Πώς θα χρησιμοποιηθεί αυτός ο υπερυπολογιστής για το σχεδιασμό πυρηνικών αντιδραστήρων

Το Εθνικό

Εργα

στήριο Argonne στο Lemont του Ιλινόις, αποκτά έναν νέο υπερυπολογιστή, τον Aurora, τον οποίο οι επιστήμονές του θα χρησιμοποιήσουν για να μελετήσουν τη βέλτιστη

σχέδια πυρηνικών αντιδραστήρων

. Προς το παρόν, το εργαστήριο χρησιμοποιεί ένα σύστημα που ονομάζεται

Polaris

μια μηχανή 44 πετάφλοπς που μπορεί να εκτελέσει περίπου 44 τετρασεκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο.

Το Aurora, το οποίο εγκαθίσταται αυτήν τη στιγμή, θα έχει περισσότερα από 2 exaflops υπολογιστικής ισχύος, δίνοντάς του τη δυνατότητα να κάνει 2 πεντα εκατομμύριο υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο—σχεδόν 50 φορές περισσότερους από το παλιό σύστημα. Μόλις το πρωτοφανές μηχάνημα κυκλοφορήσει στο διαδίκτυο, αναμένεται να ηγηθεί της λίστας TOP500 που κατατάσσει τους πιο ισχυρούς υπολογιστές στον κόσμο. Αναμενόταν να αρχίσει να τρέχει νωρίτερα, αλλά είχε

καθυστερήσεις λόγω κατασκευαστικών προβλημάτων

.

Ένας ισχυρότερος υπερυπολογιστής σημαίνει ότι οι πυρηνικοί

επιστήμονες

μπορούν να προσομοιώσουν τη θεμελιώδη φυσική που κρύβεται πίσω από τις αντιδράσεις με όσο το δυνατόν περισσότερες λεπτομέρειες, κάτι που θα τους επιτρέψει να κάνουν καλύτερες εκτιμήσεις της συνολικής ασφάλειας και αποτελεσματικότητας των νέων σχεδίων αντιδραστήρων.

Πυρηνικοί αντιδραστήρες

είναι η καρδιά ενός πυρηνικού σταθμού. Εδώ, συμβαίνει μια διαδικασία που ονομάζεται σχάση, η οποία οδηγεί σε μια σειρά από πυρηνικές αλυσιδωτές αντιδράσεις που παράγουν απίστευτα επίπεδα θερμότητας, η οποία χρησιμοποιείται για να μετατρέψει το

νερό

σε ατμό για να περιστρέψει μια τουρμπίνα που στη συνέχεια δημιουργεί ηλεκτρισμό.

«Οποιοσδήποτε εκεί έξω που σχεδιάζει ενεργά έναν αντιδραστήρα θα χρησιμοποιήσει αυτό που ονομάζουμε «εργαλεία ταχύτερης λειτουργίας» που θα εξετάσουν τα πράγματα σε επίπεδο συστήματος και θα κάνουν προσεγγίσεις για τον ίδιο τον πυρήνα του αντιδραστήρα», Dillon Shaver, κύριος πυρηνικός μηχανικός στο Argonne. Εθνικό Εργαστήριο, λέει

Popsci

. “[At Argonne] κάνουμε όσο το δυνατόν πιο κοντά στους θεμελιώδεις φυσικούς υπολογισμούς, κάτι που απαιτεί τεράστια ανάλυση και τεράστιο αριθμό αγνώστων. Μεταφράζεται σε τεράστιο ποσό υπολογιστικής ισχύος».

Η δουλειά του Shaver, με λίγα λόγια, είναι να κάνει τα μαθηματικά που εμποδίζουν τους αντιδραστήρες να λιώσουν. Αυτό περιλαμβάνει μια βαθιά κατανόηση του πώς συμπεριφέρονται διαφορετικοί τύποι ψυκτικών υγρών, πώς ρέει το υγρό γύρω από τα διαφορετικά

εξαρτήματα

του αντιδραστήρα και τι είδους μεταφορά θερμότητας συμβαίνει.

[Related: Why do nuclear power

plants

need electricity to stay safe?]

