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Innover pour demain

Simulation numérique

Publié le 20 novembre 2015

​Aujourd’hui, la simulation numérique est utilisée dans de nombreux domaines de recherche et développement : mécanique, science des matériaux, astrophysique, physique nucléaire, aéronautique, climatologie, météorologie, physique théorique, mécanique quantique, biologie, chimie… ainsi qu’en sciences humaines : démographie, sociologie. 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 variés comme le nucléaire, l’automobile ou l’aéronautique. Au CEA, la simulation numérique est un outil précieux pour l’ensemble de ses programmes, qu’ils soient liés aux domaines de la Défense, de l’énergie nucléaire, de la recherche de technologies pour l’industrie ou de la recherche fondamentale.

​Simulation pour la Défense

La simulation du fonctionnement d’une arme nucléaire requiert de maîtriser des domaines de la physique très variés, à des échelles de grandeurs multiples, avec un niveau de précision élevé. Dans le cadre du programme Simulation, la Direction des Applications militaires du CEA (DAM) développe des outils particulièrement complexes, capables de réaliser de telles simulations. Ces outils sont constitués d’un enchaînement d’équations mathématiques, traduites en langage numérique dans des logiciels (ou « codes ») pour être résolues grâce à de puissants moyens de calcul (ou « supercalculateurs »). Ces équations modélisent les phénomènes physiques rencontrés dans le fonctionnement d’une arme nucléaire. La DAM développe puis affine et valide ces modèles physiques grâce à des expériences scientifiques spécifiques, notamment sur le Laser Mégajoule ou l’installation Epure (voir aussi Innover pour demain - Défense et Sécurité). 

En parallèle, elle collabore avec les constructeurs de supercalculateurs pour guider la conception de machines de pointe, n’existant pas sur le marché, adaptées à ces codes et capables de réaliser des calculs en des temps relativement courts, compatibles avec les échéances de ses programmes. Ainsi, le calculateur Tera 100, de technologie Bull, actuellement en service sur le centre CEA/DAM Ile-de-France (Essonne), fut la première machine conçue et réalisée en Europe à atteindre le Pétaflop, c’est-à-dire le million de milliards d’opérations par seconde. Son successeur, Tera 1000 est un supercalculateur, également de technologie Bull, qui est mis en service par parties dès 2015, pour atteindre 25 Pétaflops début 2017. Il préfigure le calculateur de classe exaflopique (milliard de milliards d’opérations par seconde) dont la DAM aura besoin à l’horizon 2020 pour réaliser ses programmes. Des ruptures technologiques seront nécessaires pour y parvenir, notamment pour maîtriser la consommation électrique d’une telle machine.



Simulation pour le nucléaire

Au CEA, une des applications majeures de la R&D en simulation numérique concerne l’industrie électronucléaire. En effet, la simulation numérique contribue à répondre aux grands enjeux de cette industrie : amélioration des procédés existants et développement de systèmes innovants permettant de développer un nucléaire toujours plus compétitif, durable et sûr.

Les équipes de la Direction de l’énergie nucléaire du CEA développent des plateformes et des codes de calcul dans tous les grands domaines du nucléaire (neutronique, thermohydraulique, mécanique, thermique, chimie et matériaux) afin de modéliser l’ensemble des phénomènes complexes entrant en jeu dans le fonctionnement normal ou accidentel des réacteurs et des usines du cycle du combustible associées. La plupart des plateformes permettent des modélisations multi-échelles : de l’échelle atomique jusqu’à celle du système complet. Les codes développés par le CEA sont pour la plupart utilisés par les industriels du nucléaire français. Leur distribution à des organismes de R&D européens a conduit à la signature d’un grand nombre d’accords de licence.

VidéoSimulation numérique pour l’énergie nucléaire

Ces outils interviennent par exemple en soutien au développement des systèmes nucléaires du futur, dits de 4e génération, et en particulier à la conception du projet de démonstrateur technologique baptisé Astrid, et dont le CEA pilote la phase d’étude. Dans ce cadre, les équipes du CEA disposent d’un mur d’images, écran monobloc de 5,5 m par 3, qui permet d’analyser et de visualiser en 3D les résultats de l’ensemble de ces simulations numériques.

VidéoSimulation numérique pour le nucléaire du futur

La simulation numérique n’est pas la fin de l’expérimentation car elle nécessite des moyens de validation. La confrontation de résultats expérimentaux aux résultats issus de la simulation numérique permet de juger de la qualité des modèles mathématiques utilisés et de la validité du code.



Simulation pour le climat

Pour les experts du laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE – CEA/CNRS/UVSQ) au centre CEA de Saclay, étudier le climat nécessite de prendre en compte de nombreux processus physiques mis en jeu au cœur de l’atmosphère, des océans et des continents. Afin d’analyser l’évolution du climat et de proposer des simulations pertinentes pour le futur, les chercheurs mettent au point des modèles du climat. Ces modèles, aussi appelés “modèles de circulation générale”, sont mis en œuvre sur des calculateurs de très haute performance.

