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导语
2026年11月11日，美国阿贡国家实验室发布消息，一支由多家机构组成的研究团队，利用Aurora和Frontier两台百亿亿次级超级计算机，完成了迄今规模最大、细节最丰富的液态金属聚变增殖包层模拟，计算分辨率达到2万亿个网格点。
该研究入围2026年戈登·贝尔奖决赛，展示了超大规模多物理场模拟在聚变堆工程设计中的应用潜力。
一、利用百亿亿次级超算模拟聚变增殖包层
一支多机构研究团队利用美国能源部（DOE）支持开放科学研究的两台百亿亿次级超级计算机，完成了迄今针对聚变能源系统关键部件规模最大、细节最丰富的模拟研究。
💡 该成果已入围美国计算机协会（ACM）颁发的戈登·贝尔奖（Gordon Bell Prize）决赛。该奖项旨在表彰高性能计算领域的杰出成就。
本次模拟聚焦于多种聚变堆设计中的关键部件——增殖包层。增殖包层主要承担三项功能：
捕获聚变反应释放的能量、
保护装置其他部件免受损伤，
生产作为聚变燃料所需的稀缺氢同位素——氚。
研究团队重点模拟了国际热核聚变实验堆（ITER）采用的水冷铅（Water-Cooled Lead-Lithium，WCLL）包层设计。
该模型覆盖了包层内部多种相互耦合的物理过程，包括强磁场作用下的液态金属流动、传热、浮力效应、氚输运以及水冷过程。
“ 这项工作面临的核心挑战在于处理一个涉及多物理场、多尺度的复杂问题，其中不同流体系统具有截然不同的物理性质。研究团队首次以如此高的精度对包层进行建模，并将所有相关物理过程纳入其中。”
项目负责人Elia Merzari
宾大核工程与机械工程教授，兼任阿贡国家实验室研究职务
研究团队成员来自阿贡国家实验室、宾夕法尼亚州立大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，及英国原子能管理局（UKAEA）。计算任务分别在阿贡国家实验室领导力计算设施（ALCF）的Aurora，以及橡树岭国家实验室领导力计算设施（OLCF）的Frontier上开展。两台系统均属于百亿亿次级超级计算机，每秒能够执行数以百亿亿计的计算操作。
二、多物理场耦合与跨尺度模拟
▌ 聚变增殖包层是一个高度复杂的工程系统。
在水冷铅锂包层中，液态铅锂流经增殖区域，锂与中子发生核反应，产生氚；与此同时，独立的水冷回路负责带走系统中的热量。由于液态金属具有导电性，其流动会受到聚变装置强磁场的显著影响。
液态金属与磁场之间的相互作用可能形成极薄的边界层，即流体在极短距离内发生剧烈变化的区域。这些微小结构存在于整体尺寸约为一米的包层之中，使模拟同时涉及非常大的空间尺度和非常小的空间尺度。此外，水在系统中的流速可能达到液态金属的数百倍，进一步增加了不同物理过程在时间尺度上的差异。要准确捕捉这些现象，需要高分辨率的多尺度模型和强大的计算能力。
借助Aurora和Frontier，研究团队的计算使用了超过20亿个谱元和2万亿个网格点，构成了迄今规模最大的液态金属磁流体力学（MHD）模拟。
谱元法将包层模型划分为多个较小区域，以表示其复杂几何结构；网格点则是这些区域内部的计算位置，模型在这些位置上求解流速、温度等物理量。
下图：氚增殖区域的局部放大图，此时磁场处于关闭状态。该区域呈现出复杂的湍流流动，颜色越暖（越偏红、黄），表示归一化流速越高。
图片来源： Rupert Eardley-Brunt, UK Atomic Energy Authority
如此高的计算分辨率并非单纯追求计算规模，而是由具体物理问题决定的。Merzari指出，要捕捉磁流体力学作用产生的极薄流动边界层，就必须采用非常高的分辨率，而2万亿个网格点的计算规模也只有借助百亿亿次级计算能力才能实现。
通过这些模拟，研究人员分析了不同物理效应对包层运行特性的影响。其中一项重要发现是，磁流体力学效应会抑制湍流，并重新组织液态金属的流动结构，进而影响压力、温度和传热过程。
下图：水冷铅锂氚增殖包层模块中的归一化流速分布，模拟中考虑了磁流体力学（MHD）效应。磁场使流动迅速趋于层流化，形成更加平滑、有序的流动状态。
图片来源：Rupert Eardley-Brunt, UK Atomic Energy Authority
研究团队还观察到，液态金属内部的温度差异会产生浮力效应，进一步改变流动状态，尤其是在靠近等离子体一侧的壁面附近。
这些结果有助于研究人员进一步理解包层内部复杂的流动与传热行为，为改进增殖包层设计提供参考。
三、为百亿亿次级模拟开发计算代码
实现如此大规模的模拟，需要相应的计算软件支持。
研究团队采用阿贡国家实验室开发的开源计算流体力学软件NekRS开展高保真度模拟。该软件基于Nek5000发展而来，并针对GPU计算架构进行了优化。此外，团队还使用开源软件OpenMC计算中子输运，为模拟提供热量沉积、氚生成和水活化等数据。
为了模拟磁流体力学效应，研究人员对NekRS进行了扩展，开发了相应的求解器，并通过已有研究中的基准问题进行验证。这项工作由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士生Yu-Hsiang Lan牵头完成。他还在软件中实现了全局网格加密功能，使研究团队能够从低分辨率模型开始，逐步增加计算细节，提高模拟效率。
在实际计算中，Frontier主要用于代码开发、测试和验证，并借助Ascent软件实现计算过程中的原位可视化；Aurora则凭借较大的内存容量，承担了最大规模的完整多物理场模拟。研究团队在两套系统上分别使用了超过9000个计算节点，最终在Aurora上完成了分辨率达到2万亿个网格点的模拟。
四、从高保真模拟走向工程设计
高保真度模拟能够为聚变实验提供重要补充，使研究人员能够研究和预测聚变系统在极端条件下的运行行为。
由于相关实验往往难度较高、成本较大，模拟可以成为工程设计的重要工具，帮助研究人员降低实际实验成本。
此次模拟产生的详细数据，也能够用于开发和验证新的聚变工程设计方法。研究团队的一项长期目标，是通过对不同设计方案和运行条件开展模拟，进一步开发计算成本更低、运行速度更快的模型。
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这项研究值得关注的是它将液态金属流动、磁场作用、传热、氚输运和水冷等多个物理过程纳入同一模型，实现了迄今针对聚变能源系统关键部件规模最大、细节最丰富的模拟，并达到2万亿个网格点的计算规模。
研究入围2026年戈登·贝尔奖，展示了高性能计算在聚变堆工程设计与复杂物理过程研究中的应用潜力。
参考阅读 📚
https://euro-fusion.org/eurofusion-news/jt-60sa-selects-23-experiments-for-its-upcoming-op2-campaign/
技术/工程进展（合集）
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