وبلاگ

همانطور که منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید به طور فزاینده ای به شبکه برق کشور اضافه می شوند، انرژی هسته ای قدیمی نیز برای تجدید حیات آماده است.

در 20 سال گذشته، راکتورهای شکافت هسته ای سهم تقریباً بدون تغییری از برق کشور تولید کرده اند: حدود 20 درصد. اما این درصد ممکن است به زودی شروع به افزایش کند. ظهور راکتورهای کوچک مدولار یا SMRها و مفاهیم راکتور پیشرفته یا ARC ها، نشان دهنده نسل جدیدی از انرژی شکافت است. SMR ها به طور قابل توجهی کوچکتر از اکثر راکتورهای هسته ای تجاری امروزی هستند و از طرح های استاندارد شده استفاده می کنند، در نتیجه هزینه ساخت و زمان تولید را کاهش می دهند. در همین حال، ARC ها در حال تحقیق در مورد فناوری های جدید برای تولید انرژی شکافت کارآمدتر و ایمن تر هستند.

راکتور ماژولار کوچک Exascale یا ExaSMR مجموعه ای از کدهای شبیه سازی بهینه شده با مقیاس exa است که هدف آن ارائه بالاترین وضوح شبیه سازی راکتورها تا به امروز به مهندسان صنعت هسته ای است و به نوبه خود به پیشرفت قدرت تقسیم کمک می کند. پروژه ExaSMR که از سال 2016 توسط پروژه محاسباتی Exascale DOE پشتیبانی می‌شود، به دنبال بهره‌برداری از قدرت نسل بعدی ابررایانه‌های مقیاس بزرگ (که قادر به انجام حداقل یک کوئینتیلیون محاسبه در ثانیه هستند) است تا شبیه‌سازی در مقیاس بزرگ راکتورهای هسته‌ای را در دسترس‌تر کند. و دقیق تر از وضعیت فعلی هنر.

اجرای ExaSMR روی ابررایانه Frontier ORNL – یک سیستم اگزا مقیاس HPE Cray که در حال حاضر به عنوان سریع‌ترین سیستم در جهان رتبه‌بندی می‌شود – سرعت 100 برابری کدهای خود را در مقایسه با شبیه‌سازی‌های پایه اجرا شده در Titan، قوی‌ترین ابررایانه ایالات متحده در سال 2016 نشان داد. سپس ECP شروع به کار کرد. توسعه نرم‌افزار پیشرفته برای ورود ابررایانه‌های اگزا اسکیل، که با اولین حضور Frontier در سال 2022 اتفاق افتاد.

استفان همیلتون، مدیر پروژه ExaSMR گفت: «با پیش‌بینی دقیق چرخه سوخت یک راکتور هسته‌ای، ExaSMR تعداد آزمایش‌های فیزیک را که طراحان راکتور باید برای توجیه استفاده از سوخت انجام دهند، کاهش می‌دهد». “تا حد زیادی، این چیزی است که شبیه‌سازی شرکت‌ها را می‌خرد: توانایی پیش‌بینی که به شما می‌گوید ویژگی‌های خاصی چگونه عمل می‌کنند تا مجبور نباشید به صورت فیزیکی آزمایش‌های زیادی بسازید یا اجرا کنید، که بسیار گران هستند.”

جفت کردن کدهای فیزیک

راکتورهای هسته‌ای تجاری با شکافتن هسته‌های اورانیوم برای آزاد کردن انرژی در فرآیندی به نام شکافت، الکتریسیته تولید می‌کنند. این انرژی آب را به بخار تبدیل می کند که توربین های تولید برق را تبدیل می کند. ExaSMR دقیق‌ترین کدهای کامپیوتری موجود را برای مدل‌سازی فیزیک این عملیات ادغام می‌کند و یک جعبه ابزار ایجاد می‌کند که می‌تواند کل فرآیند شکافت راکتور را پیش‌بینی کند. این جعبه ابزار شامل کدهای Shift و OpenMC برای انتقال ذرات نوترون و تخلیه سوخت راکتور و کد NekRS برای دینامیک سیالات حرارتی است.

