Une équipe américaine réalise une simulation de couverture de reproduction de fusion à deux billions de mailles

Récemment, le Laboratoire national d'Argonne (Argonne National Laboratory) des États-Unis a annoncé que, grâce aux deux supercalculateurs exaflopiques (Exascale) « Aurora » et « Frontier », une équipe de recherche composée de plusieurs institutions scientifiques de premier plan a réussi à réaliser la simulation de couverture de reproduction de fusion à métal liquide la plus vaste et la plus détaillée au monde à ce jour, avec une résolution de calcul atteignant de manière stupéfiante 2 billions de points de maillage. Cette recherche révolutionnaire a été sélectionnée comme finaliste du prix Gordon Bell 2026 de l'Association for Computing Machinery (ACM).

L'objet central de cette simulation à très grande échelle est un composant interne clé des dispositifs de fusion à confinement magnétique — la couverture de reproduction (Breeding Blanket). Dans un réacteur de fusion, la couverture de reproduction assume trois missions essentielles : capturer l'énergie libérée par la réaction, protéger les structures périphériques contre les dommages, et produire, par réaction des neutrons avec le lithium, l'isotope rare nécessaire à la fusion — le tritium (Tritium). L'équipe de recherche s'est appuyée sur la conception de couverture à eau refroidie au plomb-lithium (WCLL) adoptée par le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) pour intégrer pour la première fois, dans un même modèle de calcul à haute fidélité, les multiples champs physiques et mécanismes de couplage multi-échelles que sont l'écoulement de métal liquide sous fort champ magnétique, le transfert thermique complexe, les effets de flottabilité, le transport du tritium et le processus de refroidissement par eau.

Pour surmonter cet extrême défi de calcul entrelaçant de multiples champs physiques, l'équipe dirigée par Elia Merzari, professeur à l'Université d'État de Pennsylvanie et chercheur au Laboratoire national d'Argonne, a mené une collaboration en s'appuyant sur le supercalculateur Aurora du Laboratoire national d'Argonne et le supercalculateur Frontier du Laboratoire national d'Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory). Après avoir achevé le développement du code, les tests et la visualisation in situ sur le système Frontier, l'équipe de recherche a tiré parti de la vaste capacité de mémoire d'Aurora et mobilisé plus de 9 000 nœuds de calcul sur chacune des deux machines, parvenant finalement, grâce au logiciel open source de mécanique des fluides numérique NekRS, à une échelle de calcul historique de 2 billions de points de maillage.

Les résultats de la simulation révèlent clairement l'influence importante des effets de magnétohydrodynamique (MHD) sur la structure de l'écoulement : un fort champ magnétique supprime sensiblement la turbulence et tend à laminariser l'écoulement du métal liquide, tandis que les effets de flottabilité engendrés par le gradient de température interne modifient en outre le transfert thermique et l'état d'écoulement au voisinage de la paroi. Ces données de haute précision, du microscopique au macroscopique, approfondissent considérablement la compréhension des chercheurs sur les comportements physiques complexes à l'intérieur de la couverture et fournissent un support de calcul indispensable pour réduire à l'avenir les coûts des expériences de fusion et accélérer la conception technique ainsi que la validation et l'optimisation.