Projetar um novo tipo de reator nuclear é um empreendimento complicado que requer bilhões de dólares e anos de desenvolvimento. O que mais, há uma vasta gama de configurações propostas para reatores nucleares de próxima geração que os cientistas esperam que produzam eletricidade com segurança, custo eficaz e eficiente.

Por causa do alto custo, os cientistas estão aproveitando o poder da computação de alto desempenho para enfrentar muitos dos desafios associados ao design e desempenho de reatores.

No Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), pesquisadores estão executando um amplo conjunto de códigos computacionais nos supercomputadores do laboratório alojados no Argonne Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility, alavancando recursos disponíveis em apenas alguns locais ao redor do mundo para lidar com alguns dos desafios científicos mais complexos e em grande escala.

"Temos um bom entendimento das leis que sustentam a física do reator e a hidráulica térmica, portanto, as ferramentas de modelagem e simulação nos dão a capacidade de analisar projetos de reatores potenciais virtualmente, "disse a engenheira nuclear de Argonne, Emily Shemon.

Dentro do modelo

O objetivo final dos esforços de modelagem e simulação nuclear em Argonne e em outras partes do complexo de laboratórios nacionais do DOE é remover alguns dos obstáculos iniciais que a indústria nuclear enfrenta ao contemplar o design, licenciamento e implantação de reatores de próxima geração. "O objetivo dos esforços de modelagem dos laboratórios é preencher as lacunas de conhecimento para a indústria, "Shemon disse." Eles podem ser capazes de usar nossos códigos e modelos para informar suas decisões de design se pudermos fazer parte do trabalho braçal. "

Um grande esforço de pesquisa em Argonne concentra-se na simulação do fluxo turbulento em reatores rápidos resfriados a sódio. Esses reatores intrigam os cientistas há décadas por causa de sua capacidade de usar combustível de forma eficiente, produzindo menos resíduos do que a frota existente de reatores leves refrigerados a água.

Os reatores rápidos resfriados a sódio também têm uma vantagem inerente considerável:existem várias medidas de segurança embutidas que são ativadas automaticamente, mesmo em casos de falha dos sistemas do reator.

Conforme o refrigerante flui em torno de um feixe de pinos de combustível no núcleo do reator, ele carrega o calor para longe do conjunto de combustível. O sódio aquecido tende a flutuar em cima do sódio mais frio, criando um padrão de circulação semelhante a uma lâmpada de lava que evita que qualquer área fique muito quente.

A visualização dos movimentos intrincados das espirais e redemoinhos de fluido quente e frio requer computação de alto desempenho, disse o engenheiro computacional da Argonne, Aleksandr Obabko. "Tentamos modelar turbulência diretamente, o mais próximo possível da resolução necessária, usando supercomputadores, "disse ele." Precisamos de supercomputadores porque há muitos vórtices para modelar, e porque todos eles contribuem para o processo de mixagem. "

Os pesquisadores de Argonne também usam modelos para ilustrar os efeitos geométricos do reator ou do conjunto de combustível no transporte de calor e fluxo de fluido.

Para modelar a mistura e turbulência em um reator nuclear, Obabko e seus colegas usam um código computacional chamado Nek5000 para resolver questões relacionadas à dinâmica de fluidos computacional. Nek5000 é um código de mecânica dos fluidos de propósito geral usado para modelar fluxos vasculares, aerodinâmica, e motores de combustão interna, bem como ambientes de reatores nucleares.

Nek5000 oferece uma série de vantagens sobre algoritmos computacionais concorrentes, mas, principalmente, reduz drasticamente o tempo e as despesas computacionais necessárias para resolver as soluções. "No momento em que a maioria dos outros códigos chega a 80 por cento da solução, estamos em 90 por cento, e isso pode fazer uma grande diferença em termos de despesas de computação, "disse o cientista computacional de Argonne, Paul Fischer, que projetou Nek5000.

