สหรัฐฯ ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ยกระดับความปลอดภัย ของ “โรงไฟฟ้านิวเคลียร์”

นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิจัยระดับชาติของรัฐบาล Argonne National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Aurora ศึกษาปรากฏการณ์ “การไหลแบบปั่นป่วน” (Turbulence) ภายในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความปลอดภัยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ จำลองพฤติกรรมของของไหลและก๊าซภายในระบบอย่างละเอียด ยกระดับความปลอดภัยไปอีกขั้น

Turbulence คืออะไร ?

Turbulence หรือ การไหลแบบปั่นป่วน เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ของของไหลที่พบได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การหมุนวนของกาแฟในถ้วย หรือกระแสลมที่ไหลปะทะกับปีกเครื่องบิน

ภายในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ปรากฏการณ์นี้มีความสำคัญอย่างมาก เนื่องจาก Turbulence เป็นตัวกำหนดกระบวนการสำคัญหลายอย่างในระบบ ไม่ว่าจะเป็นการถ่ายเทความร้อน การผสมตัวของก๊าซ รวมถึงพฤติกรรมของก๊าซไฮโดรเจนในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ

ด้วยเหตุนี้ การทำความเข้าใจพฤติกรรมของ Turbulence อย่างแม่นยำจึงถือเป็นกุญแจสำคัญที่จะช่วยยกระดับมาตรฐานความปลอดภัยของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วโลกได้ในระยะยาว

เทคโนโลยี CFD จำลองฟิสิกส์ที่ซับซ้อน

เพื่อวิเคราะห์การไหลของของไหล ทีมนักวิจัยได้ใช้เทคนิคการใช้คอมพิวเตอร์คำนวณเพื่อจำลองการไหลของของไหล Computational Fluid Dynamics (CFD) ผ่านซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์ส 2 ตัว Nek5000 ซึ่งประมวลผลบน CPU และ NekRS เวอร์ชันใหม่ที่ปรับให้ทำงานบน GPU เพื่อเพิ่มความเร็วในการคำนวณ

ซอฟต์แวร์เหล่านี้สามารถจำลองกระแสน้ำวนขนาดเล็กที่ซับซ้อน ซึ่งโมเดลแบบดั้งเดิมมักไม่สามารถคำนวณได้อย่างละเอียด ส่งผลให้การจำลองมีความแม่นยำมากขึ้น โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุในเตาปฏิกรณ์

เพื่อพิสูจน์ความน่าเชื่อถือของการจำลอง ทีมนักวิจัยได้เข้าร่วมการทดสอบที่เรียกว่าการทดลองระดับนานาชาติที่ใช้ศึกษาพฤติกรรมของก๊าซภายในอาคารกักกันของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ PANDA Experiment ซึ่งเป็นการทดลองแบบ Blind Benchmark (การทดสอบความแม่นยำของโมเดลหรือโปรแกรม) ในการทดสอบนี้ทีมนักวิจัยได้รับเพียงข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างของถังทดลอง และสภาพเริ่มต้นของระบบเท่านั้น โดยไม่ทราบผลลัพธ์ของการทดลองจริงล่วงหน้า

ผลลัพธ์ปรากฏว่าแบบจำลองจากการทดสอบ สามารถทำนายการไหลของก๊าซได้อย่างแม่นยำ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการจำลองดังกล่าวสามารถใช้ประเมินสถานการณ์จริงได้อย่างน่าเชื่อถือ 

ความสำเร็จของงานวิจัยทำให้หน่วยงานกำกับดูแลความปลอดภัยด้านนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) ให้ความสนใจและเริ่มร่วมมือกับทีมนักวิจัยในการใช้เครื่องมือจำลองเพื่อประเมินสถานการณ์อุบัติเหตุที่เกิดขึ้น การมีเครื่องมือที่เชื่อถือได้ช่วยให้หน่วยงานกำกับดูแลสามารถ วิเคราะห์ความปลอดภัยของเตาปฏิกรณ์ได้แม่นยำขึ้น และประเมินสถานการณ์ฉุกเฉินที่ยากต่อการทดลองจริงได้

Aurora ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร่งการจำลองให้เร็วขึ้น

งานวิจัยได้ขยายไปสู่การใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับโลกอย่าง Aurora ระบบคอมพิวเตอร์สมรรถนะสูง โดยมีพลังประมวลผลระดับเอ็กซาสเกล (Exascale) และใช้หน่วยประมวลผลกราฟิก GPU จำนวนมหาศาล  ทำให้สามารถลดเวลาการคำนวณจากหลายสัปดาห์เหลือเพียงไม่กี่วัน เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองสถานการณ์ต่าง ๆ ได้จำนวนมากขึ้น และปรับปรุงการออกแบบเตาปฏิกรณ์ให้ปลอดภัยยิ่งขึ้น

อีกประโยชน์สำคัญของการจำลองขั้นสูง คือ การสร้าง Digital Twin (แบบจำลองดิจิทัลของสิ่งของจริงในโลกจริง) หรือแบบจำลองดิจิทัลของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แนวคิดนี้ช่วยลดการทดลองจริงที่มีค่าใช้จ่ายสูง ลดเวลาในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ และเร่งกระบวนการอนุมัติเตาปฏิกรณ์รุ่นใหม่

โครงการนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ
Nuclear Energy Advanced Modeling and Simulation Program (NEAMS) ซึ่งมีเป้าหมายพัฒนาเครื่องมือจำลองสำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ยุคใหม่อีกด้วย

ในขั้นต่อไป นักวิจัยกำลังวางแผนผสานเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ (AI) และ Machine Learning เข้ากับการจำลอง เพื่อเพิ่มความเร็วและความแม่นยำของการคาดการณ์ เทคโนโลยีเหล่านี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาลจากการจำลอง และนำไปใช้พัฒนาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แหล่งที่มา: interestingengineering.com