Σύμφωνα με την

Τμήμα Ενέργειας

, «όλοι οι εμπορικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες στις ΗΠΑ είναι αντιδραστήρες ελαφρού νερού. Αυτό σημαίνει ότι χρησιμοποιούν κανονικό νερό τόσο ως ψυκτικό όσο και ως συντονιστή νετρονίων». Και οι περισσότεροι ενεργοί αντιδραστήρες ελαφρού νερού έχουν γεωμετρικό σχέδιο ακίδων καυσίμου, όπου μεγάλες συστοιχίες ακίδων καυσίμου (μεγάλοι σωλήνες που περιέχουν το καύσιμο, συνήθως ουράνιο, που απαιτείται για τις αντιδράσεις σχάσης) είναι διατεταγμένες σε ένα ορθογώνιο πλέγμα.

Η επόμενη γενιά σχεδίων αντιδραστήρων που ερευνά ο Shaver και η ομάδα του περιλαμβάνει ταχείς αντιδραστήρες υγρού μετάλλου τυλιγμένους με σύρμα. Οι αντιδραστήρες τοποθετούνται σε ένα τριγωνικό πλέγμα αντί για ένα ορθογώνιο, και είναι επίσης τυλιγμένοι με ένα λεπτό σύρμα που σχηματίζει ένα είδος έλικας γύρω από τον πείρο καυσίμου. «Αυτό οδηγεί σε κάποια πραγματικά περίπλοκη συμπεριφορά ροής επειδή το υγρό [liquid metals like sodium] πρέπει να κινηθεί γύρω από αυτό το σύρμα και συνήθως προκαλεί την ανάπτυξη ενός σπειροειδούς σχεδίου. Αυτό έχει μερικές ενδιαφέρουσες επιπτώσεις στη μεταφορά θερμότητας», εξηγεί ο Shaver. «Πολλή ώρα το ενισχύει, κάτι που είναι πολύ επιθυμητό», επειδή είναι σε θέση να αντλήσει περισσότερη ισχύ από μια συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου.

Ωστόσο, με τα προηγμένα σχέδια όπως το περιτύλιγμα καλωδίων, «είναι λίγο πιο περίπλοκο να αντλεί κανείς το υγρό γύρω από αυτά τα καλώδια σε σύγκριση με ένα ανοιχτό μοντέλο», προσθέτει, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε να πάρει και περισσότερη ενέργεια εισόδου.

Μια άλλη δημοφιλής επιλογή ονομάζεται αντιδραστήρας με βότσαλο, ο οποίος περιλαμβάνει μια σειρά από βότσαλα γραφίτη περίπου στο μέγεθος μιας μπάλας του τένις που ενσωματώνονται στο πυρηνικό καύσιμο. «Τα χαϊδεύεις τυχαία σε ένα ανοιχτό δοχείο και αφήνεις το υγρό να ρέει γύρω τους», λέει ο Shaver. «Αυτό είναι ένα πολύ διαφορετικό σενάριο σε σύγκριση με αυτό που έχουμε συνηθίσει με τους αντιδραστήρες ελαφρού νερού, επειδή τώρα όλο το ρευστό μπορεί να κινηθεί μέσα από αυτούς τους τυχαίους χώρους ανάμεσα στα βότσαλα». Αυτό έχει πολλά οφέλη για

ψύξη χαμηλής ενέργειας

.

Με τα πρόσφατα προτεινόμενα σχέδια, ο στόχος είναι τελικά να παράγετε περισσότερη ισχύ ενώ καταναλώνετε λιγότερη ενέργεια. λέει ο Shaver. “Υπάρχει ένα ενδιαφέρον κόστος-όφελος εκεί.” Ορισμένες από τις συμβιβασμούς μπορεί να είναι σημαντικές και αυτές οι προσομοιώσεις υπερυπολογιστών υπόσχονται να δώσουν πιο ακριβείς αριθμούς από ποτέ, επιτρέποντας στους επερχόμενους πυρηνικούς σταθμούς να λειτουργούν με σχέδια που είναι όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά και πράσινα.