Progetti numerici CRESCO 2014/15

Nel seguito le tracce delle attività programmate per il 2014 su CRESCO4 nell'ambito delle attività delle unità tecniche:

Tenuto conto della completa riorganizzazione dell'Agenzia nel corso del 2015, le attività sui sistemi verranno riprogrammate per l'anno 2016, prolungando le attività previste a tutto il 2015.


 

Unità Tecnica UTTMAT

Attività di scienza dei materiali supportata dalle risorse infrastrutturali HPC progetto TEDAT ed in particolare CAD molecolare di materiali per l'energia e le nuove tecnologi.

Le attivita' che verranno svolte sulla nuova piattaforma CRESCO4 riguardano il design e la caratterizzazione di nuovi materiali e si affiancano ad attivita' sperimentali ENEA e sono inserite nei progetti riportati nel seguito.

Storage dell'idrogeno

Uno dei problemi piu' difficili da risolvere per lo sviluppo della tecnologia dell'idrogeno e' lo storage. La difficolta' consiste nel trovare un materiale che a bassa temperatura possa contenere un'alta percentuale di idrogeno e permettere il ciclaggio di assorbimento e desorbimento.

La simulazione permette di fare il design del nuovo materiale e provare in quali condizioni termodinamiche e con quali catalizzatori si ha uno storage efficiente di idrogeno. Su cresco4 contiamo di studiare l'interfaccia MgH2-TiO2 in temperatura tramite simulazioni di dinamica molecolare quantistica (attività prevista nei programmi europei EERA-JP- AMPEA e in COST, collaborazione con l'Università di Belgrado).

Flagship europea sul grafene

lo studio numerico si concentra sul processo di crescita del grafene su substrati metallici. In ENEA sperimentalmente e' cresciuto grafene su rame e si vorrebbe ottimizzare i parametri termodinamici coinvolti per velocizzarne la crescita e aumentarne la purezza. Per questo motivo e' in corso la costruzione di un modello numerico, basato su unapproccio di dinamica molecolare quantistica, di un foglio di grafene su una superficie di rame cristallino e amorfo. La simulazione permettera' di studiare la stabilita' del sistema e il contributo elettronico dell'interazione tra superficie e foglio di grafene.

Materiali per il Nucleare

Uno dei problemi aperti nei reattori di nuova generazione e' la corrosione dell'acciaio dovuta al contatto con il piombo liquido. Sperimentalmente e' estremamente difficile razionalizzare il processo di corrosione e capirne il meccanismo per contenerlo. Per questo motivo e' in corso la costruzione di un modello numerico di interfaccia Pb liquido-acciaio da studiare tramite simulazioni di dinamica molecolare classica. La simulazione in temperatura di questo modello dovrebbe poter rendere possibile capire dove comincia il processo di corrosione e in che modo e con quali percentuali l'ossigeno nel Pb liquido limita la corrosione (Programma europeo EERA-JP- NM).

Adesione organico-inorganico

La piu' avanzata frontiera della microelettronica riguarda la possibilita' di utilizzare accanto a materiali inorganici come semiconduttori e metalli , molecole di origine organica ingegnerizzate per svolgere particolari funzioni. La simulazione rende possibile lostudio dell'adesione delle molecole organiche sulle superfici inorganiche. E' in corso la progettazione di simulazioni di polipeptidi su superfici di ossido di titanio e di ossido di rame. Lasimulazione permettera di capire quali aminoacidi del peptide sono importanti nell'adesione e come e' possibile ingegnerizzare il peptide. La simulazione sara' in grado anche di fornire i livelli di energia coinvolti e quali legami sono determinanti per il passaggio di carica tra peptide e superficie inorganica.

 


Unità Tecnica UTVALAMB

Diffusione atmosferica di inquinanti a scala nazionale e a scala locale.

Il Modello MINNI (Modello Integrato Nazionale a supporto della Negoziazione internazionale sui temi dell'Inquinamento atmosferico) simula la dispersione degli inquinanti in atmosfera a scala nazionale e a diverse risoluzioni spaziali. Attualmente le simulazioni vengono condotte in configurazione parallela, sia su un dominio nazionale a bassa risoluzione (passo di griglia: 20 km) sia su cinque macrodomini regionali che ricoprono tutto il territorio nazionale a più alta risoluzione (passo di griglia: 4 km).

