核能约占美国总用电量的五分之一，以及该国可再生电力的近一半。大多数产生这种电力的反应堆都是几十年前建造的。使用先进技术和工艺建造新型核反应堆可以帮助增加核电工业生产的无碳电力，并帮助美国迈向净零经济。

然而，建造新的核反应堆需要时间，并且需要从严格的计算机模拟开始。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员正准备使用该实验室即将推出的百亿亿次超级计算机Aurora来深入研究各种核反应堆模型的内部力学。这些模拟提供了前所未有的细节水平，通过提高对核燃料棒内复杂热流的理解，提供了可以彻底改变反应堆设计的见解。这可以节省大量成本，同时仍然安全发电。

阿贡核工程师狄龙·谢弗(DillonShaver)表示：“Aurora的真正新颖之处在于我们能够进行的模拟规模以及模拟数量。”“在北极星(阿贡目前的前百亿亿次超级计算机)和极光的工作中，这些超大规模的模拟对我们来说变得司空见惯，这非常令人兴奋。”

谢弗和他的同事正在进行的模拟以他所说的“高保真度”来观察核反应堆堆芯的大部分部分。本质上，模拟中有数千万个离散元素和数十亿个未知数。它们的物理性质必须直接计算和解析，而不仅仅是近似。这就是美国能源部科学办公室用户设施阿贡领导计算设施中强大的超级计算机发挥作用的地方。

“保真度意味着您可以捕获的细节数量，”谢弗说。“我们可以模拟整个核心，但要以高保真度做到这一点确实需要一台百亿亿级机器来计算最精细长度尺度上的所有物理现象。”

谢弗解释说，进行这些模拟的最终目标是为寻求建造商业反应堆的公司提供更大的能力来验证和许可其设计。“反应堆供应商希望我们进行这些高保真模拟来代替昂贵的实验，希望当我们进入计算的新时代时，他们将能够拥有强有力地支持他们建议的数据，”他说。

Shaver表示，现有模型已经针对美国目前运行的大多数反应堆进行了良好的基准测试。随着新反应堆概念的进一步开发和测试，一般物理原理应该保持相似，但科学家仍然需要在许多不同的环境中对其进行模拟。谢弗说：“从机械工程、化学科学和流体动力学领域来看，一切都告诉我们这些反应堆应该以一些可预测的方式运行。”“但我们仍然需要确定。”

通过模拟反应堆中的湍流(围绕燃料棒循环的热漩涡和漩涡)，Shaver等研究人员可以有效地模拟反应堆的传热特性。“一般来说，在某种程度上，湍流越多，传热就越多，”谢弗说。“然而，为了获得更多的湍流，你必须更用力、更快地泵送反应堆，这需要更多的能量。”

对于钠冷快堆(阿贡国家实验室几十年来一直在研究的一种先进反应堆)来说，湍流会导致涡流的形成，涡流本质上是可以相互复合的小热漩涡。流动中太多的涡流可能会导致反应器销钉本身产生“流动引起的振动”。“你必须确保你的反应堆堆芯和材料能够承受任何存在的振动，这就是我们所说的多物理场问题，因为你需要将流动的流体动力学与结构力学耦合起来。反应堆，”谢弗说。

Shaver解释说，在百亿亿次模拟方面，多物理场几乎是关键词。“传热、燃料性能、流体动力学、结构力学——我们越来越努力地将所有工具尽可能紧密地结合在一起，以解决这些多物理场问题。”

支持多物理场仿真的基本代码是多物理场面向对象仿真环境，即MOOSE，它使广大科学家能够更轻松地进行建模和仿真。MOOSE由美国能源部爱达荷国家实验室开发，能够在比以前所需的时间更短的时间内开发模拟。该工具彻底改变了核工程预测模型，使核燃料和材料科学家能够开发大量预测燃料和材料行为的应用程序。

Shaver表示，Aurora的设计将允许科学家同时运行MOOSE和NekRS(一种计算流体动力学求解器)，利用计算机的混合CPU/GPU节点。

在设计下一代轻水反应堆或新型反应堆设计(例如通过钠或熔盐冷却的反应堆)时，能够解决反应堆中流动的所有小细节可以产生巨大的差异。

谢弗说：“这些小尺度动力学对于梳理起来非常重要，因为它们组合在一起，可以为你提供反应堆中热传输的大规模行为。”“我们必须尽可能地了解基本情况，以确保我们得到最好的答案。”

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