Un exemple de recherche en simulation numérique appliquée à l étude des plasmas dans les tokamaks (projet ITER)

Transcription

1 Un exemple de recherche en simulation numérique appliquée à l étude des plasmas dans les tokamaks (projet ITER) Virginie Grandgirard Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique CEA Cadarache 1

2 Plan de l exposé Un exemple de recherche en simulation numérique appliquée à l étude des plasmas dans les tokamaks (projet ITER) Qu est-ce-que la recherche? Qu est-ce-que la simulation numérique? Qu est-ce-qu un plasma? Qu est-ce-qu un tokamak et le projet ITER? Un exemple 2

3 Commissariat à l Energie Atomique (Cadarache) Cadarache en quelques chiffres : - création en hectares - environ 5000 personnes au quotidien 2173 salariés CEA, fin collaborateurs divers 1000 (TA, COGEMA, IRSN) 1000 salariés extérieurs 200 entrées journalières et pas mal de sangliers!

4 Cadarache à 90 kms de Cavaillon 4

5 LA RECHERCHE ET LE METIER DE CHERCHEUR

6 Qu est-ce-que la recherche? Missions principales du chercheur : Se poser des questions Résoudre le problème posé Trouver des relations avec d autres problèmes Ce qui revient à se poser d autres questions Rédiger, publier et communiquer ses résultats Articles scientifiques, Conférences nationales et internationales 6

7 Comment devient-on chercheur? Il faut obligatoirement un doctorat Chercheur = docteur ès sciences ( dans tous les pays du monde ) Bac + 5 Bac + 8 et plus 1 2 université prépa 3 ou 4 école ingénieurs école en 5ans d ingénieurs thèse de doctorat (3 ans) 8 (payé : bourse de thèse) 9 post-doc n 1 10 post-doc n 2? Master «recherche» obligatoire poste permanent université ou institut (CNRS, INRIA, CEA, ) 7

8 Le métier de chercheur Différence entre université et instituts : univ. : enseignants-chercheurs cours + recherche instituts : pas d enseignements obligatoires Au fil de sa carrière, il est souvent conduit à encadrer des équipes, prendre la direction de projets scientifiques et participer à l administration de la recherche. Il peut également être amené à déposer des licences et des brevets, apporter ses compétences à une entreprise existante, voire à créer sa propre entreprise. 8

9 LA SIMULATION NUMERIQUE ET LES SUPER-CALCULATEURS

10 Pourquoi la simulation numérique? (1/2) La simulation numérique est une approche qui permet au chercheur et à l ingénieur d analyser des phénomènes qui par leur complexité échappent au calcul «traditionnel». Cette complexité peut être de nature très différente : elle peut être liée au nombre d objets à prendre en compte. Ainsi, en utilisant les lois de la gravitation, le physicien sait calculer depuis longtemps le mouvement d une planète autour d une étoile. Le mouvement des quelques millions d étoiles à l intérieur d une galaxie est régi par les mêmes lois, mais seule la simulation numérique peut permettre de l étudier. 10

11 Pourquoi la simulation numérique? (2/2) on a aussi recours à la simulation numérique lorsqu un très grand nombre de paramètres doit être incorporé dans un calcul. La propagation d une vague dans l océan est gouvernée par la dynamique des fluides et il est possible de calculer sa vitesse dans des situations simples, idéalisées. Si, dans le cas d un tsunami, on veut prédire avec une précision suffisante la hauteur de la vague en chaque point du littoral, il faut tenir compte dans les équations de la morphologie des fonds marins et du rivage sur toute la zone concernée. la complexité d un problème peut aussi provenir du nombre de phénomènes qui interviennent. Ainsi l évolution du climat sur le long terme doit intégrer la modélisation de phénomènes thermiques, géologiques, biologiques et chimiques De plus, souvent, les sources de «complexité» que nous avons évoquées peuvent se cumuler. 11

12 A quoi peuvent servir les simulations numériques? Les simulations numériques peuvent permettre de : comprendre (recherche fondamentale ou appliquée), prédire (météorologie, climatologie, épidémiologie, ) concevoir (automobile, aéronautique, génie civil,..). De plus en plus utilisées pour palier aux outils traditionnels tels que l expérimentation, les tests, les maquettages, etc devenus très coûteux en temps ou en argent (exemple les crashs tests), parfois insuffisamment représentatifs (une maquette ne permettra pas à un ingénieur de choisir le béton le mieux adapté à un pont ou à un barrage, ni comment il vieillira) ou tout simplement impossible pour diverses raisons (les essais nucléaires par exemple!). 12

13 Quels sont les ingrédients d une simulation? Au-delà des ordinateurs, les outils de la simulation numériques sont : des modèles mathématiques (ensemble d équations) qui décrivent les phénomènes étudiés (physiques ou autres), des méthodes ou algorithmes qui permettent à la machine de résoudre ces équations des données sur les composants utilisés (par exemple pour chaque pièce d une automobile sa densité, son coefficient de dilatation, son élasticité, etc ). 13

