الطرائق الحاسوبية في تصميم المفاعل: المحاكاة واستراتيجيات النماذج

ويعتمد تصميم المفاعلات اعتمادا كبيرا على الأساليب الحاسوبية لتحفيز وتحليل الظواهر المادية المعقدة التي تحدث داخل النظم النووية، وهذه النهج الحسابية المتطورة تمكن المهندسين من تحقيق الأداء الأمثل للمفاعلات، وضمان السلامة التشغيلية، وخفض تكاليف التنمية، والتعجيل بنشر الجيل القادم من التكنولوجيات النووية، ويمكن من إعادة إنتاج سلوك النظم النووية من خلال نماذج حاسوبية باهظة التكلفة، وتوفير أفكار مُلزمة للغاية.

وتواجه الصناعة النووية تحديات غير مسبوقة في تحولها من مفاعلات المياه الخفيفة التقليدية إلى تصميمات متطورة للمفاعلات، ومع ارتفاع الاحتياجات المتعلقة بسلامة المفاعلات النووية واقتصادها، يجري تحدي أساليب وأدوات المحاكاة التقليدية لتحليل المفاعلات، كما أن تصميمات جديدة للمفاعلات، بما في ذلك المفاعل المضارب الخفي السريع، والمفاعلات العالية التقلب، والمفاعلات الهندسية المتحركة، والمفاعلات الصغيرة الناشئة.

تطور المفاعلات الحاسبية

وقد شهد ميدان فيزياء المفاعلات الحاسوبية تحولا ملحوظا منذ الأيام الأولى للطاقة النووية، حيث كان للنقل النيوترونات جذور في معادلة بولتزمان، التي استخدمت في عام 1800 لدراسة النظرية الحركية للغازات، ولكنها لم تكتسب تطورا كبيرا حتى اختراع مفاعلات نووية ذات صدى تسلسلي في عام 1940، وقد بدأ العمل الرائد في نقل مرض ستانو.

ومع زيادة الطاقة الحاسوبية، أصبحت النُهج الرقمية للنقل نيوترون شائعة، وباستخدام حواسيب متوازية على نطاق واسع، لا يزال النقل نيوترون قيد التطوير النشط في الأوساط الأكاديمية ومؤسسات البحوث في جميع أنحاء العالم، وقد مكّنت القدرات الحاسوبية الحديثة من تطوير أدوات محاكاة عالية الجودة يمكن أن تُضفي على نواة المفاعلات بأكملها بتفصيل ودقة لم يسبق لهما مثيل.

إن علوم الطاقة النووية معقدة بشكل لا يصدق بسبب التفاعل بين الظواهر المادية المتعددة النطاق - من التفاعلات الكمية إلى إنتاج الطاقة على مستوى المفاعل - الانشطار المتقطع، والديون، وردود الفعل النيوترونية؛ والعمليات التي تقع في حدود درجات الحرارة العالية جدا، والضغط، والبيئات الإشعاعية؛ وحالات عدم اليقين الكبيرة، وهذا التعقيد يتطلب أطرا حاسوبية متطورة يمكن أن تدمج مجالات متعددة فيزيائية ومقاييس مكانية وزمنية مختلفة.

تقنيات محاكاة في تصميم المفاعلات

وتشمل أساليب المحاكاة استخدام نماذج حاسوبية لتكرار سلوك المفاعلات في ظروف مختلفة، من التشغيل العادي إلى سيناريوهات الحوادث، وتساعد هذه التقنيات على التنبؤ بكيفية استجابة المفاعلات لمختلف السيناريوهات التشغيلية، بما في ذلك الولايات العابرة، وتدخلات التفاعل، وفقدان حوادث التبريد، وغير ذلك من الأحداث المحتملة المتعلقة بالسلامة، وتوفر القدرة على محاكاة هذه الظروف، حسب تقدير، أفكارا قيمة لتصميم المفاعلات، وتحليل السلامة، والترخيص.

أساليب المحاكاة المحددة

ويمكن حل حسابات المصادر الثابتة وحسابات الأهمية باستخدام أساليب تحديدية أو أساليب متداخلة، وفي أساليب محددة، يتم حل معادلة النقل (أو تقريبها، مثل نظرية الانتشار) باعتبارها معادلة متمايزة، وتوفّر النُهج التضاريسية الكفاءة الحسابية وتنتج حلولا سلسة ومستمرة دون عدم يقين إحصائي.

وتستخدم الرموز المحددة عادة أساليب متفرقة للتدقيق أو طريقة السمات أو التقريب النظرية، وتشتمل الأساليب المحددة عادة على نهج متعددة المجموعات، وتتسارع الحسابات المتعددة المجموعات عادة، لأن الأرقام الثابتة للمجموعات تُحسب باستخدام ملامح طاقة التدفق، التي تحدد نتيجة حساب النقل النيوتروني.

إن الرموز التي يمكن استخدامها للتنبؤ بالحوادث أو الأهمية الحيوية معقدة، ويلزم أن تكون العناصر الاحتمالية والرادعة على حد سواء للتنبؤ بالحوادث وتحديد كيفية التعامل معها، وكثيرا ما يجمع تحليل سلامة المفاعل الحديث بين الرموز الحرارية الحرارية والمذيبات الحرارية والمذيبات الحرارية لاستخلاص السلوك المزدوج للنظم النووية والثغرات الحرارية أثناء الأحداث العابرة.

Stochastic Monte Carlo Approaches

وفي أساليب مريبة مثل تاريخ مونت كارلو المميز في الجسيمات يتم تعقبها ومتوسطها في مسيرة عشوائية موجهة من احتمالات التفاعل المقاس، وقد أصبحت أساليب مونت كارلو ذات أهمية متزايدة في فيزياء المفاعلات نظرا لقدرتها على معالجة الجيولوجيا المعقدة وتوفير حلول عالية الجودة دون التقريبات المتأصلة في الأساليب المحددة.

وتقنية مونت كارلو، التي ترافقها تطوير تكنولوجيا الحاسوب الخارق وطرق التعجيل الموازية والتفاؤل، أصبحت النهج السائد في تحليل المفاعلات النووية ذات القيمة العالية، والمرونة والدقة يجعلان من المهم للغاية تحليل تصميمات المفاعلات المتقدمة مع إجراء عمليات قياس جغرافية غير نظامية وتشكيلات أساسية غير متجانسة.

وتشمل مزايا مونت كارلو المرونة في معالجة الهندسة، والقدرة على استخدام أجزاء منافذ الموجات الثابتة للطاقة، وسهولة التوازي، ودرجة الإثراء العالية للمحاكاة، وهذه الخصائص تمكن رموز مونت كارلو من وضع نماذج ثلاثية الأبعاد للمفاعلات الأرضية المتطورة ذات المقاييس الأرضية الدنيا، مع استخلاص تفاصيل دقيقة قد تضيع في نماذج متجانسة.

وقد تم وضع العديد من رموز مونت كارلو في الجيل التالي، بما في ذلك MCNP6, OpenMC, MC21, SHIFT, TRIPOLI, Gant4, Serpent, MCCARD, MCS, RMC, SuperMC, and JMCT، وهذه الرموز مصممة لتحقيق حسابات أساسية كاملة وتحليلات ذات كفاءة عالية عن طريق منهجيات متقدمة ورموز متجانسة فضلا عن تقنيات عالية الأداء.

الأساليب الهجينة المحددة - الخرسانية

وإدراكاً من الباحثين بأن لكل من الأساليب المحددة والمتصلبة مواطن قوة ونقاط ضعف مكملة، فقد وضعوا نُهجاً هجينة تجمع بين أفضل سمات كل منهجية، وهي أساليب هجينة تستخدم عادة حلولاً حاسمة لتوفير الحد من الفروق لحسابات مونت كارلو أو تستخدم أساليب مونت كارلو لتوليد مجموعات دقيقة من المحاكاة الأساسية المحددة.

ويمكن أن تؤدي الأساليب الهجينة إلى تخفيض التكاليف الحاسوبية بدرجة كبيرة مع الحفاظ على دقة عالية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحدد حلول النقل المحدد مناطق هامة من الحيز التدريجي، مما يتيح لمحاكاة مونت كارلو تركيز الموارد الحاسوبية حيثما تكون الحاجة إليها أشد، وهذا النهج التآزري يتيح إجراء تحليلات غير عملية لأي من الأسلوبين وحدهما.

استراتيجيات نموذجية للمفاعلات النووية

وتركز استراتيجيات النمذجة في تصميم المفاعلات على تحقيق التوازن بين الدقة والكفاءة الحسابية مع استيعاب الفيزياء الأساسية التي تحكم سلوك المفاعلات، ويعتمد اختيار نهج النموذج على التطبيق المحدد، والموارد الحاسوبية المتاحة، ومستويات الدقة المطلوبة.

أطر التكافل المتعددة الفيزياء

وبالنسبة لمعظم المفاعلات، فإن الحصول على توزيعات الطاقة يصل إلى حل ثلاث مجموعات من المعادلات: النقل النيوترونات بالاستنزاف والسلائف، والمعادلات الحرارية الميكانيكية في الهياكل الصلبة، والمعادلات الحرارية الهيدروليكية في المبرد، وعلى مدى السنوات السبعين الماضية، جرى دراسة هذه المعادلات وحلها على نطاق واسع من أجل تحليل مفاعلات المياه الخفيفة مع وضع نماذج واقعية للتشغيل الهندسي.

