L’énergie nucléaire représente environ un cinquième de l’électricité totale consommée aux États-Unis et près de la moitié de l’électricité du pays. La construction de nouveaux réacteurs nucléaires utilisant des technologies et des procédés avancés pourrait contribuer à augmenter la production d’électricité sans émissions de carbone.
La construction d’un nouveau réacteur nucléaire prend du temps et commence par des simulations informatiques rigoureuses. Les chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) se préparent à utiliser Aurora, le futur supercalculateur exascale du laboratoire, pour étudier en profondeur les mécanismes internes de divers modèles de réacteurs nucléaires.
Simulations de réacteurs nucléaires à grande échelle
Les simulations sur lesquelles travaillent Dillon Shaver, ingénieur nucléaire à Argonne, et ses collègues portent sur de grandes sections du cœur du réacteur nucléaire avec ce qu’il appelle une « haute fidélité ». En substance, il y a des dizaines de millions d’éléments discrets avec des milliards d’inconnues dans une simulation.
Leurs physiques doivent être calculées et résolues directement plutôt que simplement approximées. C’est là que les supercalculateurs puissants de l’Argonne Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science, entrent en jeu.
« La fidélité signifie la quantité de détails que vous pouvez capturer», a commenté l’ingénieur. « Nous pouvons simuler un cœur 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. »
Objectifs des simulations
L’objectif 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.
« Les fournisseurs de réacteurs comptent sur nous pour réaliser ces simulations de haute fidélité à la place d’expériences coûteuses, dans l’espoir que, à mesure que nous progressons vers une nouvelle ère de l’informatique, ils pourront disposer de données qui étayent solidement leurs propositions », a indiqué Dillon Shaver.
Turbulence et transfert de chaleur
En simulant la turbulence dans le réacteur – les tourbillons et les remous de chaleur qui circulent autour des barres de combustible – les chercheurs peuvent modéliser efficacement les propriétés de transfert de chaleur du réacteur.
« En général, et dans une certaine mesure, plus il y a de turbulence, plus il y a de transfert de chaleur », a ajouté l’ingénieur nucléaire. « Cependant, pour obtenir plus de turbulence, il faut pousser le réacteur plus fort et plus vite, ce qui nécessite plus d’énergie. »
Problèmes multiphysiques
La multiphysique est le mot-clé en ce qui concerne les simulations exascale, a expliqué pour finir Dillon Shaver : « Transfert de chaleur, performance du combustible, dynamique des fluides, mécanique des structures – nous travaillons de plus en plus à coupler tous nos outils ensemble aussi étroitement que possible pour résoudre ces questions multiphysiques. »
En synthèse
Les simulations informatiques de haute fidélité menées par les chercheurs du Laboratoire national d’Argonne pourraient révolutionner la conception des réacteurs nucléaires en améliorant la compréhension des flux de chaleur complexes à l’intérieur des barres de combustible. Cela pourrait permettre de réaliser des économies substantielles tout en produisant de l’électricité en toute sécurité.
Spécification de l’Aurora
| Caractéristiques | Détails |
|---|---|
| Nœud de calcul | 2 processeurs Intel Xeon CPU Max Series : 64 Go HBM chacun, 512 Go DDR5 chacun; 6 Intel Data Center GPU Max Series, 128 Go HBM chacun, cache RAMBO sur chacun; Architecture mémoire unifiée; 8 points d’extrémité du tissu SlingShot 11 |
| Pile logicielle | HPE Cray EX supercomputer software stack + améliorations Intel + données et apprentissage |
| GPU Architecture | 6 Intel Data Center GPU Max Series; Chiplets basés sur des tuiles, pile HBM, intégration Foveros 3D, 7 nm |
| Interconnexion CPU-GPU | CPU-GPU : PCIe; GPU-GPU : Xe Link |
| Interconnexion systèmes | Slingshot 11; Topologie Dragonfly avec routage adaptatif; Bande passante d’injection maximale 2,12 Po/s; Bande passante de bisection maximale 0,69 Po/s |
| Commutateur réseau | 25,6 Tb/s par commutateur, de 64 à 200 ports Gbs (25 GB/s par direction) |
| Performance théorique maximale | > 2 Exaflops DP |
| Stockage haute performance | 230 Po, 31 To/s, 1024 nœuds (DAOS) |
| Modèles de programmation | Intel oneAPI, MPI, OpenMP, C/C++, Fortran, SYCL/DPC++ |
| Platforme | HPE Cray EX supercomputer |
| Mémoire globale du système | 10,9 Po |
| Taille du système | 10 624 nœuds |
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que l’énergie nucléaire aux États-Unis ?
L’énergie nucléaire représente environ un cinquième de l’électricité totale consommée aux États-Unis et près de la moitié de l’électricité propre du pays.
2. Quel est le rôle des supercalculateurs dans les simulations de réacteurs nucléaires ?
Les supercalculateurs permettent de réaliser des simulations de haute fidélité, en calculant et en résolvant directement la physique des éléments discrets plutôt que de simplement les approximer.
3. Quel est l’objectif des simulations de réacteurs nucléaires ?
L’objectif est de fournir aux entreprises qui cherchent à construire des réacteurs commerciaux une plus grande capacité à valider et à autoriser leurs conceptions.
4. Comment la turbulence affecte-t-elle le transfert de chaleur dans un réacteur ?
La turbulence, qui se manifeste par des tourbillons et des remous de chaleur autour des barres de combustible, influence les propriétés de transfert de chaleur du réacteur. Plus il y a de turbulence, plus il y a de transfert de chaleur.
5. Qu’est-ce que la multiphysique dans les simulations de réacteurs nucléaires ?
La multiphysique englobe le transfert de chaleur, la performance du combustible, la dynamique des fluides et la mécanique des structures. Les chercheurs travaillent à coupler tous ces domaines pour résoudre les problèmes multiphysiques.
