Die Kernenergie ist für etwa ein Fünftel des gesamten in den USA verbrauchten Stroms und fast die Hälfte des erneuerbaren Stroms des Landes verantwortlich. Die meisten Reaktoren, die diesen Strom erzeugen, wurden vor Jahrzehnten gebaut. Der Bau neuer Kernreaktoren, die fortschrittliche Technologien und Verfahren nutzen, könnte dazu beitragen, die Menge an kohlenstofffreiem Strom zu steigern, die die Kernenergieindustrie produziert, und den USA dabei helfen, auf dem Weg zu einer Netto-Null-Wirtschaft voranzukommen.
Der Bau eines neuen Kernreaktors braucht jedoch Zeit und beginnt mit strengen Computersimulationen.
Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) bereiten den Einsatz von Aurora, dem kommenden Exascale-Supercomputer des Labors, vor, um in die innere Mechanik verschiedener Kernreaktormodelle einzutauchen. Diese Simulationen versprechen einen beispiellosen Detaillierungsgrad und bieten Einblicke, die das Reaktordesign revolutionieren könnten, indem sie das Verständnis der komplexen Wärmeströme in Kernbrennstäben verbessern. Dies könnte zu erheblichen Kosteneinsparungen bei gleichzeitig sicherer Stromerzeugung führen.
„Was bei Aurora wirklich neu ist, ist sowohl der Umfang der Simulationen, die wir durchführen können, als auch die Anzahl der Simulationen“, sagte Dillon Shaver, Nuklearingenieur aus Argonne. „Bei der Arbeit an Polaris – Argonnes aktuellem Vor-Exascale-Supercomputer – und Aurora werden diese sehr groß angelegten Simulationen für uns alltäglich, was ziemlich aufregend ist.“
Die Simulationen, an denen Shaver und seine Kollegen arbeiten, betrachten große Teile des Kernreaktors mit einer, wie er es nennt, „hohen Wiedergabetreue“. Im Wesentlichen gibt es in einer Simulation Dutzende Millionen diskreter Elemente mit Milliarden Unbekannten. Ihre Physik muss direkt berechnet und gelöst werden und nicht nur angenähert werden. Hier kommen die leistungsstarken Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, ins Spiel.
„Treue bedeutet die Menge an Details, die man erfassen kann“, sagte Shaver. „Wir können einen ganzen Kern simulieren, aber um dies mit hoher Wiedergabetreue zu tun, ist wirklich eine Exascale-Maschine erforderlich, um die gesamte Physik auf den feinsten Längenskalen zu berechnen.“
Das ultimative Ziel dieser Simulationen besteht darin, Unternehmen, die kommerzielle Reaktoren bauen möchten, eine bessere Möglichkeit zur Validierung und Lizenzierung ihrer Entwürfe zu bieten, erklärte Shaver. „Reaktorhersteller erwarten von uns, dass wir diese hochpräzisen Simulationen anstelle teurer Experimente durchführen, in der Hoffnung, dass sie auf dem Weg in eine neue Ära der Datenverarbeitung über Daten verfügen können, die ihre Vorschläge überzeugend untermauern“, sagte er sagte.
Laut Shaver wurden bestehende Modelle für die meisten derzeit in den USA betriebenen Reaktoren einem guten Benchmarking unterzogen. Während neue Reaktorkonzepte weiterentwickelt und getestet werden, sollte die allgemeine Physik ähnlich bleiben, Wissenschaftler müssen sie jedoch immer noch in vielen verschiedenen Umgebungen simulieren. „Aus den Bereichen Maschinenbau, chemische Wissenschaft und Fluiddynamik sagt uns alles, dass sich diese Reaktoren auf vorhersehbare Weise verhalten sollten“, sagte Shaver. „Aber wir müssen noch sicherstellen.“
Durch die Simulation der Turbulenzen im Reaktor – der Wirbel und Wirbel der Wärme, die um die Brennstäbe zirkulieren – können Forscher wie Shaver die Wärmeübertragungseigenschaften des Reaktors effektiv modellieren. „Im Allgemeinen und bis zu einem gewissen Grad ist die Wärmeübertragung umso größer, je mehr Turbulenzen vorhanden sind“, sagte Shaver. „Um jedoch mehr Turbulenzen zu erzeugen, muss man seinen Reaktor stärker und schneller pumpen, was mehr Energie erfordert.“
Bei natriumgekühlten schnellen Reaktoren, einer Art fortschrittlicher Reaktoren, die Argonne seit Jahrzehnten untersucht, können die Turbulenzen zur Bildung von Wirbeln führen, bei denen es sich im Wesentlichen um kleine Wärmestrudel handelt, die sich gegenseitig verstärken können. Zu viele dieser Wirbel in der Strömung können eine „strömungsbedingte Vibration“ der Reaktorstifte selbst verursachen. „Sie müssen sicherstellen, dass Ihr Reaktorkern und Ihre Materialien allen vorhandenen Vibrationen standhalten, und das nennen wir ein Multiphysik-Problem, weil Sie die Fluiddynamik der Strömung mit der Strukturmechanik von koppeln müssen.“ den Reaktor“, sagte Shaver.
„Multiphysik“ ist so ziemlich das Schlüsselwort, wenn es um Exascale-Simulationen geht, erklärte Shaver. „Wärmeübertragung, Kraftstoffleistung, Fluiddynamik, Strukturmechanik – wir arbeiten immer mehr daran, alle unsere Werkzeuge so eng wie möglich miteinander zu verbinden, um diese multiphysikalischen Fragen zu klären.“
Der grundlegende Code, der den Multiphysics-Simulationen zugrunde liegt, ist die Multiphysics Object Oriented Simulation Environment, besser bekannt als MOOSE, die Modellierung und Simulation für ein breites Spektrum von Wissenschaftlern zugänglicher macht. MOOSE wurde vom Idaho National Laboratory des DOE entwickelt und ermöglicht die Entwicklung von Simulationen in einem Bruchteil der bisher benötigten Zeit. Das Tool hat die prädiktive Modellierung in der Kerntechnik revolutioniert und ermöglicht es Kernbrennstoff- und Materialwissenschaftlern, zahlreiche Anwendungen zu entwickeln, die das Verhalten von Brennstoffen und Materialien vorhersagen.
Laut Shaver wird das Design von Aurora es Wissenschaftlern ermöglichen, MOOSE und NekRS – einen numerischen Lösungsrechner für Fluiddynamik – gleichzeitig auszuführen und dabei die Vorteile der gemischten CPU/GPU-Knoten des Computers zu nutzen.
Die Fähigkeit, alle kleinen Details der Strömung in einem Reaktor aufzulösen, kann einen enormen Unterschied machen, wenn es um die Konstruktion von Leichtwasserreaktoren der nächsten Generation oder von neuen Reaktorkonstruktionen, beispielsweise solchen, die mit Natrium oder geschmolzenem Salz gekühlt werden, geht.
„Es ist wirklich wichtig, diese kleinräumigen Dynamiken herauszuarbeiten, weil sie zusammenwirken, um das großräumige Verhalten des Wärmetransports im Reaktor zu ergeben“, sagte Shaver. „Wir müssen so grundlegend wie möglich vorgehen, um sicherzustellen, dass wir die bestmöglichen Antworten erhalten.“