Suivant les conclusions du 5e rapport du Giec, les activités humaines, notamment l’usage des énergies fossiles, ont conduit à une hausse exceptionnelle de la concentration des gaz à effet de serre, transformant le climat à un rythme jamais vu dans l’histoire de l’humanité. Selon les experts du Giec, il faudrait réduire de manière drastique les émissions de gaz à effet de serre pour espérer contenir le réchauffement global sous le seuil des 2°C. Désigné sous le nom RCP 2.6, ce scénario implique des engagements forts de la communauté internationale qui pourraient faire l’objet d’un accord global lors de la prochaine Conférence des parties de la Convention-cadre des Nations unies sur les changements climatiques, en novembre 2015 (COP 21).
En marge de la COP21, les équipes du LSCE participent activement à l’évaluation de l’impact des divers scénarii afin de limiter le réchauffement global de la planète dans un futur proche.

VidéoLe climat futur au regard du passé



Simulation pour l’astrophysique

L’Univers est constitué d’objets célestes très différents les uns des autres comme des nuages de poussières et de gaz, des étoiles ou des galaxies. En astrophysique, l’expérimentation en laboratoire est quasi-impossible. Afin de mieux comprendre les structures et l’évolution dans le temps et l’espace de ces objets, les scientifiques réalisent des simulations numériques à l’aide de supercalculateurs comme ceux localisés au Très grand centre de calcul (TGCC) du centre CEA de Bruyères-le-Châtel.

Au sein du Service d’astrophysique du CEA, plusieurs équipes de recherche développent des simulations numériques en 3D de l’évolution de l’Univers. En effet, des processus complexes (expansion de l’Univers, force de gravité, mécanique des fluides autogravitants, physique atomique, etc.) doivent être traités de façon couplée. La génération d’un univers virtuel par la simulation numérique se fonde d’abord sur les conditions initiales de l’Univers, telles qu’on les observe sur le fond diffus cosmologique. La simulation permet ensuite de faire évoluer le « système » tout au long de l’histoire de l’Univers avec un pas de temps de l’ordre du million d’années. Les résultats (nombre, forme et arrangement des galaxies) sont ensuite comparés aux observations. L’espace à étudier étant très vaste, les chercheurs doivent donc limiter leur champ de recherche à des zones limitées mais qui nécessitent toutefois d’être découpées en plusieurs milliards de mailles. Ces simulations gigantesques sont réalisées au sein de grandes collaborations nationales et internationales.

VidéoLa simulation 3D de l'univers



Simulation en biologie

Comment cette longue molécule qu’est une protéine va-t-elle s’enrouler sur elle-même, former une cavité ou bien des boucles, au gré de son environnement ? C’est, en particulier, à cette question que tentent de répondre les bioinformaticiens du CEA grâce à des programmes de simulation. Cette question est fondamentale pour comprendre comment les protéines, véritables machines-outils du vivant, font fonctionner la cellule : production de l’énergie, assimilation de la nourriture, mouvement, division... Car c’est bien par leur structure et les changements de celle-ci que les protéines portent la vie à l’échelle moléculaire.

Autre échelle, autre sujet, c’est sur les données cliniques des patients du Service Hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) à Orsay (91) que s’appuient les physiciens du SHFJ afin de simuler un patient virtuel exposé à un traitement de radiothérapie. Un des objectifs est d’évaluer la dose de rayonnement que reçoivent les différents organes. Les cliniciens peuvent ensuite ajuster le traitement afin de cibler la tumeur tout en limitant la dose sur les organes sains.


Le supercalculateur Tera 100 installé à Bruyères-le-Châtel.
Le supercalculateur Tera 100 installé à Bruyères-le-Châtel. © D.Sarraute/CEA


Tera 10 et le mur d'images de la direction des applications militaires.
Tera 10 et le mur d'images de la direction des applications militaires.
© H.Raguet/Science&Avenir/CEA


Qu’est-ce qu’une simulation numérique ?

C’est une méthode de représentation de phénomènes physiques par ordinateur. La simulation numérique permet de mieux comprendre le réel pour mieux le prédire. Les simulations numériques scientifiques reposent sur
l’élaboration de modèles de physique, (issus de théories ou d’observations expérimentales), sous forme d’équations mathématiques qui sont résolues par de puissants moyens de calculs (supercalculateurs) pour reproduire des phénomènes physiques réels.


Simulation numérique du fonctionnement d’un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. © D. Sarraute/CEA
Simulation numérique du fonctionnement d’un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium.
© D. Sarraute/CEA










































Iceberg échoué dans le Fjord de Narsarsuag.
Iceberg échoué dans le Fjord de Narsarsuag.
© C.MOrel/Our Polar Heritage


Carte satellite des 3 îles marquisiennes
Carte satellite des 3 îles marquisiennes.
© S.Nicaud/CEA/Tara Expeditions
























Simuler l'Univers dans sa globalité (projet Horizon)
Simuler l'Univers dans sa globalité (projet Horizon). © CEA-Dapnia







Switch Ethernet assurant l'interconnexion entre les baies de calcul du supercalculateur Tera100.
Switch Ethernet assurant l'interconnexion entre les baies de calcul du supercalculateur Tera100.
© P.Stroppa/CEA







Simulation numérique du dépliement de la protéine prion
Simulation numérique du dépliement de la protéine prion. © CEA

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