美国团队完成两万亿网格聚变增殖包层模拟

近日，美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)发布消息称，由多家顶尖科研机构组成的研究团队利用“极光”(Aurora)和“前沿”(Frontier)两台百亿亿次级(Exascale)超级计算机，成功完成了迄今为止全球规模最大、细节最丰富的液态金属聚变增殖包层模拟，计算分辨率惊人地达到了 2 万亿个网格点。该项突破性研究已成功入围 2026 年计算机协会(ACM)戈登·贝尔奖(Gordon Bell Prize)决赛。

本次超大规模模拟的核心对象是磁约束聚变装置中的关键内部构件——增殖包层(Breeding Blanket)。增殖包层在聚变反应堆中肩负着捕获反应释放能量、保护外围结构免受损伤，以及利用中子与锂反应生产聚变所需稀缺同位素——氚(Tritium)的三大核心使命。研究团队以国际热核聚变实验堆(ITER)采用的水冷铅锂(WCLL)包层设计为蓝本，首次将强磁场液态金属流动、复杂传热、浮力效应、氚输运以及水冷过程等多重物理场与多尺度耦合机制全面纳入同一个高保真计算模型中。

为了攻克这一多物理场交织的极端计算难题，由宾夕法尼亚州立大学教授、阿贡国家实验室研究员埃利亚·梅尔扎里(Elia Merzari)领衔的团队，依托阿贡国家实验室的 Aurora 超算与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的 Frontier 超算展开协同攻关。在前沿(Frontier)系统上完成代码开发、测试及原位可视化后，研究团队借助极光(Aurora)庞大的内存容量，在两套系统上分别调用了超过 9000 个计算节点，最终通过开源计算流体力学软件 NekRS 实现了 2 万亿个网格点的历史级计算规模。

模拟结果清晰揭示了磁流体力学(MHD)效应对流体结构的重要影响：强磁场会显著抑制湍流并使液态金属流动趋向层流化，而内部温度梯度产生的浮力效应则进一步改变了靠近壁面区域的传热与流动状态。这些微观至宏观的高精度数据，不仅大幅加深了科研人员对包层内部复杂物理行为的理解，也为未来降低聚变实验成本、加速工程设计与优化验证提供了不可或缺的计算支撑。