وثمة تحد آخر يأتي من التنوع الواسع للتفاعلات الفيزيائية التي تنطوي عليها مفاعلات جديدة، حيث أن العديد من التصميمات الجديدة تستحدث السلامة السلبية المستندة إلى الفيزياء، ويُعتمد على نموذج الفيزياء المختلفة في المفاعل لتوفير نتيجة آمنة في حالة عابرات عرضية مثل حوادث الإدخال أو فقدان حوادث التدفق، ويمكن أن تُعرض هذه الملامح على مختلف مستويات النزعة والتعقيد.

ويدعم برنامج الولايات المتحدة للنموذج المتطور للطاقة النووية والتحكُّم في مجال الطاقة النووية تطوير مجموعة من أدوات المحاكاة المختلطة القائمة على إطار المحاكاة الموجهة المتعددة الفيزياء (C++++)، بما في ذلك نظام BISON، من أجل أداء الوقود، والشبكة لتحليل النيوترونات، وهذه الأطر المتكاملة تتيح الانقلابات الخفية بين مختلف هياكل المذيبات الفيزيائية المتوافقة.

إن نظام الرصد والتقييم هو إطار فيزياء محدد تم تطويره في مختبر إيداهو الوطني، يوفر أساساً قوياً للمحاكاة المتعددة الفيزياء، ويسمح هيكل الإطار للمطورين بتنفيذ الكنيوز الفيزياء العرفية مع الاستفادة من المذيبات الرقمية التي تجري عليها اختبارات جيدة وقدرات حاسوبية موازية.

النهج النموذجية المتعددة المستويات

ويمتد سلوك المفاعل النووي إلى عدة مقاييس مكانية وزمنية، من الضرر الإشعاعي الذي يلحق بالمستوى الذري إلى توزيع الطاقة الأساسية بالكامل، ومن التحولات التي تُجرى في مرحلة الصغر إلى دورات الوقود المتعددة السنوات، ويتطلب وضع نماذج فعالة للمفاعلات استراتيجيات يمكن أن تُسد هذه المقاييس المتباينة.

ومع اتساع نطاق الخبرة الفنية - من الكيمياء على مستوى الكمي إلى محاكاة المفاعلات على نطاق كامل - يقوم المركز الوطني لشمال أفريقيا ببناء توأم رقمي من المرافق النووية، ويتيح تحقيق انجازات في علوم الدمج، وتمثل التكنولوجيا الرقمية المزدوجة الطرف المتطور للنموذج المتعدد النطاقات، مما يخلق نماذج افتراضية للمفاعلات المادية يمكن تحديثها في الوقت الحقيقي مع البيانات التشغيلية.

ويسعى النموذج المتطور والمحاكاة إلى توفير التوجيه لتصميم واستخدام الجيل الحالي والمقبل على النحو الأمثل من المفاعلات ذات الجيل الجديد والنموذج الأفضل، بما في ذلك القدرة على إدماج الفيزياء الأكثر أساسية، واعتماد نماذج أعلى للخصوبة، وتشمل مقاييس مختلفة، وتلائم مختلف المعدات الحاسوبية، وهذه القدرة المتعددة النطاق تمكن المهندسين من فهم كيفية تأثير ظواهر الكائنات الدقيقة على أداء المفاعلات الكلية.

التمثيل الجيولوجي والجيل المشرق

وتسمح المذيبات غير المهيكلة بالتمثيل الدقيق لجدوى المفاعلات المتقدمة، وكثيرا ما تعتمد رموز التحليل التقليدية للمفاعلات على التمثيل الجغرافي المبسط بالهياكل الثابتة، ولكن تصميمات المفاعلات المتقدمة ذات التجمعات المعقدة للوقود، والتشكيلات الأساسية غير النظامية، ونظم التبريد المعقدة تتطلب قدرات أكثر مرونة في مجال النماذج الأرضية.

ونظراً لأن القدرة على وضع النماذج، لا سيما فيما يتعلق بالمسح الجيولوجي، هي السمة الحيوية للمحاكاة العددية العالية الشكل، فإنها في صميم أساليب مونت كارلو المتقدمة، كما أن وسائل الإعلام المتينة مثل قطع الوقود العشوائية ومركبات ثلاثي بوتيل القصدير تستخدم على نطاق واسع في أنواع جديدة من المفاعلات النووية.

ومؤسسة إدارة الشؤون الجنسانية هي مكتبة برامجيات مستحدثة للنموذج الجديد لجديات مفاعلات التبخر، مما يتيح للمستعمل ترجمة المقاييس الجيولوجية للتصميم الحاسوبي إلى مدخلات قابلة للحلول في مونت كارلو، وقد شهدت البرامجيات منذ ذلك الحين استخداما في تطبيقات النسيج والتصنيع، مما يتيح للمهندسين العمل مباشرة مع نماذج الحاسبة من أفرقة تصميم المفاعلات، ويلغي عمليات الترجمات الجيولوجية المسببة للأخطاء.

النماذج المبسطة مقابل النماذج التفصيلية

ويمر تصميم المفاعل عادة عبر مراحل متعددة، ويتطلب كل منها مستويات مختلفة من تفاصيل النموذج، ويمكن استخدام نماذج مبسطة للتقييمات الأولية، والدراسات شبه المتماثلة، واستكشاف الأماكن التصميمية، بينما تستخدم نماذج تفصيلية للتحقق من التصميم النهائي، وتحليل السلامة، وحسابات الترخيص.

وكثيرا ما تستخدم النماذج المبسّطة تقنيات التجانس، والتمثيلات المخفضة، والمقاييس الفيزيائية للتمكين من التقييم السريع للعديد من بدائل التصميم، وتضحي هذه النماذج ببعض الدقة لسرعة الحاسب الآلي، مما يجعلها مثالية لدراسات التخمين وأعمال التصميم الأولية.

وتحتفظ نماذج الفرز العالية التفصيلية بالتفاصيل الجغرافية، وتستخدم البيانات النووية ذات الطاقة المستمرة، ومجالات الفيزياء المتعددة التي لا تقارب إلا الحد الأدنى، وفي حين أن هذه النماذج باهظة التكلفة من الناحية الحسابية، فإنها توفر الدقة اللازمة لتحليلات السلامة الحرجة وتقديم عروض تنظيمية، ويكمن التحدي في التصديق على نماذج مبسطة مقابل الحسابات المفصلة والبيانات التجريبية لضمان استخلاص الفيزياء الأساسية لتطبيقاتها المقصودة.

الأدوات الحاسوبية الرئيسية ومنابر البرامج الحاسوبية

تعتمد الصناعة النووية على نظام إيكولوجي متنوع من الأدوات الحاسوبية، ويُستحسن كل منها القيام بمهام تحليلية محددة وأنواع مفاعلات معينة، ويُعتبر فهم قدرات هذه الأدوات وحدودها أمراً أساسياً لتصميم المفاعلات وتحليلها بفعالية.

Monte Carlo Simulation Codes

(مونت كارلو) للنقل الجسيمي هو نظام عام الغرض، ومستمر للطاقة، ومتوسط الحجم، ومعتمد على الزمن، ورمز النقل الإشعاعي في مونت كارلو، مصمم لتتبع أنواع عديدة من الجسيمات على نطاق واسع من الطاقات، ويطوره مختبر لوس ألاموس الوطني، وقد كان هذا الرقم المعياري للصناعة منذ عقود، مع تحقق واسع النطاق وطائفة كبيرة من المستعملين في جميع أنحاء العالم.

ويمثل هذا البرنامج جيلاً جديداً من رموز مون كارلو المصممة من الأرض للهيكلات الحاسوبية الحديثة، وقد جعل طابعه المفتوح المصدر والتفاعل بين الكتابة القائمة على البيثون منتشراً في البحوث الأكاديمية وتطوير المفاعلات المتقدمة، كما أن المحركات المفتوحة العضوية في محاكاة المفاعلات الأساسية بالكامل، وتدعم السمات المتقدمة مثل تحليل النضوب والأقسام المترابطة على درجة الحرارة.

وقد أصبح استخدام خدماتها، التي تم تطويرها في مركز البحوث التقنية التابع لفندان، واسع النطاق لحسابات الفيزياء الكمالية والتوليد المستمر للمجموعات، وقد جعلتها خوارزمياتها الفعالة وشكل المدخلات السهلة الاستعمال من المفضل بالنسبة لبحوث الفيزياء للمفاعلات والتعليم، كما أن نهج شركة " مونت كارلو " الذي يُعد باستمرار في مجال الطاقة يوفر حلولاً عالية الجودة لأجهزة جمعيات الوقود المعقدة.

وبوصفه رمزاً متطوراً ذاتياً من مدونة مونت كارلو منذ عام 2000 من قبل فريق التحليل الهندسي التابع لإدارة الفيزياء الهندسية بجامعة تسينغووا، أصبح رمز ريكتور مونت كارلو منبراً محاكاة مبتكراً قوياً لتحليل المفاعلات النووية وما بعده.() وتظهر لجنة التنسيق الإقليمية الطبيعة العالمية لتطوير مدونة مون كارلو، مع مساهمات كبيرة من مؤسسات البحوث في جميع أنحاء العالم.

