Diseñar un nuevo tipo de reactor nuclear es una tarea complicada que requiere miles de millones de dólares y años de desarrollo. Y lo que es más, Existe una amplia gama de diferentes configuraciones propuestas para los reactores nucleares de próxima generación que los científicos esperan producirán electricidad de manera segura. rentable y eficiente.

Debido al alto costo, Los científicos están aprovechando el poder de la computación de alto rendimiento para abordar muchos de los desafíos asociados con el diseño y el rendimiento de los reactores.

En el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los investigadores están ejecutando un amplio conjunto de códigos computacionales en las supercomputadoras del laboratorio ubicadas en Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, aprovechar los recursos disponibles en solo unos pocos sitios en todo el mundo para abordar algunos de los desafíos científicos más complejos y de gran escala.

"Conocemos bien las leyes que sustentan la física de los reactores y la hidráulica térmica, por lo que las herramientas de modelado y simulación nos brindan la capacidad de analizar virtualmente diseños de reactores potenciales, ", dijo la ingeniera nuclear de Argonne, Emily Shemon.

Dentro del modelo

El objetivo final de los esfuerzos de modelado y simulación nuclear en Argonne y en otros lugares del complejo de laboratorios nacionales del DOE es eliminar algunos de los obstáculos iniciales que enfrenta la industria nuclear al contemplar el diseño. concesión de licencias y despliegue de reactores de próxima generación. "El propósito de los esfuerzos de modelado de los laboratorios es llenar los vacíos de conocimiento para la industria, ", Dijo Shemon." Es posible que puedan usar nuestros códigos y modelos para informar sus decisiones de diseño si podemos hacer parte del trabajo preliminar ".

Un importante esfuerzo de investigación en Argonne se centra en la simulación del flujo turbulento en reactores rápidos refrigerados por sodio. Estos reactores han intrigado a los científicos durante décadas debido a su capacidad para utilizar el combustible de manera eficiente. produciendo menos residuos que la flota existente de reactores ligeros refrigerados por agua.

Los reactores rápidos refrigerados por sodio también tienen una ventaja inherente considerable:hay varias medidas de seguridad integradas que se activan automáticamente incluso en los casos en que los sistemas del reactor fallan.

A medida que el refrigerante fluye alrededor de un haz de clavijas de combustible en el núcleo del reactor, aleja el calor del conjunto de combustible. El sodio calentado tiende a flotar sobre el sodio más frío, creando un patrón de circulación similar a una lámpara de lava que evita que cualquier área se caliente demasiado.

Visualizar los intrincados movimientos de los verticilos y remolinos de fluidos fríos y calientes requiere computación de alto rendimiento, dijo el ingeniero computacional de Argonne, Aleksandr Obabko. "Intentamos modelar la turbulencia directamente, lo más cerca posible de la resolución necesaria, usando supercomputadoras, ", dijo." Necesitamos supercomputadoras porque hay muchos vórtices que modelar, y porque todos contribuyen al proceso de mezcla ".

Los investigadores de Argonne también utilizan modelos para ilustrar los efectos geométricos del reactor o el conjunto de combustible sobre el transporte de calor y el flujo de fluidos.

Para modelar la mezcla y la turbulencia en un reactor nuclear, Obabko y sus colegas utilizan un código computacional llamado Nek5000 para resolver preguntas relacionadas con la dinámica de fluidos computacional. Nek5000 es un código de mecánica de fluidos de uso general que se utiliza para modelar flujos vasculares, aerodinámica, y motores de combustión interna, así como entornos de reactores nucleares.

Nek5000 ofrece una serie de ventajas sobre los algoritmos computacionales de la competencia, pero lo más notable es que reduce drásticamente el tiempo y los gastos computacionales necesarios para resolver las soluciones. "Para cuando la mayoría de los demás códigos lleguen al 80 por ciento de la solución, estamos al 90 por ciento, y eso puede marcar una gran diferencia en términos de gastos de computación, "dijo el científico computacional de Argonne Paul Fischer, quien diseñó Nek5000.