Validando os modelos e explorando novas fronteiras

Por si próprios, os códigos de computador podem lançar muita luz sobre o funcionamento interno de um reator nuclear. Para saber com que precisão a saída de um modelo computacional está de acordo com a realidade, é necessário ser capaz de comparar os resultados com os dados de experimentos, um processo conhecido como validação. Para alguns tipos de reatores avançados, tais dados experimentais são limitados e caros para gerar para cobrir todas as variações de projeto. Portanto, Os recursos modernos de modelagem e simulação visam atingir um nível mais alto de previsibilidade sem depender tanto de experimentos.

"Ainda não podemos confiar totalmente em nossos modelos computacionais sem dados experimentais, mas podemos fazer uso de quaisquer dados experimentais limitados disponíveis, "Shemon disse." Então, o que temos é um processo iterativo no qual os designers usam nosso software para fazer a análise preliminar, permitindo que eles reduzam as opções de design ou façam melhorias em seus sistemas, e validar seu design final com testes mais direcionados. "

Um modelo verdadeiramente útil não apenas reproduz o que os cientistas podem ver experimentalmente, mas também pode complementar os dados conhecidos e permitir que os pesquisadores façam previsões com mais confiança. Isso é particularmente importante para projetos de reatores avançados com diferentes tipos de refrigerante e opções de combustível.

Como existem tantos projetos novos em potencial que foram propostos - variando de reatores rápidos resfriados a sódio como os estudados por Obabko até aqueles resfriados por gás ou sais fundidos - a computação avançada representa o melhor caminho que os pesquisadores têm para avaliar as capacidades de seus projetos .

Na maioria dos casos, os códigos de computador devem trocar informações sobre as taxas de geração de calor, temperaturas, e tensões e tensões porque o neutrônico, fenômenos térmicos e estruturais têm impacto um sobre o outro. Desta maneira, O programa de modelagem nuclear de Argonne tem dois objetivos:primeiro, para desenvolver a física do reator central, hidráulica térmica, estrutura mecânica, e ferramentas de modelagem de combustíveis e materiais; segundo, para criar recursos de análise multifísica que capturem a interdependência entre todos esses campos.

Colhendo os benefícios

Mesmo quando os pesquisadores não têm a capacidade de validar diretamente seus códigos, o desenvolvimento de modelos mais próximos dos primeiros princípios de fidelidade representa uma melhoria em muitos aspectos dos códigos de ordem inferior que podem ter sido validados no passado. Por exemplo, os códigos de alta fidelidade permitem que os pesquisadores obtenham uma compreensão mais precisa das grandezas para as quais antes tinham apenas um valor médio.

"Os códigos de ordem inferior anteriores eram precisos, mas eles eram, num sentido, embaçado, "Shemon disse." Esses novos códigos de alta fidelidade nos dão a capacidade de ser muito mais precisos em termos de energia, espaço e tempo."

Uma maneira pela qual os códigos de alta fidelidade podem melhorar o projeto e a operação de um reator é reduzindo a incerteza nas tolerâncias - ou margens de temperatura - necessárias para a operação segura e eficiente do reator. Em um exemplo, Os pesquisadores da Argonne executam modelos com os melhores cenários, em que os pinos de combustível e seu revestimento são fabricados exatamente de acordo com as especificações. Então, eles também executam cenários de pior caso, em que esses componentes diferem de seus ideais para contabilizar as incertezas e tolerâncias, e compare a diferença em como o reator se comporta virtualmente para avaliar as margens de segurança.

Na opinião de Shemon, este projeto e outros na Argonne apoiam uma ampla, objetivo abrangente. “Nosso principal objetivo é aumentar a disponibilidade de informações para projetos avançados de reatores, "disse ela." Estamos tentando tornar mais seguro, mais rápido, design mais econômico por meio de modelagem e simulação. Tudo o que fazemos é voltado para isso. "