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

設(shè)計一種新型核反應(yīng)堆是一項復(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算的力量來解決與反應(yīng)堆設(shè)計和性能相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。

在能源部(DOE)阿貢實驗室，研究人員正在實驗室的超級計算機(jī)上運(yùn)行一套廣泛的計算代碼，該計算機(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，”阿貢核工程師Emily Shemon說。

在模型里面

Argonne和能源部實驗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，許可和部署時面臨的一些初步障礙。“實驗室建模工作的目的是填補(bǔ)行業(yè)的知識空白，”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)計決策。”

Argonne的一項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，因為它們能夠有效地使用燃料，比現(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：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)置安全措施可自動啟動。

當(dāng)冷卻劑圍繞反應(yīng)堆堆芯中的一束燃料銷流動時，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，防止任何一個區(qū)域變得太熱。

Argonne計算工程師Aleksandr Obabko表示，可視化冷熱流體的螺旋和漩渦的復(fù)雜運(yùn)動需要高性能計算。“我們試圖使用超級計算機(jī)直接模擬湍流，盡可能接近所需的分辨率，”他說。“我們需要超級計算機(jī)，因為有很多漩渦需要建模，因為它們都有助于混合過程。”

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

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 的計算代碼來解決與計算流體動力學(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，空氣動力學(xué)和內(nèi)燃機(jī)以及核反應(yīng)堆環(huán)境。

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

驗證模型并探索新的前沿

計算機(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。要知道計算模型的輸出如何精確地符合現(xiàn)實，需要能夠?qū)⒔Y(jié)果與來自實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這一過程稱為驗證。對于一些先進(jìn)的反應(yīng)堆類型，這樣的實驗數(shù)據(jù)是有限的并且生成昂貴以涵蓋所有設(shè)計變化。因此，現(xiàn)代建模和模擬能力旨在實現(xiàn)更高水平的預(yù)測性，而不必過多依賴實驗。

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

一個真正有用的模型不僅可以再現(xiàn)科學(xué)家在實驗中可以看到的內(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。這對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)計尤其重要。

因為已經(jīng)提出了許多潛在的新設(shè)計 - 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 - 高級計算代表了研究人員必須評估其設(shè)計能力的最佳途徑。

在大多數(shù)情況下，計算機(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，因為中子，熱和結(jié)構(gòu)現(xiàn)象會相互影響。通過這種方式，Argonne的核建模計劃有兩個目標(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可能在過去驗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，空間和時間方面更精確。”

高保真度代碼可以改善反應(yīng)堆設(shè)計和運(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)堆實際行為評估安全裕度的差異。

在Shemon看來，這個項目和Argonne的其他項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)計的信息可用性，”她說。“我們正試圖通過建模和模擬來實現(xiàn)更安全，更快速，更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計。我們所做的一切都是為了實現(xiàn)這一目標(biāo)。”