随着气候变化显示出对地球和我们日常生活的影响，产生碳的能源的替代品变得越来越迫切。尽管化石燃料仍然在美国产生大部分电力，但公用事业公司越来越多地将风能和太阳能等可再生能源添加到其能源组合中。
2021年，该国20%的电力来自可再生能源，而61%来自化石燃料。但到2050年，随着可再生能源的持续激增和化石燃料的减少，两者预计将提供44%的电力。
老式的核能将何去何从?
在过去的20年里，裂变反应堆产生的电力占全国电力的比例几乎没有变化：大约20%。但随着新的设计方法和反应堆技术有望改变核电行业，这一比例可能很快就会开始上升。
小型模块化反应堆(SMR)和先进反应堆概念(ARC)的出现标志着新一代裂变能源的出现。与当今大多数商业核反应堆不同，SMR体积小得多并使用标准化设计，从而降低了建造成本和生产时间。同时，ARC探索新技术以更高效、更安全地生产裂变能。这两项工作都使用计算机模拟来预测所提议设计的可行性并改进它们。但是运行这样的流体动力学和中子输运模型在计算上要求很高且成本很高，因此限制了它们在工业上的使用。
ExascaleSMR(ExaSMR)是由美国能源部(DOE)的ExascaleComputingProject(ECP)支持的高性能计算(HPC)软件项目，旨在使大规模核反应堆模拟更易于访问、成本更低运行，并且比当前最先进的技术更准确。
“通过准确预测核反应堆燃料循环，ExaSMR减少了反应堆设计者为证明燃料使用的合理性而进行的物理实验的数量。在很大程度上，这就是模拟正在为公司带来的东西：一种预测能力，可以告诉您某些功能将如何执行这样你就不需要在物理上构建或执行尽可能多的实验，这些实验非常昂贵，”美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)HPC核应用方法小组的ExaSMR项目负责人和研发科学家史蒂文汉密尔顿说。
ExaSMR项目致力于为核工业工程师提供迄今为止最高分辨率的反应堆系统模拟，进而帮助推动裂变能源的未来发展。
将物理代码耦合成一个更强大的整体
核反应堆通过分裂铀核释放燃料棒中的能量来发电。水被这种能量释放加热，变得足够热，变成蒸汽，使发电涡轮机旋转。ExaSMR集成了最可靠的计算机代码，可用于对该操作的不同物理进行建模，从而创建了一个可以预测反应堆设计的整个裂变过程的工具包。该工具包包括用于中子粒子传输和反应堆耗尽的Shift和OpenMC以及用于热流体动力学的NekRS。
尽管这些代码中的大多数已经在科学和工业中得到很好的应用，但ExaSMR团队已经对它们进行了完整的HPC改造。在过去的6年里，来自ORNL、阿贡国家实验室(Argonne)、麻省理工学院和宾夕法尼亚州立大学(PennState)的研究人员一直在为新一代GPU加速的百亿亿级超级计算机优化代码，例如ORNL的Frontier和Argonne即将推出的Aurora。
OpenMC的开发由PaulRomano领导，而Aurora的重要GPU优化工作由JohnTramm进行;Romano和Tramm是阿贡大学的计算科学家。Shift最初由托马斯·埃文斯(ThomasEvans)编写，他是ORNL核应用HPC方法组的组长，现在针对Frontier进行了优化。
这两个代码都使用蒙特卡洛方法——一种使用大量随机样本计算模型可能结果的计算技术——来模拟穿过核反应堆的中子如何与铀等同位素相互作用，并导致产生热量的裂变事件在反应堆的燃料棒中。这两个代码还模拟了这些同位素如何随时间演变，从而预测反应堆的寿命。
NekRS是宾夕法尼亚州立大学核工程副教授EliaMerzari开发的一种计算流体动力学求解器，主要描述了水在被反应堆燃料缸加热时的运动和行为方式。ExaSMR团队的ENRICO(ExascaleNuclearReactorInvestigativeCode)，也由Romano开发，使OpenMC和NekRS能够交互。
