L’énergie nucléaire est responsable d’environ un cinquième de l’électricité totale utilisée aux États-Unis et de près de la moitié de l’électricité renouvelable du pays. La plupart des réacteurs produisant cette électricité ont été construits il y a plusieurs décennies. La construction de nouveaux réacteurs nucléaires utilisant des technologies et des processus avancés pourrait contribuer à augmenter la quantité d’électricité sans carbone produite par l’industrie nucléaire et aider les États-Unis à progresser vers une économie nette zéro.
Toutefois, la construction d’un nouveau réacteur nucléaire prend du temps et commence par des simulations informatiques rigoureuses.
Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) se préparent à utiliser Aurora, le prochain supercalculateur exascale du laboratoire, pour approfondir la mécanique interne de divers modèles de réacteurs nucléaires. Ces simulations promettent un niveau de détail sans précédent, offrant des informations qui pourraient révolutionner la conception des réacteurs en améliorant la compréhension des flux thermiques complexes dans les barres de combustible nucléaire. Cela pourrait conduire à des économies substantielles tout en produisant de l’électricité en toute sécurité.
« Ce qui est vraiment nouveau avec Aurora, c’est à la fois l’ampleur des simulations que nous allons pouvoir réaliser ainsi que le nombre de simulations », a déclaré Dillon Shaver, ingénieur nucléaire d’Argonne. « En travaillant sur Polaris, l’actuel supercalculateur pré-exascale d’Argonne, et sur Aurora, ces simulations à très grande échelle deviennent monnaie courante pour nous, ce qui est très excitant. »
Les simulations sur lesquelles Shaver et ses collègues travaillent examinent de grandes sections du cœur du réacteur nucléaire avec ce qu’il appelle « haute fidélité ». Essentiellement, une simulation comporte des dizaines de millions d’éléments discrets avec des milliards d’inconnues. Leur physique doit être directement calculée et résolue plutôt que simplement approximée. C’est là qu’entrent en jeu les puissants superordinateurs de l’Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE.
« La fidélité signifie la quantité de détails que vous pouvez capturer », a déclaré Shaver. « Nous pouvons simuler un noyau entier, mais pour le faire avec une haute fidélité, il faut vraiment une machine exascale pour calculer toute la physique sur les échelles de longueur les plus fines. »
Le but ultime de ces simulations est de fournir aux entreprises qui cherchent à construire des réacteurs commerciaux une plus grande capacité à valider et à autoriser leurs conceptions, a expliqué Shaver. « Les fournisseurs de réacteurs comptent sur nous pour réaliser ces simulations haute fidélité au lieu d’expériences coûteuses, dans l’espoir qu’à mesure que nous avançons vers une nouvelle ère informatique, ils pourront disposer de données qui étayent fortement leurs propositions », a-t-il déclaré. dit.
Selon Shaver, les modèles existants ont été bien comparés pour la majorité des réacteurs actuellement en service aux États-Unis. À mesure que de nouveaux concepts de réacteurs sont développés et testés, la physique générale devrait rester similaire, mais les scientifiques doivent encore les simuler dans de nombreux environnements différents. « Dans les domaines du génie mécanique, de la science chimique et de la dynamique des fluides, tout nous dit que ces réacteurs devraient se comporter de manière prévisible », a déclaré Shaver. « Mais nous devons encore nous en assurer. »
En simulant les turbulences dans le réacteur (les tourbillons et les tourbillons de chaleur qui circulent autour des tiges de combustible), des chercheurs comme Shaver peuvent modéliser efficacement les propriétés de transfert de chaleur du réacteur. « En général, et dans une certaine mesure, plus vous avez de turbulences, plus vous avez de transfert de chaleur », a déclaré Shaver. « Cependant, pour obtenir plus de turbulences, vous devez pomper votre réacteur plus fort et plus rapidement, ce qui nécessite plus d’énergie. »
Pour les réacteurs rapides refroidis au sodium, un type de réacteur avancé qu’Argonne étudie depuis des décennies, la turbulence peut provoquer la formation de vortex, qui sont essentiellement de petits tourbillons de chaleur qui peuvent s’accumuler les uns sur les autres. Un trop grand nombre de ces tourbillons dans l’écoulement peut provoquer une « vibration induite par l’écoulement » des broches du réacteur elles-mêmes. « Vous devez vous assurer que le cœur de votre réacteur et vos matériaux résisteront à toutes les vibrations présentes, et c’est ce que nous appelons un problème multiphysique, car vous devez coupler la dynamique des fluides de l’écoulement à la mécanique structurelle du le réacteur », a déclaré Shaver.
La multiphysique est à peu près le mot-clé en matière de simulations exascale, a expliqué Shaver. « Transfert de chaleur, performances du carburant, dynamique des fluides, mécanique des structures : nous travaillons de plus en plus à coupler tous nos outils aussi étroitement que possible pour résoudre ces questions multiphysiques. »
Le code de base qui sous-tend les simulations multiphysiques est l’environnement de simulation orienté objet multiphysique, mieux connu sous le nom de MOOSE, qui rend la modélisation et la simulation plus accessibles à un large éventail de scientifiques. Développé par le laboratoire national de l’Idaho du DOE, MOOSE permet de développer des simulations en une fraction du temps requis auparavant. Cet outil a révolutionné la modélisation prédictive de l’ingénierie nucléaire, en permettant aux scientifiques spécialisés dans les combustibles et les matériaux nucléaires de développer de nombreuses applications permettant de prédire le comportement des combustibles et des matériaux.
Selon Shaver, la conception d’Aurora permettra aux scientifiques d’exécuter simultanément MOOSE et NekRS, un solveur informatique de dynamique des fluides, en tirant parti des nœuds mixtes CPU/GPU de l’ordinateur.
Être capable de résoudre tous les petits détails du flux dans un réacteur peut faire une énorme différence lorsqu’il s’agit de concevoir soit des réacteurs à eau légère de nouvelle génération, soit de nouveaux modèles de réacteurs, tels que ceux refroidis au sodium ou au sel fondu.
« Il est très important de comprendre ces dynamiques à petite échelle car elles se combinent pour vous donner le comportement à grande échelle du transport de chaleur dans le réacteur », a déclaré Shaver. « Nous devons être aussi fondamentaux que possible pour nous assurer d’obtenir les meilleures réponses possibles. »