Argonne利用虚拟能源来应对核科学中最复杂的挑战

设计一种新型核反应堆是一项复杂的工作，需要数十亿美元和多年的发展。此外，为下一代核反应堆提供了大量不同的建议配置，科学家们希望这些配置能够安全，经济高效地生产电力。

由于成本高昂，科学家们正在利用高性能计算的力量来解决与反应堆设计和性能相关的许多挑战。

在美国能源部(DOE)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，该计算机代码位于美国能源部科学用户设施办公室Argonne Leadership Computing Facility，利用仅在少数几个站点提供的资源。在世界各地解决一些最复杂和最大规模的科学挑战。

“我们对反应堆物理和热工水力学的基本原理有很好的理解，因此建模和模拟工具使我们能够虚拟地分析潜在的反应堆设计，”阿贡核工程师Emily Shemon说。

在模型里面

Argonne和美国能源部国家实验室综合体其他地方的核建模和模拟工作的最终目标是消除核工业在考虑下一代反应堆的设计，许可和部署时面临的一些初步障碍。“实验室建模工作的目的是填补行业的知识空白，”Shemon说。“如果我们可以做一些腿部工作，他们可以使用我们的代码和模型来告知他们的设计决策。”

Argonne的一项主要研究工作集中在模拟钠冷快堆中的湍流。几十年来，这些反应堆引起了科学家的兴趣，因为它们能够有效地使用燃料，比现有的轻水冷反应堆产生更少的废物。

钠冷却快堆还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，也有几种内置安全措施可自动启动。

当冷却剂围绕反应堆堆芯中的一束燃料销流动时，它将热量带离燃料组件。加热的钠倾向于浮在较冷的钠上，形成熔岩灯般的循环模式，防止任何一个区域变得太热。

Argonne计算工程师Aleksandr Obabko表示，可视化冷热流体的螺旋和漩涡的复杂运动需要高性能计算。“我们试图使用超级计算机直接模拟湍流，尽可能接近所需的分辨率，”他说。“我们需要超级计算机，因为有很多漩涡需要建模，因为它们都有助于混合过程。”

阿贡研究人员还使用模型来说明反应堆或燃料组件对热传输和流体流动的几何影响。

为了模拟核反应堆中的混合和湍流，Obabko和他的同事使用称为Nek5000 的计算代码来解决与计算流体动力学相关的问题。Nek5000是一种通用流体力学代码，用于模拟血管流动，空气动力学和内燃机以及核反应堆环境。

与竞争计算算法相比，Nek5000具有许多优势，但最显着的是它大大减少了解决方案所需的时间和计算费用。“当大多数其他代码达到80%的解决方案时，我们只有90%，这可以在计算费用方面产生很大的影响，”Argonne计算科学家Paul Fischer说，他设计了Nek5000。

验证模型并探索新的前沿

计算机代码本身只能为核反应堆的内部工作提供很多信息。要知道计算模型的输出如何精确地符合现实，需要能够将结果与来自实验的数据进行比较，这一过程称为验证。对于一些先进的反应堆类型，这样的实验数据是有限的并且生成昂贵以涵盖所有设计变化。因此，现代建模和模拟能力旨在实现更高水平的预测性，而不必过多依赖实验。

“如果没有实验数据，我们仍然无法完全信任我们的计算模型，但我们可以利用任何有限的实验数据，”Shemon说。“因此，我们所拥有的是一个迭代过程，设计师使用我们的软件进行初步分析，允许他们缩小设计选择范围或改进系统，并通过更有针对性的测试验证他们的最终设计。”

一个真正有用的模型不仅可以再现科学家在实验中可以看到的内容，而且还可以补充已知数据并使研究人员能够更自信地进行预测。这对于具有不同类型的冷却剂和燃料选择的先进反应堆设计尤其重要。

因为已经提出了许多潜在的新设计 - 从像Obabko研究的钠冷却快速反应堆到由气体或熔盐冷却的那些 - 高级计算代表了研究人员必须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热量产生率，温度，应力和应变的信息，因为中子，热和结构现象会相互影响。通过这种方式，Argonne的核建模计划有两个目标：第一，开发核心反应堆物理，热工水力学，结构力学，燃料和材料建模工具; 第二，创建多物理场分析功能，捕捉所有这些领域之间的相互依赖性。

收获的好处

即使研究人员没有能力直接验证他们的代码，开发更高保真度的更接近第一原则的模型也代表了许多方面对可能在过去验证过的低阶代码的改进。例如，更高保真度的代码使研究人员能够更准确地了解他们之前只有平均值的数量。

“以前的低阶代码是准确的，但从某种意义上说，它们是模糊的，”Shemon说。“这些新的高保真代码使我们能够在能量，空间和时间方面更精确。”

高保真度代码可以改善反应堆设计和运行的一种方法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。在一个例子中，Argonne研究人员运行具有最佳情况的模型，其中燃料销及其包层完全按照规格制造。然后，他们还运行最坏情况，其中这些组件与其理想不同，以解决不确定性和容差，并比较反应堆实际行为评估安全裕度的差异。

在Shemon看来，这个项目和Argonne的其他项目支持更广泛的总体目标。“我们的主要目标是增加先进反应堆设计的信息可用性，”她说。“我们正试图通过建模和模拟来实现更安全，更快速，更经济的设计。我们所做的一切都是为了实现这一目标。”