جعبه ابزار شبیه سازی ExaSMR طراحی راکتور هسته ای را ارتقا می دهد

از آنجایی که تغییرات آب و هوایی اثرات خود را بر روی زمین و زندگی روزمره ما نشان می دهد، جایگزین های منابع انرژی تولید کننده کربن بیش از پیش ضروری می شوند. اگرچه سوخت‌های فسیلی هنوز بخش عمده‌ای از برق را در ایالات متحده تولید می‌کنند، شرکت‌های برق به طور فزاینده‌ای منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید را به مجموعه انرژی خود اضافه می‌کنند.

در سال 2021، 20 درصد برق کشور از انرژی های تجدیدپذیر در مقابل 61 درصد از سوخت های فسیلی تامین می شد. اما تا سال 2050، پیش‌بینی می‌شود که هر دو 44 درصد به دلیل ادامه افزایش انرژی‌های تجدیدپذیر و کاهش سوخت‌های فسیلی، عرضه کنند.

کجا انرژی هسته ای قدیمی را ترک می کند؟

در 20 سال گذشته، راکتورهای شکافت بخش تقریباً بدون تغییری از برق کشور را تولید کرده اند: حدود 20٪. اما این درصد می‌تواند به زودی افزایش یابد، زیرا رویکردهای طراحی جدید و فناوری‌های راکتوری نوید تغییر صنعت انرژی هسته‌ای را می‌دهند.

ظهور راکتورهای مدولار کوچک (SMR) و مفاهیم راکتور پیشرفته (ARCs) نشان دهنده نسل جدیدی از قدرت شکافت است. برخلاف اکثر رآکتورهای هسته ای تجاری امروزی، SMR ها به طور قابل ملاحظه ای کوچکتر هستند و از طرح های استاندارد شده استفاده می کنند و در نتیجه هزینه های ساخت و زمان تولید را کاهش می دهند. در همین حال، ARC ها فناوری های جدید را برای تولید نیروی شکافت کارآمدتر و ایمن تر بررسی می کنند. هر دو تلاش از شبیه سازی های کامپیوتری برای پیش بینی قابلیت اجرای طرح های پیشنهادی و بهبود آنها استفاده می کنند. اما اجرای چنین مدل‌های دینامیک سیال و انتقال نوترون می‌تواند از نظر محاسباتی پرهزینه و گران باشد، بنابراین استفاده از آنها توسط صنعت محدود می‌شود.

Exascale SMR (ExaSMR)، که یک پروژه نرم‌افزاری محاسباتی با کارایی بالا (HPC) است که توسط پروژه محاسباتی Exascale (ECP) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) پشتیبانی می‌شود، هدف آن آسان‌تر کردن دسترسی به شبیه‌سازی‌های راکتور هسته‌ای در مقیاس بزرگ است. اجرا، و دقیق تر از وضعیت فعلی هنر.

ExaSMR با پیش‌بینی دقیق چرخه سوخت راکتور هسته‌ای، تعداد آزمایش‌های فیزیکی را که طراحان راکتور برای توجیه مصرف سوخت انجام می‌دهند، کاهش می‌دهد. در بخش عمده، این چیزی است که شبیه‌سازی شرکت‌ها را خریداری می‌کند: یک قابلیت پیش‌بینی‌کننده که به شما می‌گوید ویژگی‌های خاص چگونه عمل خواهند کرد. استیون همیلتون، رهبر پروژه ExaSMR و دانشمند تحقیق و توسعه در گروه روش‌های HPC برای کاربردهای هسته‌ای در آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE (ORNL) می‌گوید تا نیازی به ساختن یا انجام آزمایش‌های فیزیکی زیادی نداشته باشید که بسیار گران هستند.

پروژه ExaSMR در حال کار است تا مهندسین صنعت هسته ای را با بالاترین وضوح شبیه سازی سیستم های راکتور تا به امروز ارائه دهد و به نوبه خود به پیشرفت آینده قدرت شکافت کمک کند.

جفت کردن کدهای فیزیک به یک کل قدرتمندتر

راکتورهای هسته‌ای با شکافتن هسته‌های اورانیوم برای آزاد کردن انرژی در میله‌های سوخت، برق تولید می‌کنند. آب با آزاد شدن این انرژی گرم می شود و به اندازه ای گرم می شود که به بخار تبدیل می شود که توربین های تولید الکتریسیته را می چرخاند. ExaSMR مطمئن ترین کدهای کامپیوتری موجود را برای مدل سازی فیزیک های مختلف این عملیات ادغام می کند، در نتیجه یک جعبه ابزار ایجاد می کند که می تواند کل فرآیند شکافت طراحی راکتور را پیش بینی کند. این جعبه ابزار شامل Shift و OpenMC برای انتقال ذرات نوترون و تخلیه راکتور و NekRS برای دینامیک سیالات حرارتی است.

