A beleza intrínseca das bolhas - aquelas esferas finas e aquosas cheias de ar ou outros gases - há muito capturam a imaginação de crianças e adultos. Mas as bolhas também são um eixo da engenharia nuclear, ajudando a explicar o mundo natural, prever questões de segurança e melhorar a operação das frotas nucleares existentes e da próxima geração.

Por muitos anos, modelar este fenômeno natural foi um desafio, problema demorado, com os pesquisadores amplamente limitados a experimentos que produziram apenas algumas bolhas de cada vez. Gerar as milhares de bolhas necessárias para modelar e prever o comportamento das bolhas teria demorado muito - mais de 10 anos.

"Uma coisa é simular algumas bolhas tentando entender o que está acontecendo lá. Você realmente precisa simular milhares delas para entender o comportamento típico." - Igor Bolotnov, um professor de engenharia nuclear na North Carolina State University

Felizmente, supercomputadores de alto desempenho, como a máquina Mira, localizado no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), estão permitindo que os cientistas enfrentem problemas cada vez mais complexos e os resolvam com mais rapidez. Essas máquinas foram um desenvolvimento especialmente bem-vindo para o Dr. Igor Bolotnov, porque as bolhas são centrais para sua pesquisa.

Bolotnov, professor de engenharia nuclear na North Carolina State University, está trabalhando para entender melhor o fenômeno da ebulição, formação de bolhas e fluxo borbulhante de duas fases dentro de reatores nucleares, que dependem da conversão de água / vapor para produzir energia.

"Estamos simulando bolhas no núcleo do reator para que possamos estudar o comportamento das bolhas em um nível de detalhe experimental que não pode ser observado diretamente, devido às condições desafiadoras, "Bolotnov explicou." Uma coisa é simular algumas bolhas tentando entender o que está acontecendo lá. Você realmente precisa simular milhares deles para entender o comportamento típico. "

Mesmo uma década atrás, tal simulação teria sido impossível. Mas com o surgimento da supercomputação, os dados necessários para Bolotnov foram gerados no equivalente a três dias em Mira.

Emily Shemon é engenheira nuclear na divisão de Engenharia Nuclear da Argonne e membro da equipe científica da Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), que abriga Mira e fornece recursos de supercomputação para a comunidade científica e de engenharia. Com o apoio do DOE's Office of Science, Programa de Pesquisa em Computação Científica Avançada (ASCR), A ALCF é uma das duas instalações de computação de liderança do DOE no país dedicadas à ciência aberta.

De acordo com Shemon, que serviu como contato de Bolotnov em Argonne, existe um processo competitivo para usar o Mira; muito mais pesquisadores querem usar a máquina do que pode ser suportado, mesmo com Mira funcionando 24 horas por dia. Bolotnov obteve seu prêmio de alocação por meio do ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"Uma das coisas que distingue o programa de prêmios ALCC de outros é que os destinatários tendem a ser de áreas científicas estratégicas, "Shemon disse." E a energia nuclear é considerada uma área estratégica de pesquisa. "

Em novembro de 2017, Bolotnov e Jun Fang, um pesquisador de pós-doutorado na ALCF, publicou um artigo em Nuclear Engineering and Design, detalhando o desenvolvimento de um novo método de rastreamento de bolhas que pode coletar informações detalhadas do fluxo de duas fases no nível de bolha individual. Esta estrutura analítica avançada ajudará os pesquisadores a obter insights dos "big data" produzidos pelas simulações em grande escala.

Quando se trata de melhorar a segurança e a operação de reatores nucleares, A pesquisa de Bolotnov é uma peça crítica de um quebra-cabeça ainda maior. Supervisionando esse esforço está Jess Gehin, do Oak Ridge National Laboratory, que é diretor do Consórcio para Simulação Avançada de Reatores de Água Leve (CASL), o primeiro Centro de Inovação de Energia do DOE.

A CASL foi criada em 2010 e está em uma missão agressiva de 10 anos para prever com segurança o desempenho de reatores nucleares comerciais existentes e de próxima geração por meio de modelagem e simulação com base científica, em parte, aproveitando supercomputadores de classe de liderança como Mira.

Gehin disse que o trabalho de Bolotnov, que é financiado pelo CASL, é essencial para abordar um dos principais "problemas de desafio" do programa:a formação de bolhas na superfície de uma barra de combustível nuclear (decorrente de um fenômeno conhecido como saída da ebulição nucleada).

"Quando você tiver fervido, afeta a transferência de calor. Mas se você tiver muita formação de vapor, que pode inibir a transferência de calor, "Gehin explicou." Esse é um limite de projeto para reatores nucleares. Quanto mais você entende o quão perto você está desse limite, mais flexibilidade você tem na operação da planta. "

De acordo com Gehin, CASL já está vendo resultados promissores; o programa provavelmente alcançará um marco importante no final deste ano, envolvendo modelos de fechamento de próxima geração, que será incorporado ao software de dinâmica de fluidos computacional. "A intenção é, com modelos mais fundamentais, podemos simular diretamente o efeito de ebulição de partida do nucleado, em vez de confiar tanto quanto fazemos em experimentos. "

Com a indústria privada também diretamente envolvida no CASL e extremamente interessada nesses resultados específicos, Gehin disse que o caminho para aplicações do mundo real é claro, assim como o valor duradouro do apoio público à pesquisa científica fundamental.

"Este é um ponto ideal em termos de parcerias público-privadas."