Nei prossimi mesi è previsto il passaggio del sistema modellistico a più alta risoluzione (passo di griglia: 1 km) su alcune aree urbane di interesse. Sono inoltre previsti alcuni test di scalabilità del codice sia all'aumentare della risoluzione sia all'aumentare delle dimensioni dei domini stessi. Alla luce dei tests verrà scelta la migliore configurazione dei domini di calcolo di MINNI, ottimizzando aumento di risoluzione e tempi di calcolo.

A motivo della crescente domanda di simulazioni a scala locale, il sistema modellistico verrà inoltre ampliato nei prossimi mesi ad includere moduli, in configurazione altamente parallela, per il calcolo della dispersione ad altissima risoluzione (scala metrica).

 


Unità Tecnica UTTEI

Dinamica della combustione in impianti di potenza turbogas.

Le attività di simulazione con il codice HeaRT pianificate per il 2014 sono:

- Studio delle instabilità di combustione di tipo termo-acustico.

Verrà simulato un combustore precedentemente progettato, realizzato e studiato nel progetto Europeo PRECCINSTA. Si tratta di un bruciatore premiscelato metano/aria in condizioni magre ed a pressione atmosferica. La simulazione comprenderà il 'plenum' dell'alimentazione dell'aria, il bruciatore con le palettature, per generare lo 'swirl' del flusso, la camera di combustione, il camino e parte dell'ambiente atmosferico in uscita. Per modellare la geometria complessa dell'intero combustore verrà utilizzata la tecnica IVM (Immersed Volume Method) sviluppata e già validata da UTTEI-COMSO. Il dominio computazionale è costituito da circa 50M di nodi e le specie chimiche coinvolte nel processo sono 17.

- Studio dell'interazione tra turbolenza e combustione in fiamme premiscelate.

Questa analisi verrà condotta per mezzo di una simulazione numerica diretta (DNS) di una fiamma premiscelata metano/idrogeno/aria con un bruciatore di tipo 'slot' a pressione atmosferica. Il dominio computazionale è costituito da circa 120M di nodi e le specie chimiche coinvolte nel processo sono 17. L'obiettivo di questo studio è quello di creare un caso test non presente in letteratura relativo a questa tipologia di miscela combustibile (Hydrogen Enriched Natural Gas) per la validazione di modelli di sottogriglia per LES.

- Validazione di un nuovo modello LES di sottogriglia.

Verranno condotte simulazioni LES del bruciatore di tipo 'slot', simulato in maniera diretta (DNS), utilizzando il modello di sottogriglia LTSM (Localized Turbulent Scale Model) . I risultati della simulazione DNS costituiranno la base per la validazione del modello.

- Validazione di tecniche numeriche.

E' in corso lo sviluppo di una tecnica per l'integrazione numerica di un dominio costituito da zone affiancate e caratterizzate da forti variazioni di risoluzione spaziale. L'obiettivo è quello di aumentare l'efficienza di calcolo e l'accuratezza spaziale del codice HeaRT dove richiesto. La validazione della tecnica verrà condotta mediante la simulazione di una fiamma non premiscelata di syngas ed aria a pressione atmosferica.

- Estensione del codice HeaRT a flussi supercritici.

Verrà implementata nel codice la parte relativa alla modellazione delle proprietà di trasporto di gas in condizioni supercritiche. L'obiettivo è quello di poter simulare processi di ossi-combustione di gas naturale in cicli turbogas avanzati che utilizzano la CO2 supercritica come fluido di lavoro. Saranno condotte simulazioni per la validazione dei modelli implementati.

Allegato


Unità Tecnica UTMEA

 

Eddy-resolving Mediterranean model for Climate

The current literature provides compelling evidence that an eddy-resolving regional ocean model can significantly improve the quality of regional climate system model results and reduce the uncertainty of regional scenario simulations. However, this potential improvement has not been tested to date in multi-decadal Mediterranean coupled climate simulations. Despite the continuous improvements achieved during the last decade on the development of credible Mediterranean climate models, there remains need for the advancement of the stand-alone ocean component concerning the physically based representation of the flow exchange through the Strait of Gibraltar, the Mediterranean eddy-dominated flow field, and the formation rates and transports of water masses involved in the Mediterranean Thermohaline Circulation.

This project intends to evaluate the long-term mean effects played by high-resolution, Strait of Gibraltar dynamics, and tides on the simulated thermohaline circulation by comparing results from three hindcast (47 years long) numerical simulations. First, results from an eddy-resolving Mediterranean model with a mesh refinement in the Strait will be compared to those from an eddy-permitting version (with no mesh refinement) of the same model, secondly results from the eddy-resolving Mediterranean model including tide will be compared to those from the same eddy-resolving model without tidal forcing.

