阿贡利用虚拟力量应对核科学中最复杂的挑战

设计新型核反应堆是一项复杂的工作，需要数十亿美元和数年的发展。此外，下一代核反应堆有许多不同的建议配置，科学家希望这些配置可以安全，经济高效地发电。

由于成本高昂，科学家们正在利用高性能计算的能力来应对与反应堆设计和性能相关的许多挑战。

在美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室，研究人员正在实验室的超级计算机上运行一套广泛的计算代码，该超级计算机位于美国能源部科学用户办公室阿贡领导力计算设施中，仅利用了少数几个站点的可用资源世界各地，以应对一些最复杂和大规模的科学挑战。

Argonne核工程师Emily Shemon说：“我们对支撑反应堆物理和热力学的法律有了很好的了解，因此建模和仿真工具使我们能够虚拟地分析潜在的反应堆设计。”

模型内部

在阿贡和美国能源部国家实验室的其他地方进行核建模和仿真工作的最终目标是消除核工业在考虑设计，许可和部署下一代反应堆时面临的一些初始障碍。Shemon说：“实验室建模工作的目的是填补行业的知识空白。”“如果我们可以做一些必要的工作，他们也许能够使用我们的代码和模型来指导他们的设计决策。”

阿贡大学的一项主要研究工作集中在模拟钠冷快堆中的湍流。这些反应堆吸引了科学家数十年的兴趣，因为它们具有有效利用燃料的能力，与现有轻水冷反应堆相比，产生的废物更少。

钠冷快堆也具有相当大的固有优势：即使在反应堆系统发生故障的情况下，也有多种内置的安全措施会自动启动。

当冷却剂在反应堆堆芯中的一堆燃料销周围流动时，冷却剂会将热量带离燃料组件。加热的钠往往会漂浮在较冷的钠上，形成熔岩灯状的循环模式，从而防止任何一个区域过热。

Argonne计算工程师Aleksandr Obabko说，可视化热流体和冷流体的涡旋和漩涡的复杂运动需要高性能的计算。他说：“我们尝试使用超级计算机直接对湍流进行建模，以尽可能接近所需的分辨率。”“我们需要超级计算机，因为要建模的涡流很多，因为它们都对混合过程做出了贡献。”

阿贡大学的研究人员还使用模型来说明反应堆或燃料组件对热传递和流体流动的几何影响。

为了对核反应堆中的混合和湍流进行建模，Obabko和他的同事使用了称为Nek5000的计算代码来解决与计算流体动力学有关的问题。Nek5000是通用流体力学代码，用于对血管流动，空气动力学和内燃机以及核反应堆环境进行建模。

与竞争性计算算法相比，Nek5000具有许多优势，但最值得注意的是，它大大减少了解决解决方案所需的时间和计算费用。设计Nek5000的Argonne计算科学家Paul Fischer说：“到大多数其他代码达到解决方案的80%时，我们的成本就达到了90%，这可以在计算费用方面产生很大的不同。”

就其本身而言，计算机代码只能对核反应堆的内部运作提供如此多的了解。要知道计算模型的输出与现实的吻合程度，需要具有将结果与实验数据进行比较的能力，这一过程称为验证。对于某些先进的反应堆类型而言，此类实验数据是有限的，而且要生成涵盖所有设计变化的数据也很昂贵。因此，现代的建模和仿真功能旨在在不过于依赖实验的情况下实现更高的预测性。

Shemon说：“没有实验数据，我们仍然不能完全相信我们的计算模型，但是我们可以利用有限的实验数据。”“因此，我们所拥有的是一个迭代过程，在此过程中，设计师可以使用我们的软件进行初步分析，从而使他们可以缩小设计选择范围或对系统进行改进，并通过更有针对性的测试来验证最终设计。”

一个真正有用的模型不仅可以重现科学家可以通过实验看到的内容，还可以补充已知数据，并使研究人员更自信地做出预测。对于具有不同种类冷却剂和燃料选择的先进反应堆设计，这尤其重要。

因为已经提出了许多潜在的新设计-从像Obabko研究的钠冷快堆到用气体或熔融盐冷却的快堆-先进的计算代表了研究人员评估其设计能力的最佳途径。

在大多数情况下，计算机代码必须交换有关生热速率，温度以及应力和应变的信息，因为中子，热和结构现象会相互影响。这样，阿贡的核建模程序就具有两个目标：第一，开发堆芯物理，热力学，结构力学以及燃料和材料建模工具。第二，创建多物理场分析功能，以捕获所有这些领域之间的相互依赖性。

收获好处

即使研究人员没有直接验证其代码的能力，开发高保真，最接近第一原理的模型也代表了过去可能已经验证过的低阶代码在许多方面的改进。例如，更高保真度的代码使研究人员可以更精确地了解他们以前仅具有平均值的数量。

谢蒙说：“以前的低阶编码是准确的，但从某种意义上讲它们是模糊的。”“这些新的高保真代码使我们能够在能量，空间和时间方面更加精确。”

高逼真度代码可以改善反应堆设计和运行的一种方式是减少安全和有效反应堆运行所需的公差(或温度裕度)的不确定性。在一个示例中，阿贡大学的研究人员在最理想的情况下运行模型，其中燃料销及其包壳的制造完全符合规范。然后，它们还会在最坏的情况下运行，在这些情况下，这些组件与理想情况不同，以考虑不确定性和公差，并比较反应堆虚拟行为的差异，以评估安全裕度。

Shemon认为，该项目和Argonne的其他项目都支持更广泛的总体目标。她说：“我们的主要目标是增加先进反应堆设计的信息可用性。”“我们正在努力通过建模和仿真来实现更安全，更快，更经济的设计。我们所做的一切都是为此而努力的。”

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