اگرچه اکثر این کدها در علم و صنعت به خوبی تثبیت شده اند، تیم ExaSMR به آنها یک تغییر کامل HPC داده است. در 6 سال گذشته، محققان ORNL، آزمایشگاه ملی Argonne (Argonne)، مؤسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State) در حال بهینه‌سازی کدهای نسل جدید ابررایانه‌های کلاس exascale با شتاب GPU بوده‌اند. مانند ORNL’s Frontier و Argonne’s Aurora.

توسعه OpenMC توسط Paul Romano رهبری شده است، و کار بهینه سازی GPU قابل توجهی برای Aurora توسط John Tramm انجام شده است. رومانو و ترام دانشمندان محاسباتی در آرگون هستند. Shift در اصل توسط توماس ایوانز، رهبر گروه گروه روش‌های HPC برای برنامه‌های هسته‌ای ORNL نوشته شد و اکنون برای Frontier بهینه شده است.

هر دو کد از روش‌های مونت کارلو استفاده می‌کنند – تکنیک‌های محاسباتی که از تعداد زیادی نمونه تصادفی برای محاسبه نتایج احتمالی مدل‌ها استفاده می‌کنند – برای شبیه‌سازی نحوه تعامل نوترون‌هایی که در راکتور هسته‌ای حرکت می‌کنند با ایزوتوپ‌هایی مانند اورانیوم، و باعث رویدادهای شکافتی می‌شوند که گرما ایجاد می‌کنند. در میله های سوخت راکتور. این دو کد همچنین نحوه تکامل این ایزوتوپ ها در طول زمان را مدل می کنند که طول عمر راکتور را پیش بینی می کند.

NekRS – یک حل‌کننده دینامیک سیالات محاسباتی که توسط الیا مرزاری، دانشیار مهندسی هسته‌ای در ایالت پن ساخته شده است – اساساً نحوه حرکت و رفتار آب هنگام گرم شدن توسط سیلندرهای سوخت راکتور را توصیف می‌کند. ENRICO (کد تحقیقاتی راکتور هسته‌ای Exascale) تیم ExaSMR که توسط Romano توسعه یافته است، OpenMC و NekRS را قادر می‌سازد تا با هم تعامل داشته باشند.

همیلتون گفت: «کاری که ما در ExaSMR انجام می‌دهیم یک شبیه‌سازی فیزیک جفت شده بین انتقال نوترون و دینامیک سیال است—شما این دو کد فیزیک را دارید که به عقب و جلو با یکدیگر صحبت می‌کنند. انتقال نوترون به شما می‌گوید گرما در کجا تولید می‌شود. این گرما تبدیل به یک اصطلاح منبع برای محاسبه دینامیک سیالات می‌شود. دینامیک سیال به شما می‌گوید که چه دمایی از آن منبع گرما حاصل می‌شود. و سپس می‌توانید پارامترها را در شبیه‌سازی تنظیم کنید تا زمانی که هم انتقال نوترون و هم دینامیک سیال با هم هماهنگ هستند.”

توانایی ExaSMR برای مدل‌سازی دقیق کل فرآیند راکتور با وضوح بالا – بنابراین پیش‌بینی اینکه رویدادهای شکافت راکتور چه مقدار گرما تولید می‌کند، توانایی راکتور برای انتقال آن گرما به ژنراتورهای برق و طول عمر کل سیستم – به مهندسان این امکان را می‌دهد. بینش های کلیدی برای اطمینان از ایمنی و کارایی طرح های راکتور خود.

برنامه ریزی از قبل برای جلوگیری از موانع

هنگامی که ECP و پروژه ExaSMR در سال 2016 برای آماده کردن برنامه‌ها و ابزارهای نرم‌افزاری برای سیستم‌های exascale شروع شدند، آن ابررایانه‌ها هنوز وجود نداشتند – حتی روی کاغذ. این تیم با تعیین نحوه بهینه سازی کدها برای سیستم هایی که سال ها تا نهایی شدن فاصله داشتند، به چالش کشیده شد.

همیلتون گفت: «در ابتدای پروژه، ما حتی نمی‌دانستیم که معماری ماشین‌های اگزا اسکیل دقیقاً چگونه خواهد بود. قطعاً طراحی کدهایمان چالش برانگیز بود در حالی که با اطمینان به آینده می نگریم که می توانیم به طور موثر در سیستم های آینده اجرا کنیم.

