世界上最强大的计算机可能很快就能帮助美国建造更好的核反应堆

伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室即将获得一台新的超级计算机 Aurora，实验室的科学家将使用它来研究最佳核反应堆设计。目前，该实验室正在使用一个名为 Polaris 的系统，这是一台每秒可执行约 44 千万亿次计算的 44 千万亿次浮点运算机器。

目前正在安装的 Aurora 将拥有超过 2 百亿亿次浮点运算能力，每秒可进行 2 千万亿次计算，几乎是旧系统的 50 倍。一旦这台前所未有的机器投入使用，预计将在排名世界最强大计算机的 TOP500 榜单中名列前茅。它原本预计会更早开始运行，但由于制造问题而推迟了。

更强大的超级计算机意味着核科学家可以尽可能详细地模拟反应背后的基本物理原理，这将使他们能够更好地评估新反应堆设计的整体安全性和效率。反应堆是核电站的核心。在这里，会发生一种称为裂变的过程，导致一系列核链式反应，产生令人难以置信的热量，这些热量用于将水变成蒸汽，使涡轮机旋转，然后产生电力。

阿贡国家实验室首席核工程师 Dillon Shaver 告诉 Popsci：“任何积极设计反应堆的人都会使用我们所谓的‘运行速度更快的工具’，这些工具将在系统层面上观察事物，并对反应堆核心本身进行近似计算。”“[在阿贡] 我们尽可能接近基本的物理计算，这需要大量的分辨率和大量的未知数。这转化为巨大的计算能力。”

简而言之，Shaver 的工作就是进行计算，防止反应堆熔毁。这需要深入了解不同类型的冷却液的行为方式、流体如何在不同反应堆组件周围流动，以及发生何种类型的热传递。

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据美国能源部称，“美国所有商用核反应堆都是轻水反应堆。这意味着它们使用普通水作为冷却剂和中子减速剂。”大多数现役轻水反应堆都采用燃料棒几何设计，其中大量燃料棒（包含裂变反应所需燃料（通常是铀）的大管）排列成矩形晶格。

谢弗及其团队正在研究的下一代反应堆设计包括绕线液态金属快堆。反应堆被放置在三角形晶格中，而不是矩形晶格中，并且还铺有一层细线，细线在燃料棒周围形成一种螺旋状。“这会导致一些非常复杂的流动行为，因为 [液态金属如钠] 必须绕着那根线移动，通常会形成螺旋状图案。这对传热有一些有趣的影响，”谢弗解释说。“很多时候它会增强传热，这是非常可取的”，因为它能够从有限的燃料中获得更多能量。

然而，对于像绕线这样的先进设计，“与开放式模型相比，在这些电线周围泵送流体要复杂一些，”他补充道，这意味着它也可能需要更多的输入能量。

另一种流行的选择是球床反应堆，它涉及一系列大约网球大小的石墨球，并嵌入核燃料。“你只需将它们随机地拍进一个开放的容器中，让液体在它们周围流动，”Shaver 说。“这与我们在轻水反应堆中习惯的方案非常不同，因为现在所有的液体都可以通过这些球之间的随机空间移动。”这样的系统对低能耗冷却有很多好处。

新提出的设计最终的目标是投入更少的能源，产生更多的电力。“你要努力提高热量的传递，而你付出的代价就是泵送热量所需的能量，”Shaver 说。“这其中的成本效益很有意思。”有些权衡可能意义重大，而这些超级计算机模拟有望给出比以往更准确的数字，使即将建成的核电站能够使用尽可能高效和安全的反应堆。