محاسبات با کارایی بالا تحقیقات اورانیوم را تقویت می کند

به نحوه جریان هوا بر روی بال هواپیما فکر کنید، چگونه تغییرات جزئی در طراحی به هواپیما اجازه می دهد تا از زمین بلند شود یا آن را روی زمین نگه دارد.

اولین بال های هواپیما نسبت به امروز بسیار متفاوت به نظر می رسید، زیرا مهندسان دینامیک سیال جریان هوا را درک کردند و شبیه سازی های کامپیوتری به نشان دادن اینکه چگونه حتی یک تغییر جزئی در طراحی می تواند عملکرد یک سیستم پویا را بهینه کند، کمک کرد.

به طور مشابه، استفاده از ابر رایانه‌ها در ORNL برای شبیه‌سازی دینامیک سیال در سانتریفیوژهای گاز، تحقیقات اورانیوم را در ایالات متحده احیا کرد.

سانتریفیوژهای گازی برای تولید اورانیوم با غنای پایین برای انرژی هسته ای استفاده می شوند، اما می توانند اورانیوم با غنای بالا برای سلاح های هسته ای نیز بسازند. (غنی سازی به این اشاره دارد که چه مقدار از اورانیوم ایزوتوپ اورانیوم 235 است.)

ایجاد شبیه‌سازی‌های مبتنی بر فیزیک از سانتریفیوژهای گاز برای درک بهتر طراحی سانتریفیوژهای غنی‌سازی اورانیوم، هدف اصلی برنامه‌ای به نام ابتکارات شبیه‌سازی پیشرفته برای کاربردهای منع تکثیر یا ASINA است. این شبیه‌سازی‌ها به دانشمندان و مهندسان این امکان را می‌دهد که سیاست‌گذاران را بهتر در مورد مأموریت‌های منع گسترش سلاح‌های هسته‌ای آگاه کنند.

پس از اینکه اوک ریج اولین راکتور تولید پلوتونیوم جهان – راکتور گرافیت – را در طول پروژه منهتن در جنگ جهانی دوم ساخت، برنامه تسلیحات هسته‌ای ایالات متحده به مدت چهار دهه از نظر ظرفیت و تخصص رشد کرد. اما با تغییر اولویت ها پس از پایان جنگ سرد، این مزیت علمی کاهش یافت. دانشمندان و مهندسان پشت آسینا قصد دارند آن را پس بگیرند.

جرد جانسون، مدیر برنامه علم و فناوری اورانیوم در ORNL گفت: «امروزه، شکاف‌های کلیدی در درک فنی ما از عملکرد و قابلیت‌های تکثیر برخی از طرح‌های سانتریفیوژ وجود دارد. آسینا و تلاش‌های مرتبط این شکاف را پر می‌کند و به کشور این امکان را می‌دهد که به طور قابل اعتمادی عملکرد و عملیات سانتریفیوژ را تجزیه و تحلیل، ارزیابی و پیش‌بینی کند.»

پشت آسینا یک تیم چند رشته ای متشکل از مهندسان و دانشمندانی است که علم محاسبات، دینامیک سیالات، جفت چند فیزیک، علم مواد و غنی سازی ایزوتوپی را درک می کنند. ایجاد یک شبیه‌سازی رایانه‌ای که بتواند سناریوهای محاسباتی مختلف مورد نیاز برای تحقیقات سانتریفیوژ گاز را مدیریت کند، به این حوزه‌های مختلف تخصص نیاز دارد – ترکیبی از تخصص که به راحتی در ORNL در دسترس است.

مت بمنت، معاون محقق اصلی آسینا گفت: «ORNL دارای قدرت تاریخی در غنی‌سازی اورانیوم است و برنامه سانتریفیوژ برای چندین دهه در اینجا وجود دارد». با HPC و تجربه توسعه کد، Oak Ridge منطقی ترین مکان برای آن است.

استفاده از رایانه برای شبیه سازی سانتریفیوژهای گازی جدید نیست. کد مدل سازی این سانتریفیوژها از دهه 1970 وجود داشته است. مهندسان نرم‌افزار امروزی کدهای قدیمی را پاک می‌کنند و با ارتقای بسیار مورد نیاز آن را تقویت می‌کنند تا از سرعت محاسبات با کارایی بالا و هوشمندی الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده کنند.

فرانکلین کورتیس، رئیس گروه علم جریان، حرارت و داده ORNL با اشاره به فرآیند پرهزینه و وقت گیر ساخت تاسیسات سانتریفیوژ فیزیکی گفت: “ASINA به ما توانایی بررسی چیزهایی را می دهد که نمی توانیم انجام دهیم یا به صورت تجربی ببینیم.” و انجام آزمایش های فردی. “داشتن قابلیت شبیه سازی بهتر این بینش جدید را در مورد نحوه عملکرد این فرآیندهای بسیار ساده اما پیچیده به ما می دهد.”

