Специалисты Аргоннской национальной лаборатории (ANL) широко используют в своих расчётах ядерных реакторов возможности суперкомпьютеров, говорится в статье, опубликованной на сайте нацлаборатории в сентябре 2019 года.
Разработка новых реакторных технологий требует больших объёмов поисковых и вариантных расчётов. В ANL для этих целей под эгидой министерства энергетики США действует вычислительный центр "Argonne Leadership Computing Facility".
Вычислительные ресурсы, которыми он обладает, одни из наиболее мощных в мире, говорится в статье.
"У нас есть хорошее понимание законов, лежащих в основе физики реакторов и теплогидравлики, поэтому инструменты численного моделирования дают нам возможность для виртуального анализа потенциальных реакторных проектов", - поясняет специалист ANL Эмили Шимон.
Одна из задач нацлаборатории - помогать атомной отрасли в устранении тех препятствий, с которыми она сталкивается при разработке, лицензировании и развёртывании реакторов следующего поколения.
"Цель наших усилий - заполнять пробелы в знаниях для отрасли. Они могут использовать наши коды и модели для своих проектных решений", - говорит Шимон.
Среди исследовательских работ, которые сейчас проводятся в ANL - моделирование турбулентных потоков в быстрых реакторах с натриевым теплоносителем.
Быстрые натриевые реакторы привлекают внимание учёных, так как они способны эффективно использовать ядерное топливо, производя меньше отходов, чем реакторы с лёгкой водой. Кроме того, они обладают чертами внутренне присущей безопасности.
"Мы стараемся моделировать турбулентность потоков натрия как можно ближе к реальности и используем для этого суперкомпьютеры", - говорит инженер ANL Александр Обабко. - "Суперкомпьютеры нужны, потому что в турбулентных потоках множество вихрей, и каждый из них вносит вклад в процесс смешивания".
В своих расчётах в ANL используют CFD-код Nek5000. Он обладает целым рядом преимуществ перед аналогичными кодами, в частности, с точки зрения быстродействия.
"К моменту, когда большинство других кодов решат задачу на 80%, у нас будет уже 90% решения", - поясняет разработчик "Nek5000" Пол Фишер.
CFD-моделирование - это отдельный раздел механики сплошных сред, который включает совокупность физических, математических и численных методов, изучающий любые разновидности течения жидкости и газа. Оно идёт от "первых" принципов, с использованием уравнений Навье-Стокса и замыкающих соотношений.
В большинстве случаев сегодня требуется использовать комплексные коды, поскольку нейтроника, теплогидравлика и механика в ядерном реакторе влияют друг на друга. Поэтому в ANL стремятся разрабатывать инструменты для мультидисциплинарного анализа, отражающего взаимозависимость между различными областями реакторной науки.
Расчётные коды не могут служить истиной в последней инстанции. Чтобы знать, насколько точно они описывают процессы, происходящие в ядерном реакторе, требуется сравнение с экспериментами.
Но для многих перспективных реакторов объём доступных экспериментальных данных ограничен, а их получение дорогостоящее. Таким образом, современные тенденции в области численного моделирования направлены на достижение более высокого уровня предсказательной способности кодов, что позволило бы не так сильно полагаться на эксперименты.
"Это итерационный процесс", - говорит Шимон. - "Конструкторы используют наше программное обеспечение для сужения выбора проектных решений, а затем проверяют свои оконательные решения с помощью целенаправленных испытаний".
Прецизионные коды, разрабатываемые и применяемые в нацлаборатории, дают ещё одно преимущество. Они позволяют получать не только усреднённые значения параметров, как многие из инженерных программ, но и их распределения по энергии, пространству и времени.
Важное применение прецизионных кодов - уменьшение неопределённости в допусках. Так, в одной из работ специалисты ANL сравнили результаты расчётов для модели, в которой все топливные элементы изготовлены точно по спецификациям, и для модели с наихудшими допусками. Сравнение позволяет лучше понять, как реактор будет вести себя в действительности.
"Мы стремимся обеспечить более безопасное, быстрое и экономичное проектирование новых реакторов посредством численного моделирования. Всё, что мы делаем, направлено именно на это", - подчёркивает Шимон.
Финансирование этого вида деятельности нацлаборатории проходит по программе "Nuclear Energy Advanced Modeling and Simulation" (NEAMS) министерства энергетики США.
Часть средств выделяется по другим министерским программам - "Advanced Scientific Computing Research" (ASCR) и "Exascale Computing Project" (ECP), причём последняя поддерживается ещё и национальным управлением США по ядерной безопасности.