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| Laboratorio Nacional Argonne |
La energía nuclear proporciona aproximadamente una quinta parte de la demanda de electricidad de Estados Unidos y casi la mitad del suministro de energía limpia del país. La mayoría de los reactores nucleares responsables de generar esta electricidad se construyeron hace décadas y siguen funcionando de forma silenciosa, segura y eficiente.
La construcción de nuevos reactores nucleares que utilicen tecnologías y procesos avanzados podría aumentar la cantidad de energía libre de carbono que produce la industria nuclear y ayudar a Estados Unidos a lograr una economía neta cero. Sin embargo, el proceso de construcción de un nuevo reactor lleva mucho tiempo y requiere extensas simulaciones por ordenador.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. tienen previsto utilizar Aurora, el próximo superordenador a exaescala del laboratorio, para explorar el funcionamiento interno de varios modelos de reactores nucleares.
Se espera que las simulaciones ofrezcan un nivel de detalle sin precedentes, proporcionando información valiosa que podría transformar el diseño de los reactores al mejorar la comprensión de los complejos flujos de calor dentro de las barras de combustible nuclear. El resultado podría ser un importante ahorro de costes, sin menoscabo de la seguridad en la producción de electricidad.
El laboratorio utiliza actualmente el superordenador Polaris para sus simulaciones. Polaris tiene un rendimiento máximo de 44 petaflops, lo que significa que puede completar 44 cuatrillones de cálculos por segundo.
Por otro lado, se espera que el sistema Aurora sea aún más potente, con una capacidad de más de dos exaflops. Esto le permitiría realizar dos quintillones de cálculos por segundo, es decir, 50 veces más potente que el sistema actual. Una vez operativo, se espera que encabece la lista TOP500 que clasifica los ordenadores más potentes del mundo.
"Lo realmente novedoso de Aurora es tanto la escala de las simulaciones que vamos a poder realizar como el número de simulaciones", explica Dillon Shaver, ingeniero nuclear de Argonne. "Al trabajar con Polaris -el actual superordenador pre-exaescala de Argonne- y Aurora, estas simulaciones a gran escala se están convirtiendo en algo habitual para nosotros, lo que es muy emocionante".
Shaver y su equipo pretenden aprovechar la potente capacidad de cálculo de Aurora para abordar decenas de millones de elementos discretos con miles de millones de incógnitas en una simulación. Están trabajando en el estudio de grandes secciones del núcleo del reactor nuclear con alta fidelidad (la cantidad de detalles que se pueden captar), lo que requiere una máquina a exaescala para calcular toda la física en las escalas de longitud más finas.
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| Ilustración del interior de un reactor de lecho de guijarros. Laboratorio Nacional Argonne |
En última instancia, estas simulaciones proporcionarán a las empresas que pretendan construir reactores comerciales una mayor capacidad para validar y autorizar sus diseños, explicó Shaver. "Los proveedores de reactores recurren a nosotros para realizar estas simulaciones de alta fidelidad en lugar de costosos experimentos, con la esperanza de que, a medida que avancemos hacia una nueva era informática, puedan disponer de datos que respalden firmemente sus propuestas", afirmó en el comunicado de prensa.
Al simular la turbulencia en el reactor, los investigadores pueden modelizar eficazmente las propiedades de transferencia de calor del reactor. Aumentar la turbulencia ayuda a transferir más calor, pero el proceso también requiere más energía.
El equipo utilizará el Entorno Multifísico de Simulación Orientada a Objetos (MOOSE) para que el modelado y la simulación sean más accesibles a un amplio abanico de científicos. MOOSE ha revolucionado el modelado predictivo en ingeniería nuclear, lo que permite a los científicos especializados en combustibles y materiales nucleares desarrollar numerosas aplicaciones que predicen el comportamiento de combustibles y materiales.
Según Shaver, el diseño de Aurora permitirá a los científicos ejecutar MOOSE y NekRS -un solucionador de dinámica de fluidos computacional- simultáneamente, aprovechando los nodos mixtos CPU/GPU del ordenador.
Ser capaz de resolver todos los pequeños detalles del flujo en un reactor puede suponer una enorme diferencia a la hora de diseñar reactores de agua ligera de nueva generación o nuevos diseños de reactores, como los refrigerados por sodio o sal fundida.