The results of the simulations will be shared with a broad scientific community, the MedCordex (http://www.medcordex.eu/) initiative being one of the main streamlines to the purpose, as well as Hymex (http://www.hymex.org) and MedCLIVAR (http://www.medclivar.eu) international programs.

 


Unità tecnica UTFUS

 

Particle simulation of Alfven mode Dynamics in nuclear fusion devices

The realization of a nuclear fusion reactor based on magnetic confinement requires that a gas mixture of deuterium and tritium is heated up to temperatures of the same order of the temperatures reached in the centre of stars. In such conditions, many fusion reactions take place between nuclei of deuterium and nuclei of tritium, each yielding an alpha particle (that is, a nucleus of helium) and a neutron, with a net energy gain. When the plasma heating due to alpha particles exceeds a certain threshold, the external heating can be suppressed and the so called ignition condition is reached, with plasma self-sustaining. In order to reach this condition, it is of crucial importance that alpha particles, as well as the energetic ions produced by auxiliary heating methods, are well confined inside the plasma. The confinement properties of  alpha particles and energetic ions can however be downgraded by the interaction of such particles with typical electromagnetic waves that can develop inside the plasma: the Alfvén waves. A satisfactory investigation of these interactions requires a numerical simulation treatment based on the particle-in-cell approach. The Frascati plasma theory group has developed two particle-in-cell codes (XHMGC and HYMAGYC) for this kind of studies. Their MPI-OpenMP parallel version has shown to run very efficiently on the CRESCO clusters.

Analisi nucleari complesse per la progettazione e sicurezza di componenti strutturali e di sistemi diagnostici, dei tokamak.

La attività é incentrata sullo sviluppo e ricerca nel campo della neutronica della fusione termonucleare attraverso simulazioni numeriche impieganti tecniche Monte Carlo e in particolare la famiglia di codici MCNP. Il codice MCNP5 viene utilizzato per analisi nucleari complesse finalizzate alla progettazione e sicurezza di componenti strutturali e di sistemi diagnostici, di tokamak avanzati, di nuova generazione (JET, JT-60SA FAST), e dei reattori dimostrativi (ITER, DEMO). Calcoli di trasporto neutronico vengono effettuati anche per la progettazione, calibrazione e ottimizzazione di diagnostiche neutroniche e per gli esperimenti di benchmark sul generatore di neutroni FNG (Frascati Neutron Generator) finalizzati alla validazione di dati nucleari. Inoltre il laboratorio di neutronica ha sviluppato un codice, l’ Advanced Direct 1 Step Method, per i calcoli tridimensionali delle dosi allo shutdown accoppiando MCNP5 con il codice di inventario FISPACT utilizzato principalemente per ITER. Problemi di complessità elevata fino a casi con 25000 celle sono stati affrontati con l'utilizzo di esecuzioni parallele impieganti abitualmente 600 cores con punte fino a 1000. Successivi sviluppi delle simulazioni richiederanno geometrie anche più complesse.

Allegato

 


Unità tecnica/Istituto METR


Attività previste nell’unità METR, che traggono notevole vantaggio dall’utilizzo di CRESCO4:

Dimensionamento di una pila termica per la realizzazione, all’interno del Laboratorio di Metrologia Neutronica, di una facility di taratura con un flusso di neutroni termici sufficientemente elevato (106 n/cm2/s all’interno di una colonna di almeno 0.5 m di diametro). Questa attività prevede sia l’utilizzo di MCNPX/FLUKA/GEANT4 che l’utilizzo di ANSYS per analisi termico-strutturali.

Calcoli di foto-produzione di particelle pesanti con elettroni di elevata energia su target di materiali ad alto numero atomico. Questi calcoli sono "time consuming", richiedendo l’osservazione di fenomeni fisici a bassa sezione d’urto. Questa attività prevede l’utilizzo comparato dei codici MCNPX/FLUKA/GEANT4 per propositi di benchmarking e rientra negli accordi di collaborazione fra UT METR (in qualità di Istituto Nazionale di Metrologia delle radiazioni Ionizzanti) ed altri enti di ricerca nazionali (INFN, CNR), nel quadro del progetto bandiera dell’INFN “IRIDE”.

Calcoli MC per la caratterizzazione della radiazione neutronica diffusa dalle pareti di calcestruzzo della sala sperimentale del Laboratorio di Metrologia Neutronica, in un ben definito punto di misura all’interno della stessa. Per questa attività si prevede l’uso dei codici MCNP6 e FLUKA.

