La conception d'un nouveau type de réacteur nucléaire est une entreprise compliquée nécessitant des milliards de dollars et des années de développement. Quoi de plus, il existe une vaste gamme de configurations différentes proposées pour les réacteurs nucléaires de prochaine génération qui, selon les scientifiques, produiront de l'électricité en toute sécurité, rentable et efficace.

En raison du coût élevé, les scientifiques exploitent la puissance du calcul haute performance pour relever de nombreux défis associés à la conception et aux performances des réacteurs.

Au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs exécutent une large gamme de codes de calcul sur les superordinateurs du laboratoire hébergés dans l'installation informatique de leadership d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, tirer parti des ressources disponibles sur seulement quelques sites dans le monde pour relever certains des défis scientifiques les plus complexes et à grande échelle.

« Nous avons une bonne compréhension des lois qui sous-tendent la physique des réacteurs et la thermohydraulique, ainsi, les outils de modélisation et de simulation nous donnent la possibilité d'analyser virtuellement les conceptions de réacteurs potentiels, ", a déclaré Emily Shemon, ingénieure nucléaire d'Argonne.

A l'intérieur du modèle

L'objectif final des efforts de modélisation et de simulation nucléaires à Argonne et ailleurs dans le complexe de laboratoire national du DOE est d'éliminer certains des obstacles initiaux auxquels l'industrie nucléaire est confrontée lorsqu'elle envisage la conception, l'autorisation et le déploiement des réacteurs de nouvelle génération. "Le but des efforts de modélisation des laboratoires est de combler les lacunes de connaissances pour l'industrie, ", a déclaré Shemon. "Ils pourront peut-être utiliser nos codes et nos modèles pour éclairer leurs décisions de conception si nous pouvons faire une partie du travail sur le terrain."

Un effort de recherche majeur à Argonne se concentre sur la simulation de l'écoulement turbulent dans les réacteurs rapides refroidis au sodium. Ces réacteurs intriguent les scientifiques depuis des décennies en raison de leur capacité à utiliser efficacement le combustible, produisant moins de déchets que le parc actuel de réacteurs à eau légère.

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium présentent également un avantage inhérent considérable :il existe plusieurs mesures de sécurité intégrées qui se déclenchent automatiquement même en cas de défaillance des systèmes du réacteur.

Lorsque le liquide de refroidissement s'écoule autour d'un faisceau d'aiguilles de combustible dans le cœur du réacteur, il évacue la chaleur de l'assemblage combustible. Le sodium chauffé a tendance à flotter au-dessus du sodium plus froid, créant un modèle de circulation semblable à une lampe à lave qui empêche une zone de devenir trop chaude.

Visualiser les mouvements complexes des tourbillons et des tourbillons de fluide chaud et froid nécessite un calcul haute performance, a déclaré l'ingénieur informaticien d'Argonne, Aleksandr Obabko. "Nous essayons de modéliser directement la turbulence, aussi proche que possible de la résolution nécessaire, à l'aide de supercalculateurs, " a-t-il dit. " Nous avons besoin de supercalculateurs car il y a beaucoup de vortex à modéliser, et parce qu'ils contribuent tous au processus de mélange."

Les chercheurs d'Argonne utilisent également des modèles pour illustrer les effets géométriques du réacteur ou de l'assemblage combustible sur le caloporteur et l'écoulement du fluide.

Pour modéliser le mélange et la turbulence dans un réacteur nucléaire, Obabko et ses collègues utilisent un code informatique appelé Nek5000 pour résoudre des questions liées à la dynamique des fluides informatique. Nek5000 est un code de mécanique des fluides à usage général utilisé pour la modélisation des flux vasculaires, aérodynamique, et les moteurs à combustion interne ainsi que les environnements des réacteurs nucléaires.

Nek5000 offre un certain nombre d'avantages par rapport aux algorithmes de calcul concurrents, mais plus particulièrement, il réduit considérablement le temps et les dépenses de calcul nécessaires pour résoudre les solutions. « Au moment où la plupart des autres codes atteignent 80 % de la solution, nous sommes à 90 pour cent, et cela peut faire une grande différence en termes de dépenses de calcul, " a déclaré Paul Fischer, informaticien d'Argonne, qui a conçu Nek5000.