Validando los modelos y explorando nuevas fronteras

Por ellos mismos, Los códigos de computadora pueden arrojar mucha luz sobre el funcionamiento interno de un reactor nuclear. Para saber con qué precisión la salida de un modelo computacional se ajusta a la realidad requiere la capacidad de comparar los resultados con los datos de los experimentos, un proceso conocido como validación. Para algunos tipos de reactores avanzados, Estos datos experimentales son limitados y costosos de generar para cubrir todas las variaciones de diseño. Por lo tanto, Las capacidades modernas de modelado y simulación tienen como objetivo lograr un mayor nivel de predicción sin depender tanto de los experimentos.

"Todavía no podemos confiar plenamente en nuestros modelos computacionales sin datos experimentales, pero podemos hacer uso de los datos experimentales limitados que estén disponibles, Shemon dijo. lo que tenemos es un proceso iterativo en el que los diseñadores utilizan nuestro software para realizar el análisis preliminar, permitiéndoles reducir las opciones de diseño o realizar mejoras en sus sistemas, y validar su diseño final con pruebas más específicas ".

Un modelo verdaderamente útil no solo reproduce lo que los científicos pueden ver experimentalmente, pero también puede complementar los datos conocidos y permitir a los investigadores hacer predicciones con más confianza. Esto es particularmente importante para diseños de reactores avanzados con diferentes tipos de opciones de refrigerante y combustible.

Debido a que se han propuesto tantos diseños nuevos potenciales, que van desde reactores rápidos refrigerados por sodio como los estudiados por Obabko hasta los refrigerados por gas o por sales fundidas, la informática avanzada representa la mejor vía que tienen los investigadores para evaluar las capacidades de sus diseños. .

En la mayoría de los casos, los códigos informáticos deben intercambiar información sobre las tasas de generación de calor, temperaturas y tensiones y tensiones debido a que el neutrónico, Los fenómenos térmicos y estructurales se repercuten mutuamente. De este modo, El programa de modelado nuclear de Argonne tiene dos objetivos:Primero, para desarrollar la física del reactor central, hidráulica térmica, mecánica de estructuras, y herramientas de modelado de combustibles y materiales; segundo, para crear capacidades de análisis multifísico que capturen la interdependencia entre todos estos campos.

Cosechando los beneficios

Incluso cuando los investigadores no tienen la capacidad de validar directamente sus códigos, El desarrollo de modelos de mayor fidelidad más cercanos a los primeros principios representa una mejora en muchos aspectos de los códigos de orden inferior que pueden haber sido validados en el pasado. Por ejemplo, Los códigos de mayor fidelidad permiten a los investigadores obtener una comprensión más precisa de las cantidades para las que anteriormente solo tenían un valor promedio.

"Los códigos anteriores de bajo orden eran precisos, pero eran, en un sentido, borroso, ", Dijo Shemon." Estos nuevos códigos de alta fidelidad nos dan la capacidad de ser mucho más precisos en términos de energía, espacio y tiempo."

Una forma en que los códigos de alta fidelidad pueden mejorar el diseño y la operación de un reactor es reduciendo la incertidumbre en las tolerancias —o márgenes de temperatura— requeridos para una operación segura y eficiente del reactor. En un ejemplo, Los investigadores de Argonne ejecutan modelos con los mejores escenarios, en el que los pasadores de combustible y su revestimiento se fabrican exactamente según las especificaciones. Luego, también ejecutan los peores escenarios, en el que estos componentes difieren de su ideal para tener en cuenta las incertidumbres y tolerancias, y comparar la diferencia en cómo se comporta virtualmente el reactor para evaluar los márgenes de seguridad.

En opinión de Shemon, este proyecto y otros en Argonne apoyan un proyecto más amplio, objetivo general. "Nuestro principal objetivo es aumentar la disponibilidad de información para diseños avanzados de reactores, ", dijo." Estamos tratando de permitir más seguros, más rápido, Diseño más económico mediante modelado y simulación. Todo lo que hacemos está orientado a eso ".