أدوات تحليل العناصر المحتوية على معلومات أساسية

ويؤدي تحليل العناصر المحتوية على النيت دورا حاسما في تصميم المفاعلات عن طريق وضع نماذج للميكانيكيات الهيكلية، والضغوط الحرارية، وتشوه المواد، كما أن أدوات الوكالة تتيح للمهندسين تقييم السلامة الهيكلية لمكونات المفاعلات في ظروف التشغيل العادية والسيناريوهات المتعلقة بالحوادث.

وتستخدم مجموعات المواد التجارية من وكالة الفضاء الأوروبية مثل هذه النظم وشركة ABAQUS على نطاق واسع في الصناعة النووية لإجراء تحليل هيكلي لسفن الضغط المفاعلية، وجمعيات الوقود، وهياكل الاحتواء، وهذه الأدوات توفر نماذج مادية شاملة، وميكانيكيات الاتصال، وقدرات التحليل غير الخطي الضرورية للتنبؤ بسلوك العناصر في ظل ظروف متطرفة.

وتجمع رموز أداء الوقود النووي المتخصصة مثل نظام بيسون بين أساليب العناصر المحددة والنماذج المادية الخاصة بالمواد النووية لتحفيز سلوك قضبان الوقود أثناء الأشعة، وتفسر هذه الرموز ظواهر مثل إطلاق الغاز الانشطارية، وتورم الوقود، وزحف النسيج، والتفاعل الميكانيكي المختلط الذي يتسم بأهمية حاسمة في تحليل أداء الوقود والسلامة.

برمجيات البرمجيات الحاسوبية

وتشمل تطبيقات السوائل الحاسوبية العمل الذي أجري تحقيقاً بشأن خصائص الاستجابة للإهتزازات وعوامل التأثير على قضبان الوقود القائمة على أساس النظام الوطني للأخشاب - مشروع القانون المتعلق بالوقود، والعمل الذي أجرى تحليلاً حرارياً مع تدفق الهيليوم في مختلف تصميمات القنوات استناداً إلى أساليب التعبئة من أجل تحديد قناة مدمجة ذات بعد.

واستخدم أصحاب البلاغ رمزاً يستند إلى مونت كارلو للنقل النيوترونات مقترناً برمز لسوائل حاسوبية لمركبات السائل الحراري، وهذا التقارب بين النيوترونات والهيدرات الحرارية أمر أساسي لمحاكاة المفاعلات الدقيقة، حيث أن التوزيع النيوترونات يؤثر على توليد الطاقة، مما يؤدي إلى أنماط تدفق مبردة تؤثر بدورها على درجات الحرارة المادية وأقسام العبور النيوترونات.

وتستخدم أدوات من قبيل نيك5000، وستاريكا - سي إم سي +، وفلوريد أون سي إس لتحليلات مائية - هدرولوجية مفصلة لبواع المفاعلات، ونظم التبريد الأولية، وهياكل الاحتواء، وهذه الرموز تحل معادلة النافير - ستوكس التي تحكم تدفق السوائل ونقل الحرارة، وتوفر توقعات مفصلة عن درجات الحرارة المبردة، والسرعة، وتوزيعات الضغط.

(إكس سي إم سي) يدمج أكثر الأساليب العددية الموثوقة وثقة عالية لنموذج المفاعلات التشغيلية، أي حالة المفاعل الجديدة مع (مونت كارلو) الملاحية الحرارية وكفاءة نقل السائل الحراري للمفاعل مع ديناميات السوائل المحسوبة العالية الاستبانة، وبرمجيات البرمجيات الواسعة النطاق التي تُشغّل هذا المحاكاة، والمعروفة باسم " إنريكو " ، تضمن التقلبات الميكانيكية الرقمية

مدونات النقل المحددة

ولا تزال رموز النقل النيوتروني المحددة أدوات أساسية لتحليل المفاعلات، ولا سيما بالنسبة لحسابات التصميم الأساسية الروتينية التي توفر فيها كفاءة استخدام الحاسوب وانعدام اليقين الإحصائي مزايا كبيرة، وتستخدم هذه الرموز أساليب حل مختلفة تشمل إجراء عمليات تنسيق منفصلة، وطريقة خصائص، ونُهج نشر العقيدات.

نظام الشفرة الخاص بـ(سكالي) الذي تم تطويره في مختبر (أوك ريدج) الوطني يوفر مجموعة شاملة من الأدوات المحددة و (مونتي كارلو) من أجل سلامة النقدية وفيزياء المفاعلات وتحليل التحميل

وتمثل المنظمة الكندية للأرصاد الجوية والشركة المحدودة لشبكة المعلومات، التي طورتها شركة ستودزفيك للكهرباء، أدوات قياسية للصناعة من أجل تصميم المفاعلات المائية الخفيفة، وتقوم المنظمة بإجراء عمليات حسابية مفصلة لفيزياء الإطارات لتوليد عدد قليل من الأقسام المشتركة بين المجموعات، بينما تستخدم شركة سيمولاك هذه الأقسام الشاملة لحسابات الانتشار الميدالية الأساسية الكاملة، وتقيم هذه المقاييس ذات النهجين توازناً في الدقة والكفاءة في التوحيد بالنسبة للأعمال الروتينية.

وقد أطلق مختبر إيداهو الوطني آخر نسخة من مشروع RELAP5-3D، وهو أداة للنموذج والمحاكاة اللفظية التي تنبأ بالظواهر المعقدة التي تحدث داخل مفاعل نووي، ويجسد مشروع RELAP5-3D رموز تحليل النظم المتطورة المستخدمة لتقييم سلامة المفاعلات، القادرة على وضع نماذج متطورة للأجهزة الحرارية الوبائية ذات نماذج مفصّلة.

التقنيات الحاسوبية المتقدمة

ومع تزايد تعقيد تصميمات المفاعلات وزيادة صرامة متطلبات السلامة، يواصل الباحثون تطوير تقنيات حاسوبية متقدمة تدفع حدود ما يمكن في محاكاة المفاعلات.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وقد وضع أصحاب البلاغ خوارزمية مصطنعة تستند إلى الذكاء الصناعي من أجل تصميم وإضفاء الصبغة المثلى على نواة المفاعل النووي استناداً إلى قياس مرن للجيولوجيا، وأظهروا تحسناً في قياس الأداء المختار: عامل ارتفاع الحرارة، مما يدل على الإمكانات التحويلية للمفاعلات في تصميم المفاعلات على النحو الأمثل.

وقد طور المؤلفون جهازاً مرشداً متعدد الفيزياء يستند إلى التعلم الآلي، وقيموا آلاف من الجيولوجيات المرشحة في مؤتمر القمة، وجهاز الحاسوب الرئيسي في مختبر أواك ريدج الوطني، ويمكن لمنتجي التعلم الماكين أن يحلوا محل المحاكاة العالية القيمة الباهظة التكلفة أثناء التصميم، مما يتيح استكشاف أماكن تصميم أكبر بكثير مما يمكن من أن يكون ممكناً باستخدام الأساليب التقليدية.

وتعجل أطر النماذج المتقدمة والمقاييس المحتوية على مادة AI/ML بتصميم الجيل القادم من المواد، مثل السبيكات المقاوم للإشعاع وأملاح السائلة، التي تعد حاسمة بالنسبة لنظم الانشطار والتدخين، وفيما عدا تصميم المفاعل، تقوم منظمة العفو الدولية بتثبيت تطوير المواد بالتنبؤ بخواص المواد وأدائها تحت الإشعاع دون اختبار تجريبي واسع النطاق.

باستخدام خام (أورنل) أول حاسوب خارق للطاقات في العالم، قام (كانيون) الذري بوضع نماذج جديدة لـ (آي آي) مصممة خصيصاً للصناعة النووية تدعى (فيرمي) والتي تُعطي قوة منصة (نيوترون) للـ(النيوترون) للـ(اليونيون) الذريّة، ونماذج (فري) تمكّن من قدرات البحث الذكية، مما يسمح للمستعملين بتحديد موقع الوثائق ذات الصلة بسرعة عبر مستودعات الواسعة للوثائق التقنية.

الحاسوب والمواءمة

ويدمج مختبر أوك ريدج الوطني البحوث المتقدمة في مجال الحوسبة والطاقة النووية من أجل دفع الابتكارات الحاسمة لمستقبل الطاقة في الدولة، ومن خلال الجمع بين الحواسيب من مستوى القيادة، والاستخبارات الاصطناعية، والنموذج المتعدد النطاق، يمكننا التصدي للتحديات في تصميم الطاقة النووية وسلامتها واستدامتها.

وتزيد عمليات محاكاة المفاعلات الحديثة من التأثير على هياكل حاسوبية متوازية بشكل كبير لتحقيق مستويات غير مسبوقة من التفصيل والدقة، وأصبحت وحدات تجهيز الرسوم البيانية أكثر أهمية للتعجيل بعمليات المحاكاة التي تجريها شركة مونت كارلو، حيث تحقق بعض المدونات سرعة ترتيب حركة المركبات مقارنة بالحسابات التقليدية التي تستند إلى وحدة التصوير المقطعي.