14 La simulation pour limiter le coût des expériences Dans la logique de faire plus vite, mieux et moins cher, la simulation numérique présente tous les atouts. De nouveaux enjeux sont apparus, d ordre économique : réactivité, anticipation et compétitivité (gains de productivité). Mais aussi des enjeux de sûreté ou de sécurité par une meilleure compréhension des situations accidentelles dans des domaines aussi variés que le nucléaire, l automobile ou l aéronautique, etc Au CEA, la simulation numérique est un outil précieux dans le cadre de ses programmes Défense et Énergie. 14

15 Rappel : unités de mesure en informatique Taille mémoire : Bit = unité de mesure de base. Il représente la plus petite unité de mémoire utilisable sur un ordinateur (qui ne peut prendre que deux valeurs 0 ou 1). Octet = un octet est composé de huit bits (taille d un réel) Vitesse : - Méga = 1 million (10 6 ) - Giga = 1 milliard (10 9 ) - Téra = 1000 milliard (10 12 ) - Péta = 1 million de milliard (10 15 ) Flops = nombre d opérations par seconde. PC actuel - GigaOctets - GigaFlops 15

16 Besoin de + en + de «gros» ordinateurs Le calcul parallèle qu est-ce-que c est? : «Faire coopérer plusieurs processeurs pour faire réaliser un calcul» Avantages : Rapidité : Pour N processeurs, temps de calcul divisé par N en théorie Taille mémoire : Pour N processeurs, on dispose de N fois plus de mémoire Difficultés : Il faut gérer le partage des tâches Il faut gérer l échange d information Les supercalculateurs (HPC) : plusieurs milliers d ordinateurs en parallèle Le plus gros aux USA : + de processeurs A l heure du Téraflop et aux portes du Pétaflop 16

17 L Europe en retard dans le domaine du HPC En 2001, l'ordinateur du CEA Défense (Téra10) était en position 4 dans le TOP500 ( = classement des HPC mondiaux), il est resté pendant 3 ans numéro 1 en Europe, alors qu'il descendait en position 40 dans le TOP500. Cela montre le retard important de l'europe en la matière. 17

18 Les centres de calculs français s organisent GENCI, Grand Equipement National de Calcul Intensif (2007): 50 % par l Etat représenté par le Ministère de la Recherche et l Enseignement Supérieur, 20 % par le CEA, 20 % par le CNRS et 10 % par les Universités. 18

19 Téra10 : supercalculateur militaire CEA 6000 processeurs - 60 Téraflops Le projet Téra occupe environ 2000m 2 alignements de processeurs au premier plan les salles de gestion des données au second. 19

20 Autre exemple HPC - à Barcelone (Marenostrum) + de processeurs dans la chapelle Tore Girona 20

21 Le CEA militaire à l air du Pétaflops 21

22 Besoin d outils de visualisation 3D Plusieurs TéraOctets de données 3D à traiter 22

23 LA FUSION THERMONUCLEAIRE LES PLASMAS ET LES TOKAMAKS

24 L'atome: rappels Atome = électrons + noyau (protons & neutrons) - 1 km bille + + Noyau d'hélium Proton, neutron = 1800 fois plus lourds que électron "boule de pétanque" "plume" Force Coulombienne Attraction: ion-électron Répulsion: ion-ion & électron-électron 24

25 L'énergie nucléaire FUSION (dans l avenir) FISSION (maintenant) Fusion de deux noyaux légers Pas de réaction en chaîne Fission d un noyau lourd Réaction en chaîne E = mc 2 pas de CO 2 les réactions avec diminution de la masse des composants libèrent de l énergie 25

26 Fission: ~3/4 de l'électricité en France Une énergie : Facile à produire Au coût économique acceptable De longue durée MAIS Déchets radioactifs à longue durée de vie: Transport et retraitement Prolifération de matériaux nucléaires La question de la sécurité 26

27 La Fusion: une énergie d'avenir Deutérium + Tritium => Hélium + neutron Lithium Ressources illimitées: Deutérium: eau de mer => 10 milliards d années Lithium terrestre : 2000 ans eau de mer: plusieurs millions d années Bien réparties géographiquement Peu de déchets Tritium radioactif (période 12,3 ans) Deutérium, Hélium non toxiques Le neutron rend radioactifs les matériaux dans lesquels il s'amortit (=> choix de matériaux adaptés) 27

28 Fusion => état plasma E = 14.1 MeV Vaincre la répulsion Coulombienne des noyaux E = 3.5 MeV Energie cinétique Température très élevée (T > 100 millions C) 28

