energia nucleară mai sigură.
Lecțiile de la Fukushima
Unul dintre scenariile analizate este comportamentul hidrogenului în interiorul clădirilor de containere ale reactoarelor.
În accidentul nuclear de la Fukushima din 2011, acumularea de hidrogen a dus la explozii care au deteriorat clădirile reactoarelor.
Pentru a preveni astfel de situații, cercetătorii încearcă să înțeleagă exact cum se amestecă hidrogenul cu aerul și cum se propagă în interiorul structurii reactorului.
Simulările digitale permit recrearea acestor scenarii extrem de complexe fără a fi nevoie de experimente fizice periculoase sau costisitoare.
Supercomputerele schimbă modul în care sunt făcute simulările
În trecut, simulările din industria nucleară foloseau modele simplificate pentru turbulență.
Problema este că aceste aproximări pot ignora detalii importante ale mișcărilor fluidelor.
Pentru a obține rezultate mai precise, cercetătorii folosesc dinamică a fluidelor computațională (CFD) — o metodă care rezolvă direct ecuațiile fizice care descriu mișcarea fluidelor.
Două programe sunt esențiale pentru aceste simulări:
- Nek5000, optimizat pentru procesoare clasice (CPU)
- NekRS, o versiune mai rapidă, optimizată pentru GPU-uri
Aceste instrumente permit simularea unor fenomene extrem de complexe din interiorul reactoarelor nucleare.
Testul în care cercetătorii nu știu răspunsul
Pentru a demonstra că modelele funcționează, echipa Argonne a participat la experimentul internațional PANDA benchmark.
Testul este unul „blind”: cercetătorii primesc doar informațiile inițiale despre un sistem – forma unui rezervor și condițiile de pornire – și trebuie să prezică modul în care gazele vor circula.
Abia după ce predicțiile sunt finalizate, rezultatele sunt comparate cu datele experimentale reale.
Simulările realizate cu Nek5000 și NekRS au reușit să prezică corect comportamentul fluxurilor de gaz, confirmând precizia modelelor.
Instrumente pentru autoritățile de siguranță nucleară
Succesul simulărilor a atras atenția U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC), instituția care reglementează reactoarele nucleare din Statele Unite.
Autoritatea colaborează acum cu cercetătorii pentru a utiliza aceste modele în evaluarea scenariilor de accident.
„Regulatorii au nevoie de instrumente în care pot avea încredere, mai ales pentru situații rare care sunt dificil de testat în realitate”, a explicat cercetătorul Aleksandr Obabko de la Argonne.
Supercomputerul Aurora duce simulările la un nou nivel
Următorul pas pentru echipa de cercetare este utilizarea supercomputerului Aurora, unul dintre cele mai puternice sisteme de calcul din lume.
Prin mutarea simulărilor pe GPU-uri de mare performanță, calculele care înainte durau săptămâni pot fi realizate în doar câteva zile.
Această viteză permite analizarea unui număr mult mai mare de scenarii posibile.
Simulările digitale ar putea accelera energia nucleară
Pe lângă creșterea siguranței, simulările digitale oferă și avantaje economice.
Inginerii pot crea „digital twins” – modele virtuale ale reactoarelor nucleare, care pot înlocui multe dintre experimentele fizice costisitoare.
Acest lucru ar putea accelera procesul de autorizare pentru reactoare nucleare avansate, considerate o sursă importantă de energie fără emisii de carbon.
În viitor, cercetătorii intenționează să integreze și inteligență artificială în aceste simulări pentru a îmbunătăți și mai mult precizia și viteza analizelor.