Die heutigen Kernreaktoren basieren auf der Kernspaltung, der Spaltung schwerer Atome wie Uran, um zuverlässig und sicher etwa 20 Prozent der Elektrizität in Amerika zu erzeugen. Wissenschaftler blicken nun in die Zukunft: eine neue Generation noch sicherer, effizienterer und wirtschaftlicherer Kernreaktoren, die den wachsenden Energiebedarf decken sollen. Gleichzeitig verfolgen Wissenschaftler die mögliche Nutzung von Fusionsreaktoren. Anstatt Atome zu spalten, verbindet die Fusion sie miteinander, setzt dabei enorme Mengen an Energie frei und ahmt auf der Erde die Reaktionen nach, die die Sonne und die Sterne antreiben.
Ein preisgekröntes Softwarepaket namens OpenMC, das vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurde, trägt dazu bei, diese Ziele näher an die Realität heranzuführen. Da OpenMC Open Source ist, können Wissenschaftler an Universitäten, in Unternehmen und in verschiedenen Ländern den Code sowohl nutzen als auch verbessern.
Virtuelle Experimente für präzisere Reaktormodelle
OpenMC, das kürzlich mit dem R&D-100-Award ausgezeichnet wurde, sagt voraus, wie sich subatomare Teilchen – hauptsächlich Neutronen und Photonen – durch komplexe Systeme bewegen und mit Materialien interagieren. Es basiert auf der Monte-Carlo-Methode, bei der komplexe Systeme durch wiederholte Zufallsstichproben modelliert werden. Durch die Ermöglichung „virtueller Experimente” trägt es dazu bei, Entwicklungen im Bereich der Kernspaltungs- und Kernfusionsanlagen zu beschleunigen, bevor kostspielige Prototypen gebaut werden.
Paul Romano begann vor mehr als einem Jahrzehnt als Doktorand am MIT mit der Entwicklung von OpenMC. Heute ist er Computational Scientist bei Argonne, und gemeinsam mit Kollegen bei Argonne und am MIT hat er OpenMC zu einem weit verbreiteten Werkzeug für die Forschung im Bereich Kernspaltung und Kernfusion weiterentwickelt. „Es kann beispielsweise vorhersagen, wie schnell Kernbrennstoff verbraucht wird oder wie stark Reaktormaterialien durch Strahlung beschädigt werden“, so Romano.
Obwohl die heutigen kommerziellen Kernkraftwerke ausgereift sind, zielt eine Welle fortschrittlicher Kernspaltungsdesigns darauf ab, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Leistung zu verbessern. Da physische Prototypen teuer und stark reguliert sind, verlassen sich Entwickler auf Vorhersagemodelle. „Mit OpenMC können Teams Risiken bei Designs rechnerisch minimieren“, so Romano. „Wenn sie die Hardware bauen, kennen sie bereits die wichtigsten Verhaltensweisen und können die Vorteile neuer Designs und Systeme demonstrieren.“
Wachsende Bedeutung für neue Fusionskonzepte
OpenMC hat sich schnell zu einem unverzichtbaren Werkzeug für neue Fusionskonzepte entwickelt, dessen Nutzer von nationalen Laboren und Universitäten bis hin zu einer wachsenden Zahl privater Unternehmen reichen. „Wir beobachten eine starke Akzeptanz in den USA und Europa“, sagte Romano. „Die Unterstützung durch das DOE-Programm Fusion Energy Sciences hat dazu beigetragen, und private Investitionen sorgen für zusätzliche Dynamik.“
Um diese Gemeinschaft zu stärken, veranstaltete Argonne im Mai das „OpenMC Application to Tokamak Neutronics Analysis Meeting“, an dem etwa 90 internationale Teilnehmer aus anderen nationalen Laboratorien, der Industrie, Universitäten und Forschungseinrichtungen teilnahmen. Die Veranstaltung hob die Vielfalt der OpenMC-Anwendungen hervor und markierte eine erneute Fokussierung auf die Fusion in Argonne.
In der Vergangenheit, so Romano, erforderten solche Modellierungen spezielle Codes, große Teams und enorme Rechenleistung. OpenMC bietet einen neuen Ansatz: modernste Algorithmen kombiniert mit einfacher Bedienung und freiem Zugang für die globale Forschungsgemeinschaft. OpenMC verfügt außerdem über eine Schnittstelle, mit der sich Modelle schnell erstellen und anpassen lassen. Es kann auf fast jedem Computer ausgeführt werden, von Laptops bis hin zu den schnellsten Supercomputern der Welt, und bietet Forschern damit eine unvergleichliche Flexibilität.
Exascale‑Computing eröffnet Simulationsmöglichkeiten auf neuem Niveau
Eine seiner größten Stärken ist die Fähigkeit, auf Hochleistungsrechnern zu laufen. Als Teil des Exascale Computing Project des DOE wurde OpenMC für Supercomputer angepasst, die eine Billiarde oder eine Milliarde Milliarden Berechnungen pro Sekunde („Exascale“) durchführen können. Diese Leistung ist für die Lösung der massiven, datenintensiven Probleme im Zusammenhang mit dem Design von Kern- und Fusionsreaktoren von entscheidender Bedeutung.
OpenMC hat seine Leistungsfähigkeit bereits auf Supercomputern in den Einrichtungen des DOE Office of Science unter Beweis gestellt, darunter zwei Exascale-Supercomputer: Aurora in der Argonne Leadership Computing Facility und Frontier in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des DOE. Durch die Kombination fortschrittlicher Physikmodelle mit Exascale-Computing können Forscher nun ganze Kernspaltungsreaktoren und Fusionsanlagen mit einer bisher unerreichten Detailgenauigkeit simulieren.
Von kleinen modularen Reaktoren bis hin zu groß angelegten internationalen Fusionsversuchen – OpenMC hilft Forschern dabei, die Zukunft der Kernenergie zu gestalten. Die Software unterstützt auch Arbeiten zu abgebrannten Brennelementen und Strahlenschutz – sei es für Kraftwerke, medizinische Einrichtungen oder sogar Raumfahrzeuge. Mit seiner Open-Source-Basis, einer starken Forschungsgemeinschaft und der Unterstützung des DOE ist OpenMC bereit, auch weiterhin eine tragende Rolle bei den weltweiten Bemühungen um die Entwicklung der Energiesysteme der Zukunft zu spielen.
Diese Arbeit wird durch die Programme „Fusion Energy Sciences” und „Advanced Scientific Computing Research” des DOE unterstützt. Neben Romano gehören Patrick Shriwise, John Tramm, Amanda Lund und Joffrey Dorville zu den Mitwirkenden von Argonne. Zu den Mitwirkenden des MIT gehören Benoit Forget und Ethan Peterson.
