Argonne利用虛擬能源來應(yīng)對(duì)核科學(xué)中最復(fù)雜的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)一種新型核反應(yīng)堆是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要數(shù)十億美元和多年的發(fā)展。此外，為下一代核反應(yīng)堆提供了大量不同的建議配置，科學(xué)家們希望這些配置能夠安全，經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)電力。

由于成本高昂，科學(xué)家們正在利用高性能計(jì)算的力量來解決與反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和性能相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。

在能源部(DOE)阿貢實(shí)驗(yàn)室，研究人員正在實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行一套廣泛的計(jì)算代碼，該計(jì)算機(jī)代碼位于能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室Argonne Leadership Computing Facility，利用僅在少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)提供的資源。在世界各地解決一些最復(fù)雜和最大規(guī)模的科學(xué)挑戰(zhàn)。

“我們對(duì)反應(yīng)堆物理和熱工水力學(xué)的基本原理有很好的理解，因此建模和模擬工具使我們能夠虛擬地分析潛在的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，”阿貢核工程師Emily Shemon說。

在模型里面

Argonne和能源部實(shí)驗(yàn)室綜合體其他地方的核建模和模擬工作的最終目標(biāo)是消除核工業(yè)在考慮下一代反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，許可和部署時(shí)面臨的一些初步障礙。“實(shí)驗(yàn)室建模工作的目的是填補(bǔ)行業(yè)的知識(shí)空白，”Shemon說。“如果我們可以做一些腿部工作，他們可以使用我們的代碼和模型來告知他們的設(shè)計(jì)決策。”

Argonne的一項(xiàng)主要研究工作集中在模擬鈉冷快堆中的湍流。幾十年來，這些反應(yīng)堆引起了科學(xué)家的興趣，因?yàn)樗鼈兡軌蛴行У厥褂萌剂希痊F(xiàn)有的輕水冷反應(yīng)堆產(chǎn)生更少的廢物。

鈉冷卻快堆還具有相當(dāng)大的固有優(yōu)勢(shì)：即使在反應(yīng)堆系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，也有幾種內(nèi)置安全措施可自動(dòng)啟動(dòng)。

當(dāng)冷卻劑圍繞反應(yīng)堆堆芯中的一束燃料銷流動(dòng)時(shí)，它將熱量帶離燃料組件。加熱的鈉傾向于浮在較冷的鈉上，形成熔巖燈般的循環(huán)模式，防止任何一個(gè)區(qū)域變得太熱。

Argonne計(jì)算工程師Aleksandr Obabko表示，可視化冷熱流體的螺旋和漩渦的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)需要高性能計(jì)算。“我們?cè)噲D使用超級(jí)計(jì)算機(jī)直接模擬湍流，盡可能接近所需的分辨率，”他說。“我們需要超級(jí)計(jì)算機(jī)，因?yàn)橛泻芏噤鰷u需要建模，因?yàn)樗鼈兌加兄诨旌线^程。”

阿貢研究人員還使用模型來說明反應(yīng)堆或燃料組件對(duì)熱傳輸和流體流動(dòng)的幾何影響。

為了模擬核反應(yīng)堆中的混合和湍流，Obabko和他的同事使用稱為Nek5000 的計(jì)算代碼來解決與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)的問題。Nek5000是一種通用流體力學(xué)代碼，用于模擬血管流動(dòng)，空氣動(dòng)力學(xué)和內(nèi)燃機(jī)以及核反應(yīng)堆環(huán)境。

與競爭計(jì)算算法相比，Nek5000具有許多優(yōu)勢(shì)，但最顯著的是它大大減少了解決方案所需的時(shí)間和計(jì)算費(fèi)用。“當(dāng)大多數(shù)其他代碼達(dá)到80%的解決方案時(shí)，我們只有90%，這可以在計(jì)算費(fèi)用方面產(chǎn)生很大的影響，”Argonne計(jì)算科學(xué)家Paul Fischer說，他設(shè)計(jì)了Nek5000。