ونهجنا هو إدماج ديناميات مون كارلو الجديدة وديناميات السوائل الحاسوبية - وهي أدق الأساليب العددية المتاحة لنموذج المفاعلات التشغيلية - من أجل التنفيذ الفعال للنظم الخارجية - ومنابر حاسوبية واسعة النطاق قادرة على إجراء حسابات تبلغ بليون دولار في الثانية تتيح إجراء محاكاة لا يمكن تصورها قبل بضع سنوات فقط.

إن استراتيجيات التوازي الفعالة ضرورية لاستغلال المعدات الحاسوبية الحديثة، وطرق التحلل الرئيسية لتقسيم المشكلة الحاسوبية عبر مجهزين متعددين، بينما يوزع التوازي القائم على الجسيمات تاريخية جزيئات مونت كارلو عبر العوارض الحاسوبية، ويمكن للنهج الهجينة التي تجمع بين كلا الاستراتيجيتين أن تحقق زيادة ممتازة في النظم مع آلاف المجهزين.

تحليل كمية الحساسية والحساسية

ويعد فهم حالات عدم اليقين في محاكاة المفاعلات وتحديدها كميا أمراً حاسماً في اتخاذ القرارات المستنيرة والامتثال التنظيمي، وتنشأ أوجه عدم اليقين من مصادر متعددة تشمل البيانات النووية، والتسامح في مجال التصنيع، والتقريب بين النماذج، والمعايير التشغيلية.

(ج) تحديد تقنيات تحليل الحساسية التي تؤثر أكثر من غيرها في نتائج المحاكاة، وتوجيه البرامج التجريبية، وتصميم الجهود الرامية إلى تحقيق الاستخدام الأمثل، وتوفر أساليب الحساسية القائمة على المشاركة حواسيب فعالة للحساسيات إلى آلاف البارامترات في آن واحد، مما يتيح إجراء دراسات شاملة لنشر الشكوك.

إن أساليب أخذ العينات المخزنة مثل أخذ العينات في عينات البيوت اللاتينية والتوسع في الفوضى المتعددة الأبعاد تتيح تقديرا كميا لأوجه عدم التيقن من النواتج نظرا لتوزيع البارامترات، وتدمج هذه التقنيات بصورة متزايدة في سير عمل تصميم المفاعلات لضمان أن تشكل هوامش الأمان جميع المصادر الهامة لعدم اليقين.

وتتوقف دقة محاكاة النقل الإشعاعي في مونت كارلو على عوامل متعددة، منها النماذج المادية المستخدمة، ونوعية البيانات النووية والذرية الأساسية، والمقاييس الجيولوجية المشكلية، والتقارب الإحصائي في الطول المحسوب، ونتيجة لذلك، يجري عادة تقييم أداء حسابات MCNP من خلال إجراء دراسات مرجعية والتحقق والتحقق والتحقق (Vamp;V).

النماذج المخفضة والمتسربة

وتوفر نماذج الحد من الطلبة ونماذج بديلة تقريبيا كفؤا من المحاكاة العالية التكوين، وتطبيقات تمكينية مثل مراقبة التوقيت الحقيقي، والتصميم الأمثل، وتحديد كمية عدم التيقن التي قد تكون غير عملية بنماذج الفيزياء الكاملة.

استخلاص أنماط مكانية وزمنية مهيمنة من بيانات المحاكاة العالية القيمة، مما يتيح بناء نماذج منخفضة الأبعاد تستوعب السلوك الأساسي للنظام، ويمكن لهذه النماذج المخفضة أن تُنفذ أوامر أسرع من المحاكاة الأصلية مع الحفاظ على الدقة المقبولة.

ويمكن أن يؤدي تراجع العمليات في غاوسيان، والشبكات العصبية، وغيرها من تقنيات التعلم الآلي إلى إيجاد نماذج بديلة تتداخل بين نتائج المحاكاة العالية الشكل، وعندما يتم تدريب هذه البدائل على قاعدة بيانات لنتائج المحاكاة، فإنها توفر توقعات قريبة من الدلائل بالنسبة لبارامترات المدخلات الجديدة، مما يتيح استكشاف أماكن التصميم السريع وتطبيقات الوقت الحقيقي.

استراتيجيات الازدواج الفيزياء المتعددة

ويتطلب محاكاة المفاعلات الدقيقة الجمع بين مجالات الفيزياء المتعددة التي تتفاعل من خلال آليات التغذية المرتدة المعقدة، ويؤثر اختيار استراتيجية التقارب تأثيرا كبيرا على الدقة والكفاءة الحسابية على السواء.

عامل تفريق وربطة بيكار

ويحل المشغل طرق تقسيم المذيبات كل مجال من مجالات الفيزياء على حدة بالتسلسل، ويتبادل المعلومات بين المذيبات في فترات زمنية منفصلة أو خطوات التكرار، ويتيح هذا النهج استخدام المذيبات المتخصصة والأفضلية لكل مجال من مجالات الفيزياء مع الحفاظ على دقة معقولة في التقارب بين التطبيقات العديدة.

ويطبق التكرار على المشغل الذي يقسم بصورة متكررة في كل خطوة زمنية، ويدور عبر المذيبات الفيزيائية إلى أن يتم استيفاء معايير التقارب، وهذا يحسن من الدقة في التقارب مقارنة بالتقسيم التتابعي البسيط، ولكنه يزيد من التكلفة الحسابية، ويمكن أن تؤدي أساليب الاسترخاء إلى تحسين سلوك التقارب في المشاكل المقترنة بشدة.

كامل الكوبليين المجهولين نيوتن - كريلوف

وقد صُممت وزارة الطاقة في الأصل لمحاولة حل كل معادلة في حل واحد مكيف قائم على طريقة يعقوبان - خالي من نيوتن كليرلوف، وحل جميع المعادلات الفيزيائية في آن واحد كنظام غير خطي واحد، مما يوفر قدرا أكبر من الدقة والاستقرار في التقارب من أجل مشاكل مقترنة بشدة.

(ج) أساليب " يعقوبيان نيوتن - كريلوف " (JFNK) تتجنب التكوين الصريح للمصفوفة التي يعقوبية، بدلا من ذلك باستخدام مشتقات توجيهية لتقريب منتجات " جاكوبيان - فيكتور " ، مما يتيح إيجاد حلول مقترنة تماما للمشاكل المتعددة الفيزياء الواسعة النطاق حيث يكون تشكيل جاكوبيان واضحا باهظ الثمن.

ويعتبر الشرط المسبق الفعال أساسياً لتحقيق التقارب بين القوة الوطنية الكورية، لا سيما فيما يتعلق بالمشاكل المتعددة الفيزياء ذات الجداول الزمنية المتباينة والجداول المكانية، ويمكن أن تؤدي المُسبقات المسبقة القائمة على الفيزياء التي تُعزز هيكل فرادى مشغلي الفيزياء إلى تحسين معدلات التقارب بشكل كبير.

الأزواج الحرارية - الميكانيكية

وأصبح التحليل المتعدد الفيزياء أسلوبا مشتركا للتحقق من تصميم المفاعلات النووية، حيث أن التحليل الحراري النيوترونات هو الخيار النموذجي لفهم ديناميات المفاعلات، ومفهوم إضافة محاكاة آلية مثل التوسع الحراري إلى هذا التقلب لا يزال جديدا نسبيا، وهو يطرح تحديات حاسبية كثيرة، بينما لا ترى المفاعلات الكبيرة سوى أثر ضئيل نسبيا من التوسع الحراري، وهو ما أحدثته الدراسات عن المفاعلات الأرضية ذات المفاعلات الدقيقة.

وتحدد الحسابات المحايدة التوزيع المكاني للطاقة الإنشطارية، الذي يدفع إلى توزيع درجات الحرارة المحسوبة بالتحليل الحراري، وتؤثر درجات حرارة المواد على أجزاء عبر خط النيوترونات من خلال توسيع نطاقها وتغييرات الكثافة، مما يخلق حلقة تفاعلية يجب حلها بصورة متكررة أو من خلال طرق حل مقترنة تماما.

فالتشوه الميكانيكي من التوسع الحراري والتضخم الناجم عن التشعب يغيّر الأبعاد الأرضية والكتلة المادية، ويؤثر على كل من النيوترونات والهيدروليك الحراري، وبالنسبة للمفاعلات الدقيقة وغيرها من تصميمات الاتفاقات، يمكن لهذه التغييرات الجيولوجية المعالمية أن تؤثر تأثيرا كبيرا على التفاعل وتوزيع الطاقة، مما يتطلب تحليلاً ثنائياً ميكانيكياً حرارياً.

قسم البيانات النووية والمعابر

والبيانات النووية الدقيقة أساسية بالنسبة لجميع عمليات حساب فيزياء المفاعلات، ويجب تجهيز الأقسام التي تصف احتمالات التفاعل بين نيوترونات من مكتبات البيانات النووية التي يتم تقييمها إلى أشكال مناسبة للرموز الحاسوبية المحددة وظروف المفاعلات.