“我们在ExaSMR中所做的是中子输运和流体动力学之间的耦合物理模拟——你有这两个相互来回对话的物理代码，”汉密尔顿说。“中子传输告诉你热量在哪里产生。热量成为流体动力学计算的源项。流体动力学告诉你该热源产生的温度。然后你可以调整模拟中的参数直到中子输运和流体动力学是一致的。”
ExaSMR能够以高分辨率准确模拟整个反应堆过程——从而预测反应堆的裂变事件将产生多少热量、反应堆将热量传递给发电机的能力，以及整个系统的预期寿命——为工程师提供了确保其反应堆设计的安全性和效率的关键见解。
提前计划以避免障碍
当ECP和ExaSMR项目于2016年开始为百亿亿次级系统准备软件应用程序和工具时，这些超级计算机还不存在——甚至还没有出现在纸面上。该团队面临的挑战是确定如何最好地优化距离定稿还有数年的系统的代码。
“在项目开始时，我们甚至不知道百亿亿级机器的架构到底是什么样子，”汉密尔顿说。“设计我们的代码绝对是一个挑战，同时充满信心地展望未来，我们将能够在即将到来的系统上有效运行。”
该团队不仅面临着将这些单独的代码耦合到他们的大规模、高保真反应堆模拟的新用例场景的任务，而且还面临着使它们适应具有未知处理器的新计算架构的挑战。这种不确定性意味着通过测试远远超出当时软件测试范围的用例来突破编译器和软件包的限制——它开始了一个持续不断的沟通过程。
“它要求我们与硬件供应商和生产软件的公司进行交互和迭代，以确保他们的产品能够处理我们的用例。我们的研究人员几乎每天都与为机器编写编译器的人接触并尝试识别问题并实现编译和运行我们的代码所需的功能，”汉密尔顿说。
终于成功了
该团队与供应商和开发人员的互动对代码使用的方法和算法进行了实质性改进，从而在性能上产生了巨大的收益。在Frontier上首次运行后，ExaSMR超越了团队为其代码设定的加速目标。
Shift在Frontier的多达8,192个节点上执行SMR模拟，每次迭代涉及模拟超过2500亿个中子历史。这些模拟中实现的性能是在Titan超级计算机(即2016年美国最强大的超级计算机)上执行的基线模拟的100倍以上，是Titan到Frontier的50倍性能提升目标的两倍多。
NekRS对Frontier的多达6,400个节点进行了SMR模拟，包括迄今为止使用超过10亿个空间元素进行的最大反应堆流体流动模拟。Frontier上的峰值性能反映出比在Titan上执行的相应基线模拟提高了125倍以上。
ExaSMR的未来是什么?
ExaSMR团队与商业核电技术生产商西屋公司合作，申请了美国能源部高级科学计算研究领导计算挑战办公室的资助。西屋电气希望评估使用比他们的反应堆目前使用的燃料浓缩度更高的燃料的影响。在Frontier上运行ExaSMR将使他们能够执行高保真模拟，以预测如果在当前运行的反应堆中使用不同类型的燃料将如何表现。
同样，汉密尔顿希望将ExaSMR应用于电力行业当前正在探索的ARC技术，例如作为美国能源部核能办公室先进反应堆示范计划的一部分正在开发的技术。该计划与商业公司合作，通过提供初始资金帮助加快先进反应堆的示范。两个这样的反应堆计划在2027年之前进行近期部署：X-energy的Xe-100球床反应堆和TerraPower的钠钠冷却快堆。来自Kairos、Westinghouse、BWXTechnologies、HoltecInternational和SouthernCompany的另外五项设计正在加紧进行长期部署。
Hamilton预见ExaSMR将成为进入核电新时代的公司不可或缺的工具。
“如今，各种公司都在探索不同类型的反应堆设计，而我们正在开发的高性能、高保真模拟对设计师来说具有很多吸引人的特性，”汉密尔顿说。“在不久的将来，我们不太可能对模拟完全取代实验有足够的信心，但如果我们能够减少进行的实验数量，那么这些公司就会获得巨大的经济收益。”