Aurora, siêu máy tính mạnh mẽ nhất thế giới hiện đang được phát triển tại Hoa Kỳ, và nó hứa hẹn sẽ thúc đẩy lĩnh vực mô phỏng lò phản ứng hạt nhân.
Với năng lực tính toán mạnh hơn gấp 50 lần so với hệ thống hiện tại, Aurora sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và an toàn của các lò phản ứng hạt nhân mới, theo thông cáo báo chí từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (ANL). Hoa Kỳ đã là nơi đặt một số siêu máy tính nhanh nhất thế giới, một thực tế được xác nhận bởi bảng xếp hạng TOP500.
Những kỳ quan tính toán này phục vụ nhiều mục đích khác nhau, bao gồm các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng, như được báo cáo gần đây khi Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) tiết lộ kế hoạch sử dụng siêu máy tính để theo dõi kho dự trữ hạt nhân cho quân đội Mỹ.
Ngược lại hoàn toàn, Aurora có một sứ mệnh độc đáo: tối ưu hóa các quy trình phân hạch hạt nhân trong các lò phản ứng hiện đang cung cấp một phần đáng kể điện năng của Hoa Kỳ, lên tới một phần năm nguồn cung cấp của quốc gia. Ngoài ra, năng lượng hạt nhân chiếm gần một nửa lượng điện không carbon của đất nước, góp phần đáng kể vào nỗ lực giảm phát thải carbon.
Nhưng siêu máy tính Aurora chính xác có sức mạnh như thế nào? ANL hiện đang sử dụng siêu máy tính Polaris để mô phỏng, với sức mạnh tính toán đáng gờm 44 petaflops, có khả năng thực hiện 44 nghìn tỷ phép tính mỗi giây.
Ngược lại, Aurora được thiết kế với khả năng tính toán 2 exaflops đáng kinh ngạc, cho phép nó hoàn thành 2 tỷ tỷ phép tính mỗi giây, một bước tiến nhảy vọt về hiệu suất so với hệ thống hiện tại.
Mặc dù Aurora ban đầu được dự kiến sẽ hoạt động vào thời điểm này, nhưng các vấn đề về sản xuất đã trì hoãn việc hoàn thành nó. Tuy nhiên, khi hoạt động, nó sẽ vượt qua Frontier của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, đảm bảo vị thế siêu máy tính nhanh nhất thế giới.
Như Dillon Shaver, một kỹ sư hạt nhân tại ANL, đã tuyên bố trong thông cáo báo chí, “Điều thực sự mới với Aurora là cả quy mô của các mô phỏng mà chúng tôi sẽ có thể thực hiện và số lượng mô phỏng.”
Vì vậy, Aurora chính xác sẽ được sử dụng cho việc gì? Shaver và nhóm của ông đặt mục tiêu khai thác sức mạnh tính toán của Aurora để giải quyết vô số điều chưa biết trong các mô phỏng lò phản ứng hạt nhân.
Mục tiêu của họ là nắm bắt các chi tiết phức tạp của các quá trình diễn ra bên trong lõi lò phản ứng, cho phép phát triển các thiết kế lò phản ứng mới mà không cần phải thực hiện các thí nghiệm tốn kém. Điều này, đến lượt nó, sẽ giúp các nhà sản xuất lò phản ứng xác nhận và cấp phép cho các thiết kế của họ.
Trong các mô phỏng của họ, các nhà nghiên cứu sẽ xem xét các mô hình phức tạp của nhiệt, chẳng hạn như nhiễu loạn, xung quanh các thanh nhiên liệu để mô hình hóa các đặc tính truyền nhiệt của lò phản ứng. Tăng nhiễu loạn có thể tăng cường truyền nhiệt, nhưng nó cũng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn.
Đặc biệt trong các lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri, nhiễu loạn có thể tạo ra các xoáy, là những cơn lốc nhiệt nhỏ có thể tăng cường và dẫn đến rung động của thanh nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng động lực học chất lưu kết hợp với cơ học kết cấu và hiệu suất nhiên liệu trong các mô phỏng của họ, tất cả ở cấp độ Exascale (Các siêu máy tính nhanh nhất thế giới hiện nay giải quyết các vấn đề ở cấp độ peta—tức là một triệu tỷ (10^15 ) phép tính mỗi giây).
Để tạo điều kiện thuận lợi cho các mô phỏng này, nhóm sẽ sử dụng Môi trường Mô phỏng Đối tượng Vật lý Nhiều (MOOSE), giúp việc tạo mô hình và mô phỏng có thể truy cập được cho nhiều nhà nghiên cứu. Trong khi MOOSE tăng tốc quá trình mô phỏng, sức mạnh tính toán của Aurora cho phép nó hoạt động đồng thời với NekRS, một trình giải động lực học chất lưu tính toán, cho phép mô phỏng ngay cả những chi tiết nhỏ nhất.
Như Shaver nhấn mạnh, “Những động lực quy mô nhỏ này thực sự quan trọng để giải quyết vì chúng kết hợp lại với nhau để mang lại cho bạn hành vi quy mô lớn của việc vận chuyển nhiệt trong lò phản ứng.
Chúng tôi phải tìm hiểu cơ bản nhất có thể để đảm bảo rằng chúng tôi có được những câu trả lời tốt nhất mà chúng tôi có thể.” Khả năng sắp tới của Aurora đánh dấu một bước tiến nhảy vọt đáng kể trong lĩnh vực mô phỏng lò phản ứng hạt nhân, với tiềm năng cách mạng hóa thiết kế và an toàn lò phản ứng.
(Theo Daniel Martinez)