نتایج را می توان در عرض چند ثانیه یا چند ساعت در اختیار همکاران در هر نقطه از ایالات متحده قرار داد و این بینش های جدید می تواند به محققان و تحلیلگران کمک کند تا توانایی یک کشور متخاصم برای غنی سازی اورانیوم بیش از 3 تا 5 درصد مورد نیاز برای یک سلاح هسته ای را بهتر درک کنند.

مدل های دو بعدی و سه بعدی از جمله محصولات کلیدی آسینا هستند. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، مدل‌ها به سؤالات مربوط به جریان داخلی در یک سانتریفیوژ گاز پاسخ می‌دهند. شبیه‌سازی‌ها سرعت‌های مختلف گاز، اغتشاش و تغییرات فشار و اثرات ناشی از آن بر دینامیک گاز داخلی را نشان می‌دهند. محققان می توانند هزاران شبیه سازی را به طور همزمان اجرا کنند که هر کدام با یک تفاوت کوچک، چگونه نتایج را تغییر می دهند.

مدل‌سازی دو بعدی مدت‌هاست که بخشی از دستور کار تحقیقاتی سانتریفیوژ گاز بوده و بخش مهمی از تحقیقات امروزی است، البته با قدرت محاسباتی بیشتر. محاسبات 2 بعدی کوچک را می توان بر روی یک کامپیوتر رومیزی انجام داد. با این حال، وظایف چالش برانگیزتر، مانند تعیین کمیت عدم قطعیت در پیش بینی های چند ورودی، به طور قابل توجهی به قدرت بیشتری نیاز دارند. داشتن توانایی انجام هزاران محاسبات روی ابر رایانه ها می تواند به معنای دریافت سریع نتایج باشد تا به طور مؤثر بر تصمیم گیری تأثیر بگذارد.

مدل‌سازی سه‌بعدی یک چالش کاملاً دیگر است، اما مزایای شبیه‌سازی سه‌بعدی برای کسانی که تلاش می‌کنند بفهمند چگونه اجسام در چند صفحه حرکت می‌کنند، یک تغییر بازی خواهد بود. گرگ دیویدسون، محقق ارشد گروه HPC Methods for Nuclear Applications، معتقد است که 3D مدل سازی با وفاداری بالا را در اختیار مهندسان سانتریفیوژ قرار می دهد. چالش سه بعدی این است که محققان برای انجام محاسبات به طور موثر به رایانه های بسیار قدرتمند نیاز دارند.

رایان گلاسبی، دانشمند فضایی، می گوید: «وقتی آن بعد اضافی را اضافه می کنید، کامپیوتر مورد نیاز شما بسیار بزرگتر می شود و نحوه نوشتن کدتان باید بسیار متفکرانه باشد. او گفت که محاسبات سه بعدی حداقل 1000 برابر دشوارتر از محاسبات دو بعدی خواهد بود و نیاز به استفاده از HPC برای برآوردن نیازهای قدرت محاسباتی اضافی دارد.

علاوه بر پیامدهای ASINA برای عدم اشاعه هسته ای جهانی، این برنامه گزینه های اورانیوم داخلی مانند انرژی هسته ای بدون کربن و ایزوتوپ های پزشکی را تقویت خواهد کرد. مهندسان به آینده مکانیک طراحی سانتریفیوژ گاز می پردازند و توانایی شناسایی نقاط ضعف در مواد یا طراحی سیستم را ایجاد می کنند.

سانتریفیوژهای گازی گران هستند. شبیه‌سازی رفتار سانتریفیوژ گاز به مهندسان اجازه می‌دهد تا طرح‌ها را قبل از ساخت با انجام آزمایش‌هایی در یک محیط شبیه‌سازی شده، با در نظر گرفتن ریسک و تحمل در فرآیند ساخت، آزمایش کنند.

برنامه ASINA یکی از دو تلاشی است که ORNL برای برنامه مدیریت عدم اشاعه اداره ملی امنیت هسته ای رهبری می کند. مرکز دیگر، مرکز علم و فناوری اورانیوم، در حال ساخت آزمایشگاه‌ها و سکوهای آزمایشی منحصربه‌فردی است که جامعه تحقیقاتی را قادر می‌سازد تا علوم پیشرفته اورانیوم را پیش ببرند. ASINA و USTC با هم بر ساختن نسل بعدی کارشناسان منع گسترش سلاح های هسته ای ایالات متحده تمرکز خواهند کرد.

رئیس گروه علوم جریان، حرارت و داده، کورتیس و همکارانش مفتخرند که بر روی میراث علم اورانیوم کشور برای احیای و توسعه این میدان ایجاد کنند. آنها در تلاشند تا فناوری سانتریفیوژ را که بخش ثابت صنعت علوم هسته ای از دهه 1950 بوده است، به کار گیرند و از آن برای بهبود جایگاه اورانیوم در انرژی هسته ای برای استفاده های صلح آمیز برای پیشرفت اقتصادی و پزشکی استفاده کنند.

کورتیس گفت: “ما در حال آماده سازی زمینه هستیم تا به ایالات متحده اجازه دهیم از ایزوتوپ های سایر کشورها مستقل شود و بتواند میراثی را که افراد اینجا در آزمایشگاه در گذشته انجام داده اند، ادامه دهد.”