设计新型核反应堆是一项复杂的任务，需要数十亿美元和数年的开发。此外，对于下一代核反应堆，还有很多不同的建议配置，科学家希望这种反应堆能够安全、经济、高效地发电。

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

在美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室，研究人员正在该实验室的超级计算机上运行一组广泛的计算代码，该计算机位于美国能源部科学用户设施办公室的阿贡领导计算设施中，并且仅利用少数站点提供的资源。解决世界上一些最复杂和最大的科学挑战。

“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，”阿尔贡的核工程师Emily Shemon说。

在模型里面。

阿贡和美国能源部国家实验室综合体其他部分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。Shemon说：“实验室建模的目的是填补行业的知识空白。“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为他们的设计决策提供信息。”

阿贡的主要研究工作之一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，因为它们比现有的轻水冷却反应堆更有效地利用燃料，产生更少的废物。

钠冷快堆也有相当大的内在优势：即使在反应堆系统故障的情况下，也有几个内置的安全措施可以自动启动。

当冷却剂在反应堆堆芯的一束燃料棒周围流动时，它将热量从燃料组件中带走。加热的钠倾向于漂浮在较冷的钠上，形成类似熔岩灯的循环模式，以防止任何区域变得太热。

阿贡的计算工程师亚历山大奥巴布科(Aleksandr Obabko)说，可视化冷热流体的螺旋和涡流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，因为有许多漩涡需要建模，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传热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和他的同事使用了一个名为Nek5000的计算代码来解决与计算流体动力学相关的问题。Nek5000是一个通用的流体动力学代码，用于模拟血管的流动、空气动力学以及内燃机和核反应堆的环境。

与竞争计算算法相比，Nek5000有很多优势，但最显著的是它大大减少了解决方案的时间和计算成本。设计Nek5000的阿贡计算科学家保罗菲舍尔(Paul Fischer)说：“当大多数其他代码达到解决方案的80%时，我们只有90%，这可能会对计算成本产生很大影响。

验证模型并探索新领域。

计算机本身只能为核反应堆的内部工作提供大量信息。要知道计算模型的输出如何准确符合实际，就需要能够将结果与实验得到的数据进行比较，这就叫做验证。对于一些先进的反应堆类型来说，这种实验数据是有限的，而且生成这些数据的成本很高，无法涵盖所有的设计变更。因此，现代建模和仿真的能力旨在实现更高水平的可预测性，而不太依赖于实验。

Shemon说：“没有实验数据，我们仍然不能完全信任我们的计算模型，但我们可以使用任何有限的实验数据。“因此，我们所拥有的是一个迭代的过程。设计人员使用我们的软件进行初步分析，允许他们缩小设计选项或改进系统，并通过更有针对性的测试来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看到的东西，还可以补充已知的数据，使研究人员能够更自信地做出预测。这对于采用不同类型冷却剂和燃料选项的先进反应堆设计尤为重要。

因为已经提出了许多潜在的新设计——从像Obabko研究这样的钠冷快堆到那些由气体或熔盐冷却的快堆——先进的计算代表了研究人员评估其设计能力的最佳方式。

在大多数情况下，计算机代码必须交换关于热生成速率、温度、应力和应变的信息，因为中子、热量和结构现象会相互影响。这样，阿贡的核建模计划有两个目标：一是开发堆芯反应堆物理、热工水力学、结构力学、燃料和材料建模工具；第二，创建一个多物理场分析函数来捕捉所有这些场之间的相互依赖关系。

收获的好处

即使研究人员无法直接验证他们的代码，开发一个保真度更高、更接近第一原理的模型也代表了对低阶代码的许多改进，这些改进在过去可能已经得到验证。例如，更高保真度的代码使研究人员能够更准确地知道他们以前的平均值的数量。

“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。”

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