اگرچه اکثر این کدها در علم و صنعت به خوبی تثبیت شده اند، تیم ExaSMR آنها را به طور کامل به exascale تبدیل کرده است. در طول هفت سال گذشته، محققان ORNL، آزمایشگاه ملی Argonne، MIT و دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا کدهای ابررایانه‌های بزرگ مقیاس مانند Frontier و Argonne’s Aurora را بهینه کرده‌اند.

همیلتون، محقق و توسعه‌دهنده گروه روش‌های HPC برای کاربردهای هسته‌ای ORNL، می‌گوید: «کاری که ما در ExaSMR انجام می‌دهیم شبیه‌سازی فیزیک جفت شده بین انتقال نوترون و دینامیک سیال است – این دو کد فیزیک به عقب و جلو صحبت می‌کنند.

انتقال نوترون به شما می گوید که گرما در کجا تولید می شود. این گرما منبع محاسبه دینامیک سیال می شود. دینامیک سیالات دمای حاصل از این منبع گرما را محاسبه می کند. و سپس می توانید پارامترها را در شبیه سازی تنظیم کنید تا زمانی که انتقال نوترون و دینامیک سیال مطابقت داشته باشند.

توانایی ExaSMR برای مدل‌سازی دقیق کل فرآیند راکتور با وضوح بالا – مقدار گرمای تولید شده توسط شکافت هسته‌ای، توانایی راکتور برای انتقال آن گرما به ژنراتورهای برق و طول عمر مورد انتظار کل سیستم – بینش‌های کلیدی را در اختیار مهندسان قرار می‌دهد تا اطمینان حاصل کنند که ایمنی و کارایی طراحی راکتور آن

بعدی ExaSMR چیست؟

تیم ExaSMR با مشارکت وستینگهاوس، تولیدکننده فناوری انرژی هسته ای تجاری، برای دریافت کمک هزینه چالش محاسباتی رهبری از دفتر تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته DOE درخواست داد. وستینگهاوس می خواهد تأثیر استفاده از سوخت غنی شده به سطوح بالاتر اورانیوم 235 شکافت پذیر نسبت به آنچه که در حال حاضر در راکتورهایش استفاده می شود را ارزیابی کند. راه اندازی ExaSMR Frontier به این شرکت اجازه می دهد تا شبیه سازی های با وفاداری بالا را برای پیش بینی نحوه عملکرد انواع مختلف سوخت در صورت استفاده در یک راکتور فعال انجام دهد.

به همین ترتیب، همیلتون می خواهد ExaSMR را برای فناوری های فعلی ARC که در صنعت انرژی مورد بررسی قرار می گیرند، اعمال کند. برنامه نمایش رآکتور پیشرفته دفتر DOE انرژی هسته ای بودجه ای را برای شرکت های تجاری برای تسریع نمایش راکتورهای پیشرفته فراهم می کند. دو راکتور از این قبیل برای استقرار کوتاه مدت تا سال 2027 در نظر گرفته شده است: راکتور Xe-100 سنگریزه ای X-energy و راکتور سریع خنک کننده با سدیم TerraPower. پنج پروژه دیگر از Kairos، Westinghouse، BWX Technologies، Holtec International و Southern Company در حال افزایش برای استقرار طولانی مدت هستند.

همیلتون تصور می کند که ExaSMR به ابزاری ضروری برای شرکت هایی تبدیل شود که وارد عصر جدیدی از انرژی هسته ای می شوند.

او گفت: «شرکت‌های مختلف در حال بررسی انواع مختلفی از طرح‌های راکتور هستند و شبیه‌سازی‌های با کارایی بالا و با وفاداری بالا که در حال توسعه هستیم، ویژگی‌های بسیار جذابی برای طراحان دارد. بعید است در آینده نزدیک اعتماد کافی به شبیه‌سازی‌ها برای جایگزینی کامل آزمایش‌ها داشته باشیم، اما اگر بتوانیم تعداد آزمایش‌های انجام‌شده را کاهش دهیم، ممکن است سود زیادی برای این شرکت‌ها به همراه داشته باشد.»