Call: ANR COSINUS
Start date: October 2010
Duration: 48 months
Global budget (M€): 1.5
Funding (M€): 0.4
Coordinator: CEA
Partners : CEA - HIEPACS - INP GRENOBLE - INRIA BORDEAUX - UNIVERSITE PARIS EST MARNE LA VALLEE

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Mise à jour : Decembre 2014

« La simulation par Dynamique des Dislocations passe à l’échelon supérieur avec OPTIDIS »

Contexte du projet 

Les matériaux utilisés dans l’industrie électronucléaire sont soumis à des sollicitations importantes du point de vue mécanique, thermique et environnemental mais aussi du fait de l’irradiation neutronique. Ces sollicitations en modifient progressivement la tenue mécanique et limitent la durée de vie des composants voire du réacteur tout entier. La compréhension de ce phénomène de « vieillissement » est donc un enjeu important pour l’opération des centrales nucléaires actuelles (dites de 2ème génération), celles en construction comme l’EPR (3ème génération), mais aussi pour celles de demain (4ème génération et réacteurs de fusion comme ITER ou DEMO).

Cette compréhension nécessite de prendre en compte les phénomènes physiques mis en jeu qui se jouent depuis l’échelle atomique jusqu’à celle du composant, et passe par une modélisation multi-échelles qui ambitionne de réconcilier ces extrêmes.

La simulation par Dynamique des Dislocations est un des constituants de cette modélisation. Elle a pour objectif de comprendre le comportement mécanique d’un matériau à l’échelle micrométrique, dicté par le comportement collectif des défauts cristallins linéiques que sont les dislocations. Cet outil numérique s’inscrit ainsi entre la simulation par Dynamique Moléculaires à l’échelle inférieure, et le calcul d’agrégat à l’échelle supérieure.

Objectif du projet OPTIDIS (ANR-2010-COSINUS-011-01) :

La simulation par Dynamique des Dislocations permet de suivre l’évolution au cours du temps d’une population de dislocations, celles-ci interagissant de façon très dynamique les unes avec les autres. La grande densité de dislocations (typiquement 1013 m par m3) nécessite toutefois de s’appuyer sur le calcul haute-performance pour simuler le comportement d’un volume suffisamment représentatif. Basé sur un consortium regroupant des physiciens du CEA Saclay, de l’UPEC et de Grenoble INP, ainsi que des experts du calcul haute-performance de l’INRIA Bordeaux (équipe HiePacs) le projet OPTIDIS ambitionne de développer un code de calcul permettant ce type de calcul par l’utilisation des grands centres de calcul comme le CCRT ou le TGCC.

Ce projet a été labellisé par le pôle de compétitivité System@tic Paris Région et a bénéficié à ce titre d’un abondement de 8025€.

Réalisations et faits marquants du projet OPTIDIS

Le code développé au cours de ce travail permet de se déployer sur les grands calculateurs modernes alliant un grand nombre de nœuds possédant chacun un nombre élevé de processeurs. S’appuyant sur une architecture hybride MPI-OpenMP, cet outil offre désormais la possibilité de simuler de systèmes de représentatifs en taille et en temps. Ainsi, si la version initiale du code ne permettait de ne traiter que quelques milliers de degrés de liberté, la version développée dans le cadre d’OPTIDIS permet de calculer un pas de temps avec un millions de degrés de liberté en seulement 2 secondes (avec sur 32 nœuds équipés de 8 cœurs chacun). Cette puissance est illustrée, dans la figure suivante, dans le cas de la déformation plastique du zirconium irradié.

Simulation de la déformation plastique du zirconium irradié. On considère ici un cube de 2 mm de côté contenant une densité de 6.1021 boucles induites par l’irradiation de tailles 10 nm. Les dislocations sont discrétisées par des segments de longueur moyenne 3,5 nm. On note que les boucles sont traitées comme des dislocations à part entière. Cette image est tirée de la thèse d’Arnaud Etcheverry qui est financée par l’ANR Optidis (co-encadrement INRIA-CEA).

Dans le but de faire connaitre ces travaux et de les confronter à la « concurrence » mondiale, a été organisé du 10 au 12 décembre 2014, à la Maison de la Simulation à Saclay, un workshop international consacré à la simulation par Dynamique des Dislocations. Cet événement, le premier de ce genre pour cette méthode de calcul, a réuni la quasi-totalité des laboratoires nationaux et universités qui, de par le monde, développent des codes de Dynamique des Dislocations. La très forte implication de 67 chercheurs issus de 9 pays (USA, France, Allemagne, Angleterre, Corée du Sud, Belgique…) a permis la tenue d’un workshop très dense et enrichissant. Quatre présentations parmi la trentaine d’exposés ont permis de mettre en lumière les travaux menés autour du projet OPTIDIS et ont permis d’identifier ce code comme un des principaux codes actuels.

Informations complémentaires :

Projet OPTIDIS : www.numodis.fr et www.optidis.gforge.inria.fr
Workshop : www.numodis.fr/WORKSHOP2014/workshop_2014.html

The materials used in the nuclear industry undergo various and complex constraints. Modeling efforts offers the opportunity to understand the mechanisms leading to the ageing of these materials.

Dislocations are linear defects which are quite abundant in crystalline metals. They are responsible for their plastic behavior. Irradiation induced defects strongly interact with dislocations, therefore modifying the mechanical properties of these materials. Understanding these mechanisms is therefore crucial.

Dislocation dynamics is a simulation technique suite to follow the motion of a large number of dislocations along time. Taking full advantage of HPC is critically needed to simulate to simulate representative volume elements. The goal of OPTIDIS, is to optimize such a code within a team including CEA, INRIA and CNRS.

Technological or scientific innovations

The goal of OPTIDIS is to optimize a dislocation dynamics code named NU- MODIS enabling large scale simulations of scientific interest. This goal requires the development of three specific algorithms:

• optimized calculation of the interactions between dislocations using multipole approach;

• optimized linear and nonlinear solvers taking full advantage of the topological structure of dislocations;

• development of new load-balancing strategies as the spatial distribution of dislocations tends to be extremely heterogeneous. Each of these three tasks will be addressed using a combination of advanced High-Performance Computation schemes (MPI and POSIX threads) and the development of new algorithms. As a final "grand challenge", NUMODIS will be used to address a problem of major scientific and industrial interest: the channeling of deformation in irradiated zirconium cladding.

Status - Main Project Outcomes

This project started 6 months ago. The first meetings were held to define more precisely the different tasks. Several trainees and one PhD student were recruited by the different partners.