Valider les modèles et explorer de nouvelles frontières

Par eux-mêmes, les codes informatiques ne peuvent éclairer que peu le fonctionnement interne d'un réacteur nucléaire. Pour savoir avec quelle précision la sortie d'un modèle informatique est conforme à la réalité, il faut pouvoir comparer les résultats avec les données d'expériences, un processus appelé validation. Pour certains types de réacteurs avancés, ces données expérimentales sont limitées et coûteuses à générer pour couvrir toutes les variations de conception. Par conséquent, les capacités modernes de modélisation et de simulation visent à atteindre un niveau plus élevé de prédictivité sans trop dépendre des expériences.

"Nous ne pouvons toujours pas faire entièrement confiance à nos modèles informatiques sans données expérimentales, mais nous pouvons utiliser les données expérimentales limitées disponibles, " dit Shemon. " Alors, ce que nous avons est un processus itératif dans lequel les concepteurs utilisent notre logiciel pour faire l'analyse préliminaire, leur permettant d'affiner leurs choix de conception ou d'apporter des améliorations à leurs systèmes, et valider leur conception finale avec des tests plus ciblés."

Un modèle vraiment utile ne reproduit pas seulement ce que les scientifiques peuvent voir expérimentalement, mais il peut également compléter les données connues et permettre aux chercheurs de faire des prédictions avec plus de confiance. Ceci est particulièrement important pour les conceptions de réacteurs avancées avec différents types de choix de fluide caloporteur et de combustible.

Parce qu'il y a tellement de nouvelles conceptions potentielles qui ont été proposées, allant des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium comme ceux étudiés par Obabko à ceux refroidis au gaz ou aux sels fondus, l'informatique avancée représente le meilleur moyen pour les chercheurs d'évaluer les capacités de leurs conceptions. .

Dans la plupart des cas, les codes informatiques doivent échanger des informations sur les taux de génération de chaleur, températures, et des contraintes et des déformations car le neutronique, les phénomènes thermiques et structurels s'influencent mutuellement. De cette façon, Le programme de modélisation nucléaire d'Argonne a deux objectifs :développer la physique des réacteurs du cœur, thermohydraulique, mécanique des structures, et des outils de modélisation des carburants et des matériaux ; seconde, pour créer des capacités d'analyse multiphysique qui capturent l'interdépendance entre tous ces domaines.

Récolter les bénéfices

Même lorsque les chercheurs n'ont pas la possibilité de valider directement leurs codes, le développement de modèles plus fidèles et plus proches des premiers principes représente une amélioration à bien des égards par rapport aux codes d'ordre inférieur qui ont pu être validés dans le passé. Par exemple, des codes plus fidèles permettent aux chercheurs d'obtenir une compréhension plus précise de grandeurs pour lesquelles ils n'avaient auparavant qu'une valeur moyenne.

"Les codes inférieurs précédents étaient exacts, mais ils étaient, en un sens, flou, " a déclaré Shemon. " Ces nouveaux codes haute fidélité nous donnent la possibilité d'être beaucoup plus précis en termes d'énergie, l'espace et le temps."

L'une des manières dont les codes haute fidélité peuvent améliorer la conception et l'exploitation d'un réacteur consiste à réduire l'incertitude dans les tolérances - ou les marges de température - requises pour un fonctionnement sûr et efficace du réacteur. Dans un exemple, Les chercheurs d'Argonne exécutent des modèles avec les meilleurs scénarios, dans lequel les tiges de carburant et leur gaine sont fabriquées exactement selon les spécifications. Puis, ils exécutent également les pires scénarios, dans laquelle ces composants diffèrent de leur idéal pour tenir compte des incertitudes et des tolérances, et comparer la différence de comportement virtuel du réacteur pour évaluer les marges de sûreté.

Aux yeux de Shemon, ce projet et d'autres à Argonne soutiennent une plus large, objectif primordial. « Notre objectif principal est d'augmenter la disponibilité des informations pour les conceptions de réacteurs avancées, " a-t-elle dit. " Nous essayons de rendre plus sûr, plus rapide, conception plus économique grâce à la modélisation et à la simulation. Tout ce que nous faisons est orienté vers cela. »