المكتبات المقيّمة للبيانات النووية

تمثل مكتبات مجموعة البيانات النووية المقيّمة مثل ENDF/B-VIII.0, JEFF-3.3, and JENDL-5 الجهود الدولية الرامية إلى جمع وتقييم بيانات ردود الفعل النووية من التجارب والنظرية النووية، وتتضمن هذه المكتبات معلومات مفصلة عن أجزاء الصليب النيوتروني، والتوزيعات العتيقة، ومطياف الطاقة، وغير ذلك من الممتلكات النووية لمئات النظائر.

ويؤدي استمرار تحسين البيانات النووية من خلال قياسات جديدة وتقنيات تقييم متقدمة إلى الحد من عدم اليقين في حسابات المفاعلات، كما أن البيانات التي تُحدِّد كمية الشكوك في البيانات النووية تتيح نشر هذه الشكوك من خلال محاكاة المفاعلات لتقييم أثرها على بارامترات التصميم.

قسما المعابر المؤقتة -

(ج) طريقة جديدة متعددة الأقطاب تعمل على النوافذ توفر الاعتماد على درجة الحرارة عند مستوى الطليعة في البيانات النووية التي تستخدم في تطبيقات التشغيل المفتوحة على الشبكة العالمية لشبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية والحرفية، وذلك لاستخدامها في المعدات المعجلة، والأقسام المتقاطعة المعتمدة على التدرج ضرورية لإجراء محاكاة دقيقة للمفاعلات، حيث تتسع فترات قياس النيوترونات بدرجة كبيرة مع زيادة درجة الحرارة.

النهج التقليدية التي تسبق إنشاء جداول الأقسام المتقاطعة في درجات حرارة متفاوتة، مما يتطلب الاستقطاب أثناء المحاكاة، وتمثل الطريقة التي تستخدم فيها عدة أجهزة استقرت على نطاق الترددات المسوَّاة باستخدام نماذج الأقطاب التي يمكن تقييمها في درجات حرارة تعسفية دون استقراء، وتقليص احتياجات الذاكرة وتحسين الدقة.

ويوفر توسيع نطاق عمليات إعادة الصمود تعليقات سلبية هامة على التفاعل في معظم تصميمات المفاعلات، مما يجعل الأقسام الدقيقة التي تعتمد على درجة الحرارة حاسمة لتحليل السلامة، كما أن طرق المعالجة المتقدمة للقطع تتيح محاكاة متعددة الفيزياء ذات القيمة العالية حيث تتباين درجات الحرارة المادية باستمرار في الفضاء والزمان.

Multi-Group Cross Section Generation

وتستخدم رموز النقل المحددة عادة أقساما متعددة المجموعات تمثل التفاعلات الجديدة التي تُتجاوز متوسطها نطاقات الطاقة المتباينة، ويتطلب توليد أقسام دقيقة متعددة المجموعات إجراء حسابات مفصلة على الطيف تُحسب لتوحيد المقاييس والتباين المكاني وآثار الحرارة.

وتُجري رموز الفيزياء في البطيخ حسابات نقل مفصلة لجديات تجميع الوقود لتوليد أجزاء متجانسة، قليلة المجموعة لاستخدامها في حسابات الانتشار العكوسة الكاملة، ويُوازن هذا النهج ذو خطين بين الدقة والكفاءة الحسابية لحسابات تصميمات المفاعلات الروتينية.

طرق المعادلة المتقدمة مثل طريقة المجموعة الفرعية وطريقة تون تحسن دقة أجزاء متعددة المجموعات من خلال تمثيل أفضل للآثار ذاتية التعادل هذه الأساليب مهمة بشكل خاص لتصميمات المفاعلات المتقدمة مع الممتصات القوية ومطياف النيوترونات غير العادية

التحقق، والتقدير، والتخصيص

ويتطلب ضمان دقة وموثوقية نماذج المفاعلات الحاسوبية القيام بأنشطة دقيقة للتحقق والتحقق والتثبت ووضع المعايير المرجعية طوال دورة الحياة في مجال التطوير والتطبيق.

المدونة

ويؤكد التحقق أن الرموز الحاسوبية تحل بشكل صحيح معادلة الرياضيات الأساسية، وهذا ينطوي على مقارنة نتائج الشفرة مع الحلول التحليلية للمشاكل المبسطة، والتحقق من معدلات التقارب مع انخفاض حجم الميزان والوقت، وضمان حفظ الكميات الأساسية مثل النيوترونات والطاقة.

وتوفر طريقة الحلول المصنَّعة نهجاً منهجياً للتحقق من الشفرة من خلال بناء مشاكل مع حلول تحليلية معروفة، وتضاف شروط المصادر إلى المعادلات الإدارية لإجبار حل تحليلي مختار، مما يتيح إجراء اختبار دقيق لمخططات التفكك الرقمي، وتصحيح التنفيذ.

وتحافظ اختبارات التراجع على جودة الشفرة مع إضافة سمات جديدة وتثبيت الحشرات، وتُجرى بانتظام مواصفات اختبار آلية لضمان عدم إبطال التعديلات الرمزية عن غير قصد للطابع الوظيفي الحالي أو تدهور دقة الحلول.

التقييم النموذجي

ويقيّم التقييم ما إذا كانت النماذج الحسابية تمثل بدقة الواقع المادي من خلال مقارنة نتائج المحاكاة بالقياسات التجريبية، ويتطلب التحقق من الجودة العالية إجراء تجارب جيدة الجودة مع قياسات تفصيلية وتقييم كمي شامل لعدم التيقن.

وتوفر التجارب الحرجة في مفاعلات البحوث ذات القوى الصفرية بيانات قيمة للتحقق من الرموز النيوترونات، وهذه التجارب تقيس قيمة المواد التي يمكن أن تتفاعل، وقيمة القضبان الخاضعة للرقابة، وتوزيعات معدلات التفاعل، وغيرها من البارامترات الخاضعة للمراقبة الدقيقة مع الحد الأدنى من الانقلاب الحراري.

وتوفر بيانات المفاعلات العاملة من محطات توليد الطاقة التجارية ومفاعلات البحوث المصادقة على المحاكاة المتعددة الفيزياء في ظروف تشغيل واقعية، غير أن عدم اليقين في الأبعاد القائمة على البناء، والتكوينات المادية، ومعايير التشغيل يمكن أن يعقّد جهود التحقق.

المعايير الدولية

وتوفر عمليات القياس الدولية التي تنظمها وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي وغيرها من المنظمات مشاكل اختبار موحدة لمقارنة مختلف الرموز الحاسوبية ونُهج النماذج، وتغطي هذه المعايير أنواعا متنوعة من المفاعلات، والسيناريوهات العابرة، وظواهر الفيزياء المقترنة.

وتساعد المشاركة في عمليات القياس على تحديد أفضل الممارسات النموذجية، وتحديد الفروق الكمية بين الرموز والمقاييس، وبناء الثقة في التنبؤات الحاسوبية، وتوفر المواصفات المرجعية معلومات مفصلة عن القياسات الجغرافية والمواد وظروف التشغيل للتقليل إلى أدنى حد من أوجه الغموض في إنشاء المشاكل.

وتُوفِّر معايير أعمى، حيث يقدِّم المشاركون نتائج قبل الكشف عن البيانات التجريبية، تأكيداً قيِّماً بشكل خاص من خلال إزالة التحيز المحتمل من المعرفة بالنتائج المتوقعة، وكثيراً ما يكشف التحليل الذي يُجرى بعد صدوره عن أفكار تتعلق بحساسيات النماذج ومصادر التباين بين المدونات.

طلبات المفاعل المتقدم

وتشكل مفاهيم المفاعلات المتقدمة تحديات حاسوبية فريدة تدفع إلى مواصلة تطوير قدرات النماذج والمحاكاة.

المفاعلات النموذجية الصغيرة

قدرات نموذج المفاعلات الواسعة النطاق التي تم تسليمها بواسطة (إكس إس آر) يمكنها أن تساعد في تصميم وترخيص أجهزة التحكم المتطورة والرادعة ذات الحل غير المسبوق بتحسين طريقة نموذج الظواهر المادية المعقدة التي تحدث داخل المفاعلات النووية العاملة، ومشكلة التحدي الكبير الذي يواجهه (إكسس آر) سيفتح الباب أمام التنبؤ الكبير بالأوضاع المتطورة للمفاعلات، مثل خلال ظروف منخفضة الطاقة عند البدء عن طريق بدء التداول الطبيعي للمفاعلات

وتستفيد المفاعلات النموذجية الصغيرة من المحاكاة العالية التكوين من أجل تحقيق أقصى قدر من التصميمات المدمجة وتبيان أداء السلامة، حيث أن أحجامها الأساسية الأصغر وتكاملها الأشد في العناصر المتماثلة في معدلات الارتفاع تجعل آثار التصادم الفيزيائية المتعددة أكثر وضوحا من تأثير المفاعلات الكبيرة، مما يتطلب أدوات حاسوبية متقدمة.

