Американская команда завершила моделирование бланкета-бридера термоядерного реактора с сеткой на 2 триллиона ячеек

Недавно Аргоннская национальная лаборатория (Argonne National Laboratory) США сообщила, что исследовательская группа, состоящая из нескольких ведущих научных учреждений, с использованием двух экзафлопсных (Exascale) суперкомпьютеров «Аврора» (Aurora) и «Фронтир» (Frontier) успешно завершила крупнейшее в мире по масштабу и наиболее детализированное моделирование жидкометаллического бланкета-бридера термоядерного реактора, при этом вычислительное разрешение поразительно достигло 2 триллионов узлов сетки. Это прорывное исследование успешно вышло в финал премии Гордона Белла (Gordon Bell Prize) Ассоциации вычислительной техники (ACM) 2026 года.

Основным объектом данного сверхмасштабного моделирования является ключевой внутренний компонент термоядерной установки с магнитным удержанием — бланкет-бридер (Breeding Blanket). Бланкет-бридер в термоядерном реакторе выполняет три ключевые задачи: захват энергии, высвобождаемой в реакции, защиту внешних конструкций от повреждений, а также производство дефицитного изотопа, необходимого для термоядерного синтеза, — трития (Tritium) — посредством реакции нейтронов с литием. Исследовательская группа, взяв за основу конструкцию бланкета с водяным охлаждением и свинцово-литиевым теплоносителем (WCLL), принятую в Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER), впервые полностью включила в единую высокоточную вычислительную модель такие многофизические и многомасштабные механизмы связи, как течение жидкого металла в сильном магнитном поле, сложный теплообмен, эффекты плавучести, перенос трития и процесс водяного охлаждения.

Для преодоления этой экстремальной вычислительной задачи, связанной с переплетением множества физических полей, группа под руководством профессора Университета штата Пенсильвания и научного сотрудника Аргоннской национальной лаборатории Элии Мерзари (Elia Merzari) провела совместные исследования, опираясь на суперкомпьютер Aurora Аргоннской национальной лаборатории и суперкомпьютер Frontier Ок-Риджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory). После завершения разработки кода, тестирования и ин-ситу визуализации на системе Frontier исследовательская группа, используя огромный объём памяти Aurora, задействовала более 9000 вычислительных узлов на каждой из двух систем и в конечном итоге с помощью открытого программного обеспечения вычислительной гидродинамики NekRS достигла исторического масштаба вычислений в 2 триллиона узлов сетки.

Результаты моделирования наглядно выявили важное влияние эффектов магнитогидродинамики (МГД) на структуру потока: сильное магнитное поле значительно подавляет турбулентность и способствует ламинаризации течения жидкого металла, а эффект плавучести, вызванный внутренним градиентом температуры, дополнительно изменяет теплообмен и состояние течения в пристеночной области. Эти высокоточные данные от микро- до макромасштаба не только значительно углубляют понимание исследователями сложного физического поведения внутри бланкета, но и обеспечивают незаменимую вычислительную поддержку для снижения стоимости будущих термоядерных экспериментов и ускорения инженерного проектирования и валидации оптимизации.