La beauté intrinsèque des bulles, ces fines sphères aqueuses remplies d'air ou d'autres gaz, captive depuis longtemps l'imagination des enfants comme des adultes. Mais les bulles sont aussi un pilier du génie nucléaire, aider à expliquer le monde naturel, prévoir les problèmes de sûreté et améliorer l'exploitation des parcs nucléaires existants et de prochaine génération.

Pendant de nombreuses années, modéliser ce phénomène naturel était un défi, problème chronophage, avec des chercheurs largement limités à des expériences qui n'ont donné que quelques bulles à la fois. Générer les milliers de bulles nécessaires pour modéliser et prédire le comportement des bulles aurait pris trop de temps, jusqu'à 10 ans.

"C'est une chose de simuler quelques bulles pour essayer de comprendre ce qui se passe là-dedans. Vous devez vraiment en simuler des milliers pour comprendre le comportement typique." - Igor Bolotnov, professeur de génie nucléaire à la North Carolina State University

Heureusement, supercalculateurs hautes performances, comme la machine Mira, situé au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), permettent aux scientifiques de s'attaquer à des problèmes de plus en plus complexes et de les résoudre plus rapidement. Ces machines ont été un développement particulièrement bienvenu pour le Dr Igor Bolotnov, car les bulles sont au cœur de ses recherches.

Bolotnov, professeur de génie nucléaire à la North Carolina State University, travaille à mieux comprendre les phénomènes d'ébullition, formation de bulles et écoulement de bulles diphasiques à l'intérieur des réacteurs nucléaires, qui dépendent de la conversion eau/vapeur pour produire de l'énergie.

"Nous simulons des bulles dans le cœur du réacteur afin que nous puissions étudier le comportement des bulles à un niveau de détail expérimental qui ne peut pas être observé directement, en raison des conditions difficiles, " a expliqué Bolotnov. " C'est une chose de simuler quelques bulles pour essayer de comprendre ce qui se passe là-dedans. Vous avez vraiment besoin d'en simuler des milliers pour comprendre le comportement typique."

Il y a encore une dizaine d'années, une telle simulation aurait été impossible. Mais avec l'émergence du supercalcul, les données nécessaires à Bolotnov ont été générées en l'équivalent de trois jours sur Mira.

Emily Shemon est ingénieur nucléaire dans la division d'ingénierie nucléaire d'Argonne et membre de l'équipe scientifique de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), qui abrite Mira et fournit des capacités de calcul intensif à la communauté scientifique et technique. Soutenu par le Bureau des sciences du DOE, Programme de recherche avancée en informatique scientifique (ASCR), L'ALCF est l'une des deux installations informatiques de direction du DOE dans le pays dédiées à la science ouverte.

Selon Shemon, qui a servi de liaison de Bolotnov à Argonne, il existe un processus concurrentiel pour l'utilisation de Mira ; beaucoup plus de chercheurs veulent utiliser la machine qu'ils ne peuvent en supporter, même avec Mira fonctionnant 24 heures sur 24. Bolotnov a obtenu son prix d'attribution dans le cadre de l'ASCR Leadership Computing Challenge (ALCC).

"L'une des choses qui distingue le programme de prix ALCC des autres est que les récipiendaires ont tendance à provenir de domaines scientifiques stratégiques, " a déclaré Shemon. " Et l'énergie nucléaire est considérée comme un domaine stratégique de recherche. "

En novembre 2017, Bolotnov et Jun Fang, chercheur postdoctoral à l'ALCF, publié un article dans Nuclear Engineering and Design, détaillant leur développement d'une nouvelle méthode de suivi des bulles qui peut collecter des informations détaillées sur l'écoulement diphasique au niveau de la bulle individuelle. Ce cadre analytique avancé aidera les chercheurs à mieux comprendre les « grandes données » produites par les simulations à grande échelle.

Lorsqu'il s'agit d'améliorer à terme la sûreté et l'exploitation des réacteurs nucléaires, Les recherches de Bolotnov sont une pièce essentielle d'un puzzle encore plus vaste. Jess Gehin, du Laboratoire national d'Oak Ridge, supervise cet effort, qui est directeur du Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), le premier pôle d'innovation énergétique du DOE.

La CASL a été créée en 2010 et est sur une mission agressive de 10 ans pour prédire avec confiance les performances des réacteurs nucléaires commerciaux existants et de prochaine génération grâce à des modélisation et simulation scientifiques, en partie en s'appuyant sur des superordinateurs de premier plan comme Mira.

Gehin a dit que le travail de Bolotnov, qui est financé par la LCAP, est essentiel pour répondre à l'un des "problèmes de défi" clés du programme :la formation de bulles à la surface d'un crayon de combustible nucléaire (issu d'un phénomène dit de sortie de l'ébullition nucléée).

"Quand tu as l'ébullition, il affecte le transfert de chaleur. Mais si vous obtenez trop de formation de vapeur, qui peut inhiber le transfert de chaleur, " expliqua Gehin. " C'est une limite de conception pour les réacteurs nucléaires. Plus vous comprenez à quel point vous êtes proche de cette limite, plus vous avez de flexibilité dans l'exploitation de l'usine."

Selon Gehin, La CASL voit déjà des résultats prometteurs; le programme franchira probablement une étape importante plus tard cette année, impliquant des modèles de fermeture de nouvelle génération, qui sera incorporé dans un logiciel de dynamique des fluides numérique. "L'intention est, avec des modèles plus fondamentaux, on peut directement simuler l'effet de départ de l'ébullition nucléée, plutôt que de compter autant que nous sur les expériences."

L'industrie privée étant également directement impliquée dans la LCAP et extrêmement intéressée par ces résultats particuliers, Gehin a déclaré que la voie des applications dans le monde réel est claire, tout comme la valeur durable du soutien public à la recherche scientifique fondamentale.

"C'est un point idéal en termes de partenariats public-privé."