El Centre Tecnològic de Transferència de Calor (CTTC) es un centro de investigación de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) dedicado a la formulación matemática, resolución numérica y validación experimental de fenómenos de transferencia de calor y masa aplicados a la optimización térmica y fluidodinámica de sistemas y equipos térmicos. En este sentido, el CTTC está participando en diferentes actividades de RIS3CAT FUSIONCAT dentro del Proyecto 2 Neutronics, la generación de tritio y el ciclo de combustible operativo para las simulaciones de alta fidelidad de High Performance Computing (HPC) Computational Fluid Dynamics (CFD) de flujos de metales líquidos y dentro del Proyecto 3, dentro del reactor de fusión, estudios para la modelización dinámica de ciclos de potencia de CO2 para centrales nucleares de fusión.

Los reactores de fusión nuclear tienen el potencial de proporcionar enormes cantidades de energía libre de CO2 utilizando combustibles (deuterio y tritio) que están ampliamente disponibles y son casi inagotables. Para hacerlo, se debe producir tritio durante la reacción de fusión. Esto se hace en las denominadas breeding blankets (BB) donde el tritio (y el helio) resultan de la interacción del litio y los neutrones generados en el proceso de fusión. En Europa, una de las opciones de diseño para aplicaciones en reactores de potencia de fusión como el proyecto ITER es un BB de plomo-litio enfriado con helio.

Predecir con precisión la interacción del campo magnético en los fluidos conductores dentro del reactor es de gran importancia en el proceso de diseño. Las altas fuerzas de Lorentz opuestas al flujo como resultado de las corrientes inducidas deben calcularse con precisión para hacerlo. En el presente proyecto, se va un paso más allá de los métodos más avanzados para mejorar la precisión y la estabilidad en un código numérico recientemente desarrollado. Este código se ha utilizado para predecir flujos magnetohidrodinámicos (MHD) en régimen turbulento, mostrando el comportamiento esperado de supresión de turbulencia debido a la fuerza de Lorentz en presencia de un campo magnético. La inclusión de modelos de Large-Eddy Simulation (LES) en el código permitirá la simulación de flujos MHD en regímenes de números de Reynolds y Hartmann (Ha) más altos, lo que se busca en el diseño de reactores de fusión nuclear (ver Figura 1).

                             

Figura 1: Direct Numerical Simulation (DNS) de un fluido conductor turbulento en un conducto a Re=3000 (Reynolds bulk), sin (izquierda: Ha=0) y con (derecha: Ha=30) presencia de campo magnético transversal usando una discretización symmetry-preserving. Visualización de las estructuras del flujo utilizando el criterio-Q, los colores corresponden a la magnitud de la velocidad y las flechas corresponden con el campo de velocidades a la salida. La figura ilustra la supresión central del flujo, los jets en las paredes laterales, tendiendo hacia un estado de turbulencia casi-2D.
Figura 2: Superordenadores donde se está probando el nuevo código basado en operaciones algebraicas. El ranking corresponde a la lista de junio de 2022 (para detalles www.top500.org)

Además, seguimos trabajando en la portabilidad eficiente del código en toda la variedad de arquitecturas computacionales (CPU, GPU, ARM, MIC…) que compiten en la carrera de HPC hacia la exaescala. Para hacerlo, las operaciones que conforman el algoritmo, los llamados kernels, deben ser compatibles con el paralelismo MIMD de memoria distribuida y compartida y, lo que es más importante, con el procesamiento en stream, que es un paradigma paralelo más restrictivo. En consecuencia, cuantos menos núcleos tenga una aplicación, más fácil será su portabilidad. En este momento, el rendimiento y la escalabilidad del código se están probando en una variedad de supercomputadoras (ver Figura 2) con arquitecturas completamente diferentes en el contexto de dos proyectos PRACE en curso.

 

El proyecto FusionCAT con número de expediente 001-P-001722 ha sido cofinanciado en un 50% con 1.960.963,66€ por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional de la Unión Europea en el marco del Programa Operativo FEDER de Cataluña 2014-2020, con el soporte de la Generalitat de Cataluña.