29 L état plasma = le 4 ème état de la matière Température de + de 15 millions de degrés Electrons et noyaux ne sont plus liés Solide Liquide Gaz Plasma Etat plasma = 99% de l'état de la matière dans l'univers! 29

30 Le plasma partout dans l univers 15 millions/5800 C 1000 C C 8000 C C 30

31 La fusion thermonucléaire dans les étoiles Il y a, au cœur du Soleil, une température de l ordre de plusieurs dizaines de millions de degrés qui permet la fusion de noyaux légers comme ceux d hydrogène en hélium. Ces réactions de fusion thermonucléaire libèrent beaucoup d énergie et expliquent la très haute température de cet astre qui atteint en surface les C. Dans des étoiles plus massives que le Soleil, des températures encore plus hautes permettent la fusion de noyaux plus lourds que ceux de l hydrogène. Ces réactions produisent, entre autres, des noyaux de carbone, d oxygène et même de fer au cœur des étoiles les plus chaudes. 31

32 Maîtriser la fusion sur terre? Un défi pour l homme : parvenir un jour à maîtriser l énergie exceptionnelle qui se dégage de la fusion. L homme cherche à maîtriser les réactions de fusion pour produire de l électricité. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux et pour augmenter la probabilité qu ils se rencontrent, l homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques. Voie la plus prometteuse : le tokamak 32

33 Comment confiner le plasma? Mouvement de particules chargées dans un champ B B r B 1 Hélice de rayon r d'autant plus petit que B est intense Mouvement libre le long des lignes de champ ("rails") Perte des particules aux bouts Refermer les rails magnétiques sur eux-mêmes 33

34 Qu est-ce-qu un tokamak? Acronyme russe: "TOroidalnaya KAmera MAgnitnaya Katoushka" = Chambre toroïdale avec bobines magnétiques : développement par les Russes (institut Kurchatov) 1968: résultats présentés à une conférence internationale : premiers Tokamaks occidentaux (USA, UK, France, ) JET (Joint European Torus) Champ magnétique = x champ terrestre 34

35 Un "choc" dans Tore Supra Plasma chauffé par: Résistivité (effet Joule) Ondes électromagnétiques Faisceau particules rapides Densité ~ 10 5 air Température ~ C Pression ~ 1 atm Durée record: > 6min Film d'un "choc" dans Tore Supra 35

36 Qu est-ce-que le projet ITER? ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor Design Construction Opération Une installation de recherche But : démontrer la faisabilité scientifique et technique de produire cette source d énergie Premiers réacteurs à fusion en 2050? 36

37 ITER (vue d'artiste) TORE SUPRA CEA-CADARACHE 37

38 Les travaux de construction ont débuté 2008 : travaux de terassement A la fin de l année 2008, plus de 2 millions de m3 de matériaux auront été déblayés dont environ la moitié aura été valorisée sur place Construction de bureaux d accueil provisoires Et la recherche continue. 38

39 UN EXEMPLE DE SIMULATION APPLIQUEE A L ETUDE DE LA TURBULENCE DANS LES PLASMAS DE TOKAMAK

40 Domaine de recherche : la turbulence 40

41 Outil de modélisation : la théorie gyrocinétique 41

42 Outil de simulation : le code GYSELA 42

43 Le code GYSELA dans le contexte international Compétitif sur le plan international 43

44 Que résoud GYSELA? Les équations juste pour le fun!!!! 44

45 Un exemple de simulation avec GYSELA maillage = 512x512x128x128x8 = 34.3 milliards de points simulation sur 1024 processeurs pendant 16 jours = heures = 45 ans si faite sur un seul PC!!!! 45

46 Un exemple de simulation avec GYSELA maillage = 512x512x128x128x8 = 34.3 milliards de points simulation sur 1024 processeurs pendant 16 jours = heures = 45 ans si faite sur un seul PC!!!! 46

47 La visualisation 3D au service de la compréhension Film 3D GYSELA réalisé au CEA/IRFU 47

48 CONCLUSION

49 La simulation : travail pluridisciplinaire Collaborations physique / mathématique / informatique Benchmark HPC - GENCI (France) - HPC européen - IFERC (japon) Portage et Optimisation de la parallélisation - Projet européen EUFORIA ANR EGYPT (Strasbg + Nancy + Marseille) - Amélioration des schémas numériques - Changement de coordonnées GYSELA Compression de données + Visualisation - Projet CALVI (INRIA) - Dossier ANR en cours de montage (Grenoble + Strasbg) Benchmark codes gyrocinétiques - Collaboration CRPP (Comparaison ORB5/GYSELA) - Task force ITM4 49

50 L image des sciences et de la recherche? Le chercheur : un savant fou la tête dans les étoiles et isolé du monde extérieur?? Les maths pour quoi faire? La science trop compliquée? Quelle place pour les femmes en sciences? Qu en pensez-vous? 50