驗(yàn)證模型并探索新的前沿

計(jì)算機(jī)代碼本身只能為核反應(yīng)堆的內(nèi)部工作提供很多信息。要知道計(jì)算模型的輸出如何精確地符合現(xiàn)實(shí)，需要能夠?qū)⒔Y(jié)果與來自實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這一過程稱為驗(yàn)證。對(duì)于一些先進(jìn)的反應(yīng)堆類型，這樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是有限的并且生成昂貴以涵蓋所有設(shè)計(jì)變化。因此，現(xiàn)代建模和模擬能力旨在實(shí)現(xiàn)更高水平的預(yù)測(cè)性，而不必過多依賴實(shí)驗(yàn)。

“如果沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們?nèi)匀粺o法完全信任我們的計(jì)算模型，但我們可以利用任何有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，”Shemon說。“因此，我們所擁有的是一個(gè)迭代過程，設(shè)計(jì)師使用我們的軟件進(jìn)行初步分析，允許他們縮小設(shè)計(jì)選擇范圍或改進(jìn)系統(tǒng)，并通過更有針對(duì)性的測(cè)試驗(yàn)證他們的最終設(shè)計(jì)。”

一個(gè)真正有用的模型不僅可以再現(xiàn)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中可以看到的內(nèi)容，而且還可以補(bǔ)充已知數(shù)據(jù)并使研究人員能夠更自信地進(jìn)行預(yù)測(cè)。這對(duì)于具有不同類型的冷卻劑和燃料選擇的先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)尤其重要。

因?yàn)橐呀?jīng)提出了許多潛在的新設(shè)計(jì) - 從像Obabko研究的鈉冷卻快速反應(yīng)堆到由氣體或熔鹽冷卻的那些 - 高級(jí)計(jì)算代表了研究人員必須評(píng)估其設(shè)計(jì)能力的最佳途徑。

在大多數(shù)情況下，計(jì)算機(jī)代碼必須交換有關(guān)熱量產(chǎn)生率，溫度，應(yīng)力和應(yīng)變的信息，因?yàn)橹凶?，熱和結(jié)構(gòu)現(xiàn)象會(huì)相互影響。通過這種方式，Argonne的核建模計(jì)劃有兩個(gè)目標(biāo)：第一，開發(fā)核心反應(yīng)堆物理，熱工水力學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，燃料和材料建模工具; 第二，創(chuàng)建多物理場分析功能，捕捉所有這些領(lǐng)域之間的相互依賴性。

收獲的好處

即使研究人員沒有能力直接驗(yàn)證他們的代碼，開發(fā)更高保真度的更接近第一原則的模型也代表了許多方面對(duì)可能在過去驗(yàn)證過的低階代碼的改進(jìn)。例如，更高保真度的代碼使研究人員能夠更準(zhǔn)確地了解他們之前只有平均值的數(shù)量。

“以前的低階代碼是準(zhǔn)確的，但從某種意義上說，它們是模糊的，”Shemon說。“這些新的高保真代碼使我們能夠在能量，空間和時(shí)間方面更精確。”

高保真度代碼可以改善反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和運(yùn)行的一種方法是減少安全和有效反應(yīng)堆運(yùn)行所需的公差或溫度裕度的不確定性。在一個(gè)例子中，Argonne研究人員運(yùn)行具有最佳情況的模型，其中燃料銷及其包層完全按照規(guī)格制造。然后，他們還運(yùn)行最壞情況，其中這些組件與其理想不同，以解決不確定性和容差，并比較反應(yīng)堆實(shí)際行為評(píng)估安全裕度的差異。

在Shemon看來，這個(gè)項(xiàng)目和Argonne的其他項(xiàng)目支持更廣泛的總體目標(biāo)。“我們的主要目標(biāo)是增加先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的信息可用性，”她說。“我們正試圖通過建模和模擬來實(shí)現(xiàn)更安全，更快速，更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。我們所做的一切都是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”