Jak bude tento superpočítač použit k návrhu jaderných reaktorů

Národní laboratoř Argonne v Lemontu ve státě Illinois získává nový superpočítač Aurora, který její vědci použijí ke studiu optimálních návrhů jaderných reaktorů. Od nynějška používá laboratoř systém zvaný Polaris, 44-petaflopový stroj, který dokáže provádět asi 44 kvadrilionů výpočtů za sekundu.

Aurora, která se v současné době instaluje, bude mít více než 2 exaflopy výpočetního výkonu, což jí dává kapacitu provádět 2 kvintilióny výpočtů za sekundu – téměř 50krát více než starý systém. Jakmile bude bezprecedentní stroj uveden online, očekává se, že povede žebříček TOP500, který žebříček nejvýkonnějších počítačů na světě. Očekávalo se, že bude spuštěn dříve, ale kvůli výrobním problémům došlo ke zpoždění.

Výkonnější superpočítač znamená, že jaderní vědci mohou simulovat základní fyziku, která je základem reakcí, co nejpodrobněji, což jim umožní lépe posoudit celkovou bezpečnost a účinnost nových návrhů reaktorů. Jaderné reaktory jsou srdcem jaderné elektrárny. Zde dochází k procesu zvanému štěpení, který vede k řadě jaderných řetězových reakcí, které produkují neuvěřitelné množství tepla, které se používá k přeměně vody na páru k roztočení turbíny, která pak vytváří elektřinu.

„Kdokoli tam venku, kdo aktivně navrhuje reaktor, použije to, čemu říkáme ‚rychleji běžící nástroje‘, které se budou dívat na věci na systémové úrovni a provedou aproximace pro samotné jádro reaktoru,“ Dillon Shaver, hlavní jaderný inženýr v Argonne. Národní laboratoř, říká Popsci. “[At Argonne] provádíme co nejblíže základním fyzikálním výpočtům, což vyžaduje obrovské množství rozlišení a obrovské množství neznámých. To se promítá do obrovského množství výpočetního výkonu.“

Úkolem Shavera je v kostce provést výpočet, který zabrání roztavení reaktorů. To zahrnuje hluboké pochopení toho, jak se chovají různé typy chladicích kapalin, jak tekutina proudí kolem různých součástí reaktoru a k jakému druhu přenosu tepla dochází.

[Related: Why do nuclear power plants need electricity to stay safe?]

Podle ministerstva energetiky „všechny komerční jaderné reaktory v USA jsou lehkovodní reaktory. To znamená, že používají normální vodu jako chladivo i moderátor neutronů. A většina aktivních lehkovodních reaktorů má design geometrie palivových kolíků, kde jsou velká pole palivových kolíků (velké trubky, které obsahují palivo, obvykle uran, potřebné pro štěpné reakce) uspořádány v pravoúhlé mřížce.

Další generace návrhů reaktorů, které Shaver a jeho tým zkoumají, zahrnují rychlé reaktory s tekutým kovem obalené drátem. Reaktory jsou umístěny v trojúhelníkové mřížce místo pravoúhlé a jsou také omotané tenkým drátem, který kolem palivového čepu tvoří jakousi šroubovici. „To vede k opravdu komplikovanému chování toku, protože tekutina.“ [liquid metals like sodium] musí se pohybovat kolem tohoto drátu a obvykle způsobí vytvoření spirálového vzoru. To má zajímavé důsledky pro přenos tepla,“ vysvětluje Shaver. „Spousta času to vylepšuje, což je velmi žádoucí věc,“ protože je schopen získat více energie z určitého množství paliva.

Avšak s pokročilými konstrukcemi, jako je obal drátu, „je o něco složitější pumpovat tekutinu kolem těchto drátů ve srovnání s pouhým otevřeným modelem,“ dodává, což znamená, že by také mohlo vyžadovat více vstupní energie.

Další oblíbená možnost se nazývá reaktor s oblázkovým ložem, který zahrnuje řadu grafitových oblázků o velikosti tenisového míčku, který je zapuštěn do jaderného paliva. „Prostě je náhodně poplácáte do otevřené nádoby a necháte kolem nich proudit tekutinu,“ říká Shaver. „To je velmi odlišný scénář ve srovnání s tím, na co jsme zvyklí u lehkovodních reaktorů, protože nyní se veškerá tekutina může pohybovat těmito náhodnými prostory mezi oblázky.“ To má mnoho výhod pro nízkoenergetické chlazení.

S nově navrženými konstrukcemi je cílem v konečném důsledku generovat více energie a zároveň vkládat méně energie. „Snažíte se zlepšit přenos tepla, který z toho získáváte, a cena, kterou zaplatíte, je to, kolik energie je potřeba k jeho čerpání.“ říká Shaver. „Je tam zajímavý poměr nákladů a přínosů.“ Některé kompromisy mohou být významné a tyto superpočítačové simulace slibují, že poskytnou přesnější čísla než kdy jindy, což umožní budoucím jaderným elektrárnám pracovat s návrhy, které jsou co nejúčinnější a nejekologičtější.