وتتطلب نظم التبريد في التداول الطبيعي المستخدمة في العديد من تصميمات العلاقات بين الموظفين والإدارة تحليلا مفصلا من قبل القوات المسلحة الكندية للتنبؤ بأنماط التدفق وأداء النقل الحراري في ظروف تشغيلية مختلفة، وتتحقق المحاكاة الحرارية الحرارية الحرارية من أن نظم السلامة السلبية ستؤدي وظيفتها على النحو المتوخى خلال سيناريوهات الحوادث.

المفاعلات ذات الصبغة العالية

وتستخدم الغازات لتبريد الوقود النووي في المفاعلات ذات الحرارة العالية، والمفاعلات المحتوية على الغازات، وتشمل التحديثات المزيد من الغازات، مما يتيح خيارات إضافية لتجريب النماذج والمفاعلات، مع الهيدروجين والهيليوم والنيتروجين والأوكسجين والأرغون والكريبتون وزينون والهواء والكرفور - هكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، التي أدرجت الآن في البرمجيات.

وتشكل المفاعلات ذات الغاز العالي التمرين التي تحتوي على وقود الجسيمات التي تستخدمها تريسو تحديات فريدة في النماذج بسبب توزيعها الحاد للوقود وقابليتها للاختراق في الهندسة المعقدة.

وتتطلب درجات الحرارة العالية في هذه المفاعلات نماذج دقيقة لممتلكات المواد التي تعتمد على درجة الحرارة ونقل الحرارة الإشعاعية الحرارية، ويضاف الأوكسيد الجامايكي ونقل منتجات الأنشطة عبر طبقات التستر على تريسو ظواهر فيزياء إضافية يجب أن تُستولى في محاكاة شاملة للمفاعلات.

مفاعلات الملح المتحركة

وتشكل مفاعلات الملح المتحركة التي تدور فيها وقود سائل تحديات حسابية غير مسبوقة بسبب الانقلاب بين النيوترونات والهيدروليك الحراري وكيمياء الوقود، ويخلق الوقود المتحرك توزيعاً لمصادر النيوترونات يعتمد على الوقت ويتطلب تتبع انجراف سلائف النيوترونات المتأخرة.

ويتطلب توافق الكوروزيون والمواد مع الملح المرطوبة نماذج دقيقة للكيمياء مقترنة بالهيدروليك الحراري والميكانيكيات الهيكلية، ويجب أن تنبأ الأدوات الحاسوبية بتطور الملح، ونقل التريتيوم، وسلوك المنتجات الانشطارية في البيئة الكيميائية المعقدة لنظم الملح المبتذلة.

وتتطلب معالجة الوقود على الإنترنت وإزالة المنتجات الانشطارية في بعض مفاهيم مفاعلات الملح المستنبطة تتبع دينامي لتكوين الوقود مدمجا في حسابات الترونات الحرارية والهيدروليكية الحرارية، وتتطلب هذه السمات الفريدة قدرات حاسوبية جديدة تتجاوز القدرات التي تم تطويرها للمفاعلات ذات الوقود الصلب.

المفاعلات الدقيقة والنظم النووية الفضائية

تعمل المفاعلات الدقيقة لتطبيقات الطاقة النائية ونظم الدفع النووي الفضائية في ظروف متطرفة ذات بنية أساسية صيانة دنيا، وتؤدي النماذج الحاسوبية دورا حاسما في إثبات موثوقيتها وأدائها في مجال السلامة.

وتتطلب نظم تبريد الأنابيب الحرارية المستخدمة في العديد من تصميمات المفاعلات الدقيقة نماذج متخصصة للهيدروليك الحراري للتنبؤ بتدفقات ذات مرحلتين ونقل الحرارة في أنابيب الحرارة، وتتحقق المحاكاة المزدوجة من أن صفائف الأنابيب الحرارية يمكن أن تزيل حرارة التحلل من خلال آليات سلبية حتى لو فشلت بعض الأنابيب الحرارية.

ويجب أن تتحمل نظم المفاعلات الفضائية حمولات الإطلاق، وأن تعمل في جو من الفراغ أو الغلاف الجوي الكواكبي، وأن تعمل بشكل موثوق لسنوات دون صيانة، وتقيم المحاكاة الحاسوبية السلامة الهيكلية أثناء الإطلاق، وتتوقع تدهور الأداء من الضرر الإشعاعي، وتتحقق من سلامة التشغيل في إطار سيناريوهات مختلفة للبعثات.

مقياس أداء الوقود والمواد

ويعتبر فهم سلوك الوقود في إطار الإشعاع أمرا أساسيا لسلامة المفاعلات واقتصاداتها، وتدمج رموز أداء الوقود الحاسوبي ظواهر فيزياء متعددة تحدث في قضبان الوقود أثناء التشغيل.

Fuel Rod Thermomechanics

وتُظهر رموز أداء الوقود على غرار السلوك الحراري المختلط والميكانيكي والكيميائي لقرود الوقود طوال حياتهم في المفاعل، وتتوقع هذه الرموز توزيع درجات الحرارة في الوقود، والإطلاق الغازي في الأنف، وتورم الوقود، وزحف التنظيف، والتفاعل الميكانيكي المزروع.

وتميز أساليب العناصر الحيوية بين قياسات الوقود الأرضية لحل معادلة التدفئة الحرارية مع توليد الحرارة الداخلية من الانشطار، وتؤثر الخصائص المادية المعتمدة على التدرج وسلوك الفجوة بين الوقود والزلاج تأثيرا كبيرا على التنبؤات المتعلقة بالدرجات الحرارية ويجب أن تكون مصممة بدقة.

وتمثل النماذج الميكانيكية تفكيك الوقود ونقله وكثافةه خلال منحدرات الطاقة الأولية، فضلا عن ظواهر طويلة الأجل مثل نمو الزاحف والأشعة، وتعالج ميكانيكيات الاتصال التفاعل المعقد بين خلايا الوقود وتصفيقها مع تطور الثغرات في الاتصال عن قرب وبلوغات الاتصال.

إطلاق الغازات الانشطارية والتوسيم

وتولد غازات الاحتباس الحراري مثل الزينون والكريبتون أثناء النسيج في مصفوفة الوقود، ثم تُطلق في نهاية المطاف إلى الفجوة في ربط الوقود، وزيادة الضغط الداخلي على القضبان، وتتتبع النماذج الحاسوبية انتشار الغازات الانشطارية، والنواة القاعدية والنمو، وتُطلق إلى الفجوة باستخدام الوصلات الميكانيكية أو التناظرية.

ويؤثر ارتفاع الوقود من فقاعات الغاز الإنشطاري ومنتجات الانشطار الصلب على كثافة الوقود والسلوك الحراري، كما أن نماذج التورم الدقيقة ضرورية للتنبؤ بإغلاق الفجوة المزدحمة بالوقود والتفاعل الميكانيكي اللاحق الذي يمكن أن يؤدي إلى فشل مفجع.

الضرر الإشعاعي والمواد

ومن المتوقع أن تتيح الأساليب الحاسوبية المتقدمة والمعدات الحاسوبية قدرات جديدة في مجال علوم المواد الحاسوبية، ويتيح هذا التطور إمكانية زيادة فهم السلوك المادي لتمكين تطوير مواد جديدة تتيح خيارات أداء أفضل للنباتات المقبلة.

ويتسبب الضرر الناجم عن الإشعاع النيوتروني في حدوث تغييرات في البنية التحتية الدقيقة في الوقود والمواد الهيكلية التي تؤثر على خصائصها الميكانيكية واستقرارها البعدي، كما أن أدوات علوم المواد الحاسوبية تولد عيوب نموذجية، والهجرة، والتجميع على نطاق الذري، مما يوفر معلومات عن آليات الضرر الإشعاعي.

:: إنتاج مواد متعددة النطاق لتشكيل الجسور التي تصيب الضرر الإشعاعي على نطاق الذري مع التنبؤات المستمرة لأداء الوقود، وتتتبع نماذج نظرية معدلة تطور السكان العيوبين، بينما تحفز الأساليب الميدانية المرحلة تطور الهياكل الدقيقة في إطار الإشعاع.

تحليل الحوادث

ومن الضروري التحفيز الحاسوبي للمفاعلات التي تنقلها وحوادثها لإثبات السلامة والحصول على الموافقة التنظيمية، ويجب أن تستوعب هذه التحليلات التفاعل المعقد بين الملاحين النيوترونات، والهيدروف الحرارية، والميكانيكيات الهيكلية خلال الظروف غير الطبيعية.

حوادث الانبعاث

ويمكن أن تؤدي حوادث الدمج الناتجة عن قذف القضبان أو آليات أخرى إلى حدوث توترات سريعة في الطاقة تحد من سلامة الوقود، كما أن رموز التحليلات العابرة لبضع نقاط حركية أو حريات فضائية مكانية ذات حراريات هيدروليكية للتنبؤ بتطور الطاقة، ودرجات حرارة الوقود، وضرر محتمل في الوقود.

وتوفر التغذية المرتدة من زيادة درجة حرارة الوقود، والارتباكات التي ترد من مديرة إدارة المناظر نتيجة لتغيرات الكثافة المبردة آليات وقف متأصلة في معظم تصميمات المفاعلات، ومن الأهمية بمكان أن نمذجة دقيقة لهذه الآثار المرتدة للتنبؤ بعواقب الحوادث، وأن يثبت عدم تجاوز الحدود القصوى لأضرار الوقود.