این تیم نه تنها با وظیفه جفت کردن این کدهای جداگانه برای سناریوی مورد استفاده جدید خود از شبیه‌سازی‌های راکتور در مقیاس بزرگ و با وفاداری بالا، بلکه با چالش تطبیق آنها با معماری‌های محاسباتی جدید با پردازنده‌های هنوز ناشناخته مواجه شد. این عدم قطعیت به معنای فشار دادن محدودیت‌های کامپایلرها و بسته‌های نرم‌افزاری با آزمایش موارد استفاده بود که بسیار فراتر از آنچه نرم‌افزار برای آن آزمایش شده بود در آن زمان بود – و یک فرآیند مداوم ارتباط ثابت را آغاز کرد.

ما باید با فروشندگان سخت‌افزار و شرکت‌هایی که نرم‌افزار را تولید می‌کنند تعامل و تکرار کنیم تا مطمئن شویم که محصولات آنها می‌توانند موارد استفاده ما را مدیریت کنند. و تلاش برای شناسایی مسائل و پیاده سازی ویژگی هایی که برای کامپایل و اجرای کدهای ما نیاز است، “همیلتون گفت.

بالاخره موفق بشی

تعامل تیم با فروشندگان و توسعه دهندگان با پیشرفت های قابل توجهی در روش ها و الگوریتم های استفاده شده توسط کدها نتیجه داد و دستاوردهای زیادی در عملکرد به همراه داشت. ExaSMR با اجرای اولیه خود در Frontier، اهداف تیم را برای افزایش سرعت برای کدهای خود شکست داد.

Shift شبیه‌سازی‌های SMR را بر روی 8192 گره Frontier انجام داد و شامل شبیه‌سازی بیش از 250 میلیارد تاریخ نوترون در هر تکرار بود. عملکرد به دست آمده در این شبیه سازی ها بیش از 100× شبیه سازی های پایه انجام شده بر روی ابر رایانه تیتان (یعنی قوی ترین ابررایانه ایالات متحده در سال 2016) و بیش از دو برابر هدف بهبود عملکرد 50× از Titan تا Frontier است.

NekRS شبیه‌سازی‌های SMR را بر روی 6400 گره Frontier انجام داد، از جمله بزرگترین شبیه‌سازی جریان سیال راکتور که تا به امروز با بیش از 1 میلیارد عنصر فضایی انجام شده است. اوج عملکرد در Frontier نشان دهنده بهبود بیش از 125× نسبت به شبیه سازی های پایه مربوطه انجام شده در Titan است.

چه چیزی در انتظار ExaSMR است؟

تیم ExaSMR با همکاری وستینگهاوس، که تولیدکننده فناوری انرژی هسته ای تجاری است، برای کمک هزینه چالش محاسباتی رهبری تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته DOE درخواست داد. وستینگهاوس می خواهد تأثیر استفاده از سوخت با غنای بالاتر از آنچه در حال حاضر در راکتورهای آنها استفاده می شود را ارزیابی کند. اجرای ExaSMR در Frontier به آنها امکان می دهد شبیه سازی هایی با دقت بالا انجام دهند تا پیش بینی کنند که در صورت استفاده از انواع سوخت در راکتوری که در حال حاضر مشغول به کار هستند، چگونه عملکرد خواهند داشت.

به همین ترتیب، همیلتون می‌خواهد ExaSMR را برای فناوری‌های فعلی ARC که در صنعت برق مورد بررسی قرار می‌گیرند، مانند فناوری‌هایی که به عنوان بخشی از برنامه نمایش رآکتور پیشرفته دفتر انرژی هسته‌ای وزارت انرژی هسته‌ای توسعه می‌یابند، اعمال کند. این برنامه با شرکت های تجاری همکاری می کند تا با تامین بودجه اولیه به تسریع نمایش راکتورهای پیشرفته کمک کند. دو راکتور از این دست تا سال 2027 برای استقرار کوتاه مدت در نظر گرفته شده است: راکتور Xe-100 سنگ‌ریزه‌ای Xe-100 و راکتور سریع خنک‌شده با سدیم Natrium TerraPower. پنج طرح اضافی از Kairos، Westinghouse، BWX Technologies، Holtec International، و Southern Company برای استقرار طولانی‌مدت افزایش می‌یابند.

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

همیلتون گفت: «شرکت‌های مختلف امروزه در حال بررسی انواع مختلف طرح‌های راکتور هستند و شبیه‌سازی‌های با کارایی بالا و با وفاداری بالا که در حال توسعه آن‌ها هستیم، ویژگی‌های جذاب زیادی برای طراحان دارد. بعید است در آینده نزدیک به شبیه‌سازی‌ها اطمینان کافی داشته باشیم که به طور کامل جایگزین آزمایش‌ها شوند، اما اگر بتوانیم تعداد آزمایش‌هایی را که انجام می‌شوند کاهش دهیم، می‌توانیم سود مالی زیادی برای این شرکت‌ها داشته باشیم.»