ساخت قدرتمندترین ابررایانه جهان/ راکتور‌های هسته‌ای تولید برق متحول می‌شوند

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، آزمایشگاه ملی آرگون در لمونت؛ ایلینوی آمریکا، در حال ساخت و راه اندازی ابررایانه جدیدی به نام «Aurora» (شفق قطبی) است که دانشمندان از آن برای مطالعه طرح‌های بهینه راکتور هسته‌ای استفاده خواهند کرد.

در حال حاضر، این آزمایشگاه از سیستمی به نام Polaris استفاده می‌کند، یک دستگاه ۴۴ پتافلاپی که می‌تواند حدود ۴۴ کوادریلیون محاسبه در ثانیه انجام دهد. «شفق قطبی» که در حال نصب است، بیش از ۲ اگزافلاپ قدرت محاسباتی خواهد داشت که به آن ظرفیت انجام ۲ «کوئینتیلیون» محاسبه در ثانیه - تقریبا ۵۰ برابر بیشتر از سیستم قدیمی را می‌دهد.

زمانی که این دستگاه بی‌سابقه آنلاین شود، انتظار می‌رود که در راس فهرست ۵۰۰ رایانه قدرتمند جهان قرار گیرد. قرار بود این رایانه زودتر از این شروع به کار کند، اما به دلیل مشکلات تولید با تاخیر مواجه شده است.

یک ابررایانه قدرتمندتر به این معنی است که دانشمندان هسته‌ای می‌توانند فیزیک بنیادی زیربنای واکنش‌ها را با جزئیات هر چه بیشتر شبیه‌سازی کنند؛ اقدامی که به آن‌ها امکان می‌دهد ارزیابی‌های بهتری از ایمنی و کارایی کلی طرح‌های راکتور جدید انجام دهند.

راکتور‌ها قلب یک نیروگاه هسته‌ای هستند. در اینجا، فرآیندی به نام شکافت اتفاق می‌افتد که منجر به یک سری واکنش‌های زنجیره‌ای هسته‌ای می‌شود که سطوح باورنکردنی گرما را تولید می‌کند که از آن برای تبدیل آب به بخار برای چرخاندن توربین استفاده می‌شود تا در نهایت برق تولید شود.

«دیلون شیور» «Dillon Shaver» مهندس هسته‌ای در آرگون، گفت: هر کسی که یک راکتور طراحی می‌کند، از چیزی که ما آن را «ابزار‌های سریع العمل» می‌نامیم استفاده خواهد کرد تا به مسائل در مقیاس سطح سیستم نگاه کرده و تخمین و برآورد‌هایی را برای خود هسته راکتور ایجاد کند.

وی افزود: در این آزمایشگاه ما تا حد امکان به محاسبات فیزیکی بنیادی نزدیک می‌شویم که به میزان زیادی وضوح و مقدار زیادی مجهول نیاز دارد و این یعنی نیاز به قدرت محاسباتی بسیار عظیم.

به طور خلاصه، کار شیور انجام محاسباتی است که از ذوب شدن راکتور‌ها جلوگیری می‌کند. این شامل درک عمیقی از نحوه رفتار انواع مختلف مایعات خنک کننده، چگونگی جریان سیال در اطراف اجزای مختلف راکتور و نوع انتقال حرارت است.

بر اساس اعلام وزارت انرژی آمریکا، همه راکتور‌های هسته‌ای تجاری در این کشور راکتور‌های آب سبک هستند. این بدان معناست که آن‌ها از آب معمولی هم به عنوان خنک کننده و هم به عنوان تعدیل کننده نوترون استفاده می‌کنند. اکثر راکتور‌های آب سبک فعال دارای طراحی هندسی پین سوخت هستند که در آن آرایه‌های بزرگی از پین‌های سوخت (لوله‌های بزرگی که حاوی سوخت، معمولاً اورانیوم، مورد نیاز برای واکنش‌های شکافت هستند) در یک شبکه مستطیلی قرار گرفته‌اند.

نسل بعدی طرح‌های راکتوری که شیور و همکارانش در حال بررسی آن هستند، شامل راکتور‌های سریع فلز مایع با سیم است. راکتور‌ها به جای مستطیل در یک شبکه مثلثی قرار می‌گیرند و همچنین با سیم نازکی که نوعی مارپیچ در اطراف پین سوخت ایجاد می‌کند، لایه بندی می‌شوند. این منجر به رفتار بسیار پیچیده‌ای در جریان می‌شود، زیرا [فلزات مایع مانند سدیم]باید در اطراف آن سیم حرکت کنند و معمولاً باعث ایجاد یک الگوی مارپیچی می‌شوند.
شیور توضیح می‌دهد این کار نتایج جالبی در انتقال حرارت دارد. زمان زیادی آن را تقویت می‌کند، که یک اقدام بسیار مطلوب است، زیرا می‌تواند برق بیشتری را با میزان کمتری سوخت تولید کند.

با این حال، با طراحی‌های پیشرفته‌ای مانند روکش سیم، پمپ‌کردن سیال در اطراف این سیم‌ها در مقایسه با یک مدل باز کمی پیچیده‌تر است به این معنی که می‌تواند انرژی ورودی بیشتری نیز بگیرد.

یکی دیگر از گزینه‌های محبوب، راکتور بستر سنگریزه‌ای نام دارد که شامل مجموعه‌ای از سنگریزه‌های گرافیتی به اندازه یک توپ تنیس است که با سوخت هسته‌ای پر شده اند.
شیور می‌گوید: فقط به‌طور تصادفی آن‌ها را داخل یک ظرف باز بگذارید و بگذارید مایع در اطرافشان جریان پیدا کند. این یک سناریوی بسیار متفاوت در مقایسه با آنچه ما در مورد راکتور‌های آب سبک به آن عادت کرده‌ایم است، زیرا اکنون تمام مایع می‌تواند در این فضا‌های تصادفی بین سنگ‌ریزه‌ها حرکت کند. چنین سیستمی مزایای زیادی برای خنک سازی کم انرژی دارد.

با طرح‌های پیشنهادی جدید، هدف این است که در نهایت با مصرف کمترین میزان انرژی، برق بیشتر تولید شود. محققان بر این باورند این شیوه از نظر هزینه‌ای به صرفه است. برخی از معاوضه‌ها می‌توانند قابل توجه باشند، و این شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای نوید ارائه اعداد دقیق‌تر از همیشه را می‌دهند و به نیروگاه‌های هسته‌ای آینده اجازه می‌دهند تا با راکتور‌هایی کار کنند که تا حد امکان کارآمد و ایمن هستند.