Loss of coolant Accidents

وتمثل فقدان حوادث التبريد من قطع الأنابيب أو غير ذلك من حالات فشل النظام الأولي حوادث على أساس التصميم بالنسبة لمعظم أنواع المفاعلات، كما تمثل رموز تحليل النظام مثل نموذج RELAP5-3D الظواهر الحرارية الحرارية المعقدة أثناء الانفجار وإعادة التعبئة والمراحل المكررة من التقلبات الحرارية.

ويجب أن يتجلى أداء نظام التبريد الأساسي في حالات الطوارئ من خلال محاكاة مفصلة تُعزى إلى تدفق مرحلتين، وتدفق حراري حرج، وكشف أساسي، وتتحقق هذه الحسابات من أن درجات الحرارة التي تبلغ ذروتها لا تزال أدنى من الحدود التنظيمية، وأن التبريد الطويل الأجل يُحتفظ به.

محطة بلاكوت وما بعد التصميم

(ج) سيناريوهات انقطاع محطات الكهرباء التي تنطوي على فقدان جميع نظم السلامة السلبية للاختبارات في اختبارات التكييف وإجراءات استجابة المشغلين، وتستلزم عمليات المحاكاة الموسعة التي تغطي ساعات إلى أيام أساليب حسابية فعالة ومعاملة دقيقة لإزالة حرارة التحلل من خلال التداول الطبيعي وآليات التبريد السلبية.

ويتطلب تحليل الحوادث بشكل دقيق بالنسبة للسيناريوهات التي تتجاوز أساس التصميم مدونات متخصصة تُعد نموذجاً للتدهور الأساسي، وتوليد الهيدروجين، وسلوك الفولطين، والاستجابة للاحتواء، وتدمج هذه الرموز ظواهر فيزياء متنوعة تشمل الذوبان بالوقود، وردود الفعل الكيميائية، والنقل بالهيروسول، والفشل الهيكلي.

الاستخدام الأمثل واستكشاف التصميم

وتتيح تقنيات الاستخدام الأمثل للحواسيب الاستكشاف المنهجي لأماكن تصميم المفاعلات لتحديد التشكيلات التي تلبي على أفضل وجه أهدافا متعددة غالبا ما تكون متنافسة.

محطة وقوف الوقود على الوجه الأمثل

وتمثل أنماط تحميل الوقود على النحو الأمثل لتحقيق التوزيع المرغوب للطاقة، وتعظيم طول الدورة، وتقليل عوامل الذروة في الطاقة إلى أدنى حد مشكلة تصميم المفاعلات التقليدية، فالخريزميات الجينية، والتحفيز المتحرك، وغير ذلك من أساليب التفائل الوبائية، تبحث المساحة الواسعة من أنماط التحميل المحتملة لتحديد التشكيلات شبه الآلية.

ويقترب التدرج الأمثل من مقاييس بحث متقدمة مع نماذج مخفضة السرعة أو نماذج بديلة لتقييم آلاف التصميمات المرشحة، وتتحقق المحاكاة العالية الجودة من أداء التصميمات الواعدة التي تم تحديدها عن طريق تحقيق الاستخدام الأمثل.

التصميم الأساسي وإدارة الوقود

(أ) تُحدِّد أطر الاستخدام الأمثل للتصميمات الأساسية أُطراً لاقتصادات دورة الوقود، وحواف الأمان، والمرونة التشغيلية، وتحدد الأطر المتعددة الأهداف التصميمية الأمثل التي تمثل مختلف المفاضلات بين الأهداف المتنافسة مثل طول الدورة، وطول القوة، وهوامش الإغلاق.

وتحدد الإدارة الآلية للوقود أمثل حجمات الدفعات، والإثراء، والتحميل المحترق للتقليل من تكاليف دورة الوقود مع استيفاء القيود المتعلقة بالسلامة والتشغيل، ويجب أن تكون هذه التعظيمات مسؤولة عن عدم اليقين في أداء الوقود، والبيانات النووية، وظروف التشغيل.

التصميم المتطور

وقد أتاح التطور السريع للتصنيع المتقدم، وتحديدا، المضاف (الطباعة من 3 إلى دال) وإدخاله في تصميم أساسي نووي متقدم من خلال برنامج مفاعل التحدي العابر فرصة لاستكشاف التصميم التعسفي للهياكل ذات الحرارة النووية.

فالصناعة المضافة تتيح تصميمات المفاعلات ذات المواصفات الجيولوجية المعقدة التي قد يتعذر اختلاقها باستخدام الأساليب التقليدية، ويمكن أن تستكشف القياسات الجيولوجية غير التقليدية لتعظيم قياسات الأداء مثل التوحيد الحراري أو كثافة الطاقة.

إن حيز تصميم الهندسة التعسفي واسع النطاق ويتطلب إجراء تقييم حسابي للعديد من تصميمات المرشحين، كما أن محاكاة النظم النووية المتعددة الفيزياء تتسم بكثافة زمنية كبيرة، وهذا التحدي يدفع إلى تطوير خوارزميات فعالة وتقنيات نموذج بديلة يمكن أن تبحر في أماكن تصميم كبيرة ذات ميزانيات حسابية محدودة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ولا يزال مجال فيزياء المفاعلات الحاسوبية يتطور بسرعة، ويقوده التقدم في المعدات الحاسوبية، والأساليب الرقمية، وفهمنا للنظم النووية.

الحواسيب الخارجية وما بعدها

ومنابر حاسوبية واسعة النطاق قادرة على إجراء حسابات تبلغ مليارات الدولارات في الثانية، مما يتيح محاكاة المفاعلات بحل غير مسبوق وحيازتها، وتتيح هذه النظم محاكاة كاملة من طراز مونت كارلو بمليارات من تاريخ الجسيمات، وسادتها من نظم التبريد الأولية بكاملها، وحسابات متعددة الفيزياء مقرونة بشدة.

ومن المرجح أن تشمل البنايات الحاسوبية المستقبلية قدرا أكبر من التوازي، ومجهزات غير متجانسة تجمع بين وحدات البارافينات المكلورة قصيرة الأجل ومسرعات، وتسلسلاً جديداً من هياكل الذاكرة، ويجب أن تتطور الأساليب الحاسوبية لاستغلال هذه البنى بفعالية، مما يتطلب إعادة تصميم الخوارزمية ونماذج برمجة جديدة.

ويمثل حساب الكمية تكنولوجيا مسببة للاضطرابات طويلة الأجل بالنسبة لمحاكاة المفاعلات، وفي حين أن الحواسيب الكمية الحالية محدودة جدا بالنسبة لعمليات حساب المفاعلات العملية، فإن الخوارزميات الكمية في المستقبل قد تتيح سرعة هائلة بالنسبة لفئات معينة من المشاكل مثل حسابات الكيمياء الكمية لتصميم المواد.

التوائم الرقمية والتقليد الحقيقي

وتخلق التكنولوجيا الرقمية التوأم نماذج افتراضية للمفاعلات المادية التي يجري تحديثها باستمرار مع بيانات الاستشعار من المصنع الفعلي، وهذه التوأم الرقمي تتيح الرصد في الوقت الحقيقي، والصيانة التنبؤية، وتحقيق الاستخدام الأمثل لعمليات المفاعلات.

ويمكن نماذج الضبط المخفضة وأجهزة بديلة للتعلم الآلي من أن يعمل التوأم الرقمي أسرع من الوقت الحقيقي، مما يتيح التنبؤ بدول النباتات المقبلة وتقييم السيناريوهات التي إذا كانت ستنعكس، ويمكن للتكامل مع نظم مراقبة النبات أن يتيح تحقيق الاستخدام الأمثل لعمليات المفاعلات من أجل تحقيق أقصى قدر من الكفاءة والسلامة.

ويُعزى عدم اليقين في القياس الكمي في التوأم الرقمي إلى ضوضاء أجهزة الاستشعار، وعدم اليقين في النماذج، وعدم اكتمال المعلومات عن حالة النباتات، ويجمع تقنيات الاستطلاع البيزيائي واستيعاب البيانات بين التنبؤات المحاكاة وبيانات القياس لتوفير أفضل تقديرات لظروف النباتات الحالية.

Autonomous Design and Artificial Intelligence

وتناقش الاستنتاجات الآثار المستقبلية المترتبة على تصميم النظم النووية باستخدام قياسات جغرافية تعسفية وإمكانية استخدام خوارزميات تصميم مستقلة قائمة على أساس التنفيذ.() ويمكن لأدوات التصميم التي تحركها الوكالة أن تستكشف بشكل مستقل أماكن التصميم، وتحدد المفاهيم الواعدة، وتُحدِّد التشكيلات إلى أقصى حد ممكن بأقل قدر من التدخل البشري.

وقد تكتشف شبكات النزعات الحسنة وغيرها من هياكل التعلم العميق تشكيلات جديدة للمفاعلات لا يمكن أبداً للمصممين البشريين أن ينظروا فيها، ويمكن لهذه النظم أن تتعلم من قواعد بيانات التصميمات والمحاكاة السابقة لوضع حدس لما يجعل تصميم المفاعلات جيداً.

