La belleza intrínseca de las burbujas, esas delgadas esferas acuosas llenas de aire u otros gases, ha capturado durante mucho tiempo la imaginación de niños y adultos por igual. Pero las burbujas también son un eje de la ingeniería nuclear, ayudando a explicar el mundo natural, predecir problemas de seguridad y mejorar el funcionamiento de las flotas nucleares existentes y de la próxima generación.

Durante muchos años, Modelar este fenómeno natural fue un desafío, problema que lleva mucho tiempo, con investigadores en gran parte limitados a experimentos que produjeron solo unas pocas burbujas a la vez. Generar las miles de burbujas necesarias para modelar y predecir el comportamiento de las burbujas habría llevado demasiado tiempo, más de 10 años.

"Una cosa es simular un par de burbujas para tratar de comprender lo que está sucediendo allí. Realmente es necesario simular miles de ellas para comprender el comportamiento típico". - Igor Bolotnov, profesor de ingeniería nuclear en la Universidad Estatal de Carolina del Norte

Afortunadamente, supercomputadoras de alto rendimiento, como la maquina Mira, ubicado en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), permiten a los científicos abordar problemas cada vez más complejos y resolverlos más rápidamente. Estas máquinas han sido un desarrollo especialmente bienvenido para el Dr. Igor Bolotnov, porque las burbujas son fundamentales para su investigación.

Bolotnov, profesor de ingeniería nuclear en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, está trabajando para comprender mejor los fenómenos de ebullición, formación de burbujas y flujo burbujeante de dos fases dentro de los reactores nucleares, que dependen de la conversión de agua / vapor para producir energía.

"Estamos simulando burbujas en el núcleo del reactor para poder estudiar el comportamiento de las burbujas con un nivel de detalle experimental que no se puede observar directamente". debido a las difíciles condiciones, "Explicó Bolotnov." Una cosa es simular un par de burbujas para tratar de entender lo que está sucediendo allí. Realmente necesita simular miles de ellos para comprender el comportamiento típico ".

Incluso hace una década tal simulación hubiera sido imposible. Pero con la aparición de la supercomputación, los datos que necesitaba Bolotnov se generaron en el equivalente a tres días en Mira.

Emily Shemon es ingeniera nuclear en la división de Ingeniería Nuclear de Argonne y miembro del equipo científico de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), que alberga a Mira y proporciona capacidades de supercomputación a la comunidad científica y de ingeniería. Con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE, Programa de Investigación en Computación Científica Avanzada (ASCR), ALCF es una de las dos instalaciones informáticas de liderazgo del DOE en la nación dedicadas a la ciencia abierta.

Según Shemon, que sirvió como enlace de Bolotnov en Argonne, existe un proceso competitivo para usar Mira; muchos más investigadores quieren usar la máquina de los que pueden admitir, incluso con Mira funcionando las 24 horas del día. Bolotnov obtuvo su premio de asignación a través del ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"Una de las cosas que distingue al programa de premios ALCC de otros es que los destinatarios tienden a ser de áreas científicas estratégicas, ", Dijo Shemon." Y la energía nuclear se considera un área estratégica de investigación ".

En noviembre de 2017, Bolotnov y Jun Fang, investigador postdoctoral en la ALCF, publicó un artículo en Ingeniería y Diseño Nuclear, detallando su desarrollo de un nuevo método de seguimiento de burbujas que puede recopilar información detallada de flujo de dos fases a nivel de burbuja individual. Este marco analítico avanzado ayudará a los investigadores a obtener conocimientos de los "grandes datos" producidos por las simulaciones a gran escala.

Cuando se trata de mejorar en última instancia la seguridad y el funcionamiento de los reactores nucleares, La investigación de Bolotnov es una pieza fundamental de un rompecabezas aún mayor. La supervisión de ese esfuerzo es Jess Gehin del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, quien es director del Consorcio para la Simulación Avanzada de Reactores de Agua Ligera (CASL), el primer centro de innovación energética del DOE.

CASL se estableció en 2010 y está en una misión agresiva de 10 años para predecir con confianza el rendimiento de los reactores nucleares comerciales existentes y de próxima generación a través de modelado y simulación basados ​​en la ciencia, en parte aprovechando supercomputadoras de clase dirigente como Mira.

Gehin dijo que el trabajo de Bolotnov, que está financiado por CASL, es esencial para abordar uno de los "problemas de desafío" clave del programa:la formación de burbujas en la superficie de una barra de combustible nuclear (derivada de un fenómeno conocido como desviación de la ebullición nucleada).

"Cuando esté hirviendo, afecta la transferencia de calor. Pero si se forma demasiado vapor, que puede inhibir la transferencia de calor, "Explicó Gehin." Ese es un límite de diseño para los reactores nucleares. Cuanto más comprenda lo cerca que está de ese límite, más flexibilidad tiene en el funcionamiento de la planta ".

Según Gehin, CASL ya está obteniendo resultados prometedores; el programa probablemente logre un hito importante a finales de este año con los modelos de cierre de próxima generación, que se incorporará al software de dinámica de fluidos computacional. "La intención es, con modelos más fundamentales, podemos simular directamente el efecto de ebullición desde el núcleo, en lugar de depender tanto como nosotros de los experimentos ".

Con la industria privada también directamente involucrada en CASL y extremadamente interesada en estos resultados particulares, Gehin dijo que el camino para las aplicaciones del mundo real es claro, al igual que el valor perdurable del apoyo público a la investigación científica fundamental.

"Este es un punto óptimo en términos de asociaciones público-privadas".