Stima dei fattori correttivi per misure di dose di radiazioni ionizzanti in acqua, in grafite, e per misure di kerma in aria con il codice PENELOPE2011.

Simulazioni nell’ambito della metrologia dei radionuclidi per misure ad elevata precisione di attività di gamma, beta e alpha emettitori. Potenziali applicazioni in ambito di progetti europei in cui l’UT METR è coinvolta in cui si richiede il supporto di calcolo Monte Carlo per complessi apparati sperimentali quali sistemi innovativi nel settore della spettrometria alpha, beta e gamma, nel campo dell’imaging quantitativo con radionuclidi gamma e beta di uso medico, nella simulazione di rivelatori a scintillazione (plastici e liquidi) per misure di attività in cui è richiesto il processamento ad alta statistica di fotoni ottici.

Simulazione MC di fasci di fotoni ed elettroni impiegati nelle moderne tecniche di radioterapia quali radioterapia ad intensità modulata (IMRT), tomoterapia e stereotassia. Le simulazioni sono finalizzate allo sviluppo di procedure dosimetriche che assicurino, per tali tecniche, la riferibilità della dosimetria clinica ai campioni primari. Per questa attività si prevede l’uso del codice BEAMnrc, un applicativo del codice EGSnrc.

Simulazione MC della risposta in termini di dose assorbita di vari tipi di rivelatori in fasci di radiazione di piccole dimensioni. Saranno oggetto delle simulazioni rivelatori con volume sensibile inferiore a 0.01 cm3 condizione che rende indispensabile l’utilizzo del calcolo parallelo. L’attività è finalizzata alla realizzazione di un campione secondario per la dosimetria in fasci di fotoni di dimensioni inferiori a 2 cm. Per questa attività si prevede l’uso del codice EGSnrc.

Allegato

 


Unità tecnica UTRINN

 

Tra le attività di ricerca svolte nell'Unità Tecnica Fonti Rinnovabili (UTRINN) ve ne sono diverse che richiedono l'utilizzo del sistema di calcolo HPC di tipo CRESCO4, che presenta caratteristiche e potenzialità computazionali idonee basate sul calcolo parallelo. Le attività di simulazione riguardano essenzialmente il settore dell'energia da fonte solare e il settore dell'energia dal moto ondoso dal mare. Saranno sviluppati  calcoli di simulazione per lo studio di materiali con metodi ab-initio, utilizzati in chimica e in fisica quantistica, analisi termiche e strutturali di sistemi e di componenti innovativi associati alle tecnologie solari ed all'accumulo termico ed analisi fluidodinamiche su fluidi di processo pper media e alta temperatura. In allegato vengono forniti maggiori dettagli sulle attività di calcolo da svolgere e dei sofware utilizzati.

Allegato

 


Unità tecnica UTFISST

 

La nuova facility CRESCO4 presenta caratteristiche e potenzialità computazionali di elevato interesse per le applicazioni che sfruttano il calcolo parallelo, categoria in cui rientra il codice di trasporto di radiazione MCNP, già in uso presoo il laboratorio UTFISST/MEPING.

Come noto, accuratezza e precisione dei risultati di simulazioni Monte Carlo dipendono dalla necessità di riprodurre fedelmente la realtà all'interno del codice di simulazione, ottimizzandone la statistica attraverso l'elevato numero di storie processate. La possibilità di lanciare il calcolo in paralello  su un elevato numero di processori permetterebbe, dunque, di ridurre notevolmente il tempo di calcolo  (a parità di accuratezza e precisione del risultato che cisi prefigge di raggiungere) rispetto a quelli ottenibili sulle altre facilit CRESCO1-2-3. Sulla base  di quanto esposto ne consegue che grazie a CRESCO4 il nostro laboratorio UTFISST/MEPING potrebbe beneficiare di un sostanziale aumento della produttività scientifica e della qualità dei lavori, grazie alla concreta possibilità di effettuare numerose ed onerose simulazioni in un ragionevole lasso di tempo.

Le attività di cui beneficerebbe il laboratorio UTFISST/MEPING nell'utilizzare CRESCO4 possono così riassumersi:

  • calcolo di criticità e flusso neutronico e campo gamma in campo reattoristico.
  • studio di performance e riproduzione al calcolatore di strumentazione per neutroni.
  • progettazione di prove di irraggiamento.
  • ricostruzione al calcolatore di modelli di simulazione di macchine radiogene.
  • progettazione integrata i sistemi di misura per radiazione.

Per il completamento delle attività UTFISST/MEPING stima di utlizzare annualmente circa 1.000.000 ore*core.