وستكون تقنيات الاشتغال المفسَّرة ضرورية للقبول التنظيمي للمفاعلات المصممة وفقاً للمفاعلات، ولا يجب أن تحدد أدوات التصميم فقط التشكيلات المثلى، بل أن تقدم أيضاً تفسيرات مفهومة عن سبب اتخاذ بعض خيارات التصميم وكيفية ضمان السلامة.

إدماج النهج التجريبية والحسابية

ومستقبل تصميم المفاعلات يكمن في التكامل غير المستقر للاختبارات التجريبية والمحاكاة الحاسوبية، وتتحقق التجارب من نماذج حاسوبية وتوفر بيانات عن معايرة النموذج، بينما تسترشد عمليات المحاكاة ببرامج تجريبية بتحديد الظواهر الحرجة ومقاييس الاختبارات على النحو الأمثل.

ويمكن من خلال الأجهزة المتحركة وحيازة البيانات في الوقت الحقيقي إجراء مقارنة مباشرة بين التنبؤات المحاكاة والقياسات التجريبية خلال اختبارات الإشعاع، وهذا التقارب الضيق بين التجارب والمحاكاة يعجل بتطوير النماذج ويبني الثقة في التنبؤات الحاسوبية.

ويمكن أن تكمل التجارب الافتراضية التي تستخدم محاكاة عالية التخمين برامج الاختبار المادي، مما يقلل من عدد اختبارات الإشعاع الباهظة التكلفة اللازمة لتأهيل الوقود، ويمكن للنماذج الحاسوبية التي تحققت من مجموعة محدودة من التجارب أن تستكشف نطاقات البارامترات والظروف التي لا يمكن اختبارها بدنيا.

التحديات والفرص

وعلى الرغم من التقدم الهائل في فيزياء المفاعلات الحاسوبية، لا تزال هناك تحديات كبيرة تتيح فرصاً لمواصلة البحث والتطوير.

التكلفة والكفاءة الحاسوبية

ورغم أن الأساليب المحددة سريعة عموما، فإنها تحتاج إلى الكثير من التقريبات أثناء التنفيذ، وعلى النقيض من ذلك، فإن المسألة الرئيسية المتعلقة بأساليب مونت كارلو هي تكلفتها الحاسوبية، بما في ذلك وقت الذاكرة ووحدة استخدام الأراضي والحراجة، في حين أنه لا يوجد تقريب في الحيز التدريجي، ويمكن محاكاة الفيزياء الحقيقية للنظام.

ولا يزال الموازنة بين التكلفة الحاسوبية وبين دقة الحل تحديا أساسيا، إذ أن عمليات المحاكاة العالية القيمة التي يقوم بها مونت كارلو قد تتطلب أياما أو أسابيع من حساب المجموعات الكبيرة، مما يحد من استخدامها في حسابات التصميم الروتينية ودراسات الاستخدام الأمثل.

إن تقنيات الحد من التباين، وتحسين الميوشات التكييفية، والأساليب الهجينة التي تجمع بين النهجين المحددين والضاربين توفر سبلا لتحسين الكفاءة الحسابية، وسيشكل استمرار تطوير الخوارزميات وتحقيق الاستخدام الأمثل للهيكلات الحاسوبية الحديثة أمرا أساسيا لجعل المحاكاة العالية التكوين عملية لتطبيقات أوسع نطاقا.

الازدواج المتعدد النطاق والفيزياء المتعددة

ولا تزال الظواهر الاصطناعية الفعالة عبر مقياسات مكانية وزمنية مختلفة إلى حد كبير تشكل تحدياً، إذ تحدث أضرار إشعاعية على نطاق الذري على نطاق زمني ثاني، بينما يتطور أداء الوقود على مدى سنوات من الإشعاع، ويتطلب سد هذه الجداول تطويراً دقيقاً لنماذج مربية من الكاربات تحافظ على الفيزياء الأساسية مع بقاءها قابلة للحساب.

ويمكن أن يؤدي التقارب بين مختلف المجالات الفيزيائية إلى عدم استقرار عددي وصعوبات في التقارب، إذ إن وضع خوارزميات قوية تحافظ على الاستقرار والدقة في المشاكل المقترنة بشدة يتطلب مواصلة البحث في الأساليب الرقمية وهندسة البرمجيات.

التحقق، والتقدير، والتقدير غير المستقر

ومع أن النماذج الحاسوبية تصبح أكثر تعقيدا، يصبح التحقق الدقيق والتحقق من صحتها أمرا متزايد الصعوبة، ويتطلب التحقق الشامل بيانات تجريبية عالية الجودة لا تتوفر في كثير من الأحيان لمفاهيم المفاعلات المتقدمة والسيناريوهات المتعلقة بالحوادث.

ويتطلب تحديد أوجه عدم التيقن في المحاكاة المتعددة الفيزياء المعقدة نشر أوجه عدم اليقين من مصادر متعددة، بما في ذلك البيانات النووية، والممتلكات المادية، والتسامح في مجال التصنيع، والتقريب بين النماذج، ويمكن أن تكون التكلفة الحاسوبية لليقين من حيث الكمية باهظة باهظة بالنسبة لنماذج ذات جودة عالية، مما يؤدي إلى تطوير أساليب فعالة لنشر الشكوك.

نوعية البرامجيات وإمكانية الاستدامة

ويشكل الحفاظ على نظم برمجيات حاسوبية كبيرة وتطويرها على مدى عقود تحديات كبيرة، وقد يصعب تعديل رموز المجاملة المكتوبة بلغات البرمجة القديمة والتنقل إلى هياكل حاسوبية جديدة، في حين قد تفتقر المدونات الجديدة إلى التثبت من صحة الأدوات الثابتة وخبرة المستعملين فيها على نطاق واسع.

وتتيح نماذج تطوير البرامجيات المفتوحة المصدر فرصاً للتعاون الأوسع نطاقاً والابتكارات الأكثر سرعة، ولكنها تتطلب اهتماماً دقيقاً لضمان جودة البرامجيات، والوثائق، وبناء المجتمعات المحلية، ويزيد من تعقيدات تحقيق التوازن بين الانفتاح ومتطلبات مراقبة الصادرات بالنسبة للتكنولوجيا النووية.

ويحتاج تدريب الجيل القادم من فيزياء المفاعلات الحاسوبية إلى التعليم في الهندسة النووية، والرياضيات التطبيقية، وعلوم الحاسوب، والهندسة البرمجية، وتساعد برامج التدريب المتعددة التخصصات ومشاريع البحث التعاونية على تطوير مختلف مجموعات المهارات اللازمة لمحاكاة المفاعلات الحديثة.

خاتمة

وقد أصبحت الأساليب الحاسوبية أدوات لا غنى عنها لتصميم المفاعلات النووية، وتحليل الأمان، وتحقيق الاستخدام الأمثل، وقد أحرز هذا المجال تقدما من عمليات التوزيع البسيطة على الحواسيب المبكرة إلى زيادة المحاكاة المتعددة الفيزياء التي تلتقط ظواهر معقدة مقترنة بخصوبة غير مسبوقة.

وسيفيد النموذج الجديد والمحاكاة الصناعة النووية من خلال تمكين العلماء/المهندسين من تحليل أداء وموثوقية محطات الطاقة النووية القائمة والمتقدمة وتحسينها، وبما أن الصناعة النووية تسعى إلى إيجاد مفاهيم متطورة للمفاعلات لمعالجة تغير المناخ والتحديات الأمنية في مجال الطاقة، فإن المحاكاة الحسابية ستؤدي دوراً محورياً متزايداً في التعجيل بالتنمية والنشر.

ويعود إدماج الاستخبارات الاصطناعية، والحساب الواسع النطاق، والأساليب الرقمية المتقدمة إلى ثورة تصميم المفاعلات وتحليلها في العقود القادمة، وسيمكن التوأم الرقمي من تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي لعمليات المفاعلات، في حين ستستكشف أدوات التصميم التي يقودها المعهد حيزا واسعا للتصميم لتحديد المفاهيم المبتكرة التي تحقق أقصى قدر من السلامة والأداء.

بيد أن تحقيق هذه الإمكانات يتطلب مواصلة الاستثمار في تطوير الأساليب الحاسوبية، والهياكل الأساسية الحاسوبية العالية الأداء، وبرامج التحقق التجريبي، وتطوير القوة العاملة، ولكن التحديات كبيرة، ولكن الفرص المتاحة لتحويل الطاقة النووية عن طريق النماذج المتقدمة والمحاكاة هائلة.

بالنسبة للمهتمين بالتعلم أكثر عن فيزياء المفاعلات الحاسوبية وما يتصل بها من مواضيع، توفر وكالة الطاقة النووية التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي موارد واسعة النطاق بشأن نماذج المفاعلات ومحاكاتها.

ومع استمرار تعزيز القدرات الحاسوبية وتعميق فهمنا للنظم النووية، سيزداد تشكيل مستقبل تصميم المفاعلات من خلال أدوات متطورة للنموذج والمحاكاة، وستمكن هذه الأساليب الحاسوبية الصناعة النووية من تقديم حلول آمنة واقتصادية ومستدامة للطاقة للأجيال القادمة.