Zprostředkováváme efektivní využití naší špičkové národní superpočítačové infrastruktury za účelem zvýšení konkurenceschopnosti a inovativnosti české vědy a průmyslu. IT4Innovations primárně poskytuje výpočetní čas výzkumníkům a akademickým pracovníkům z České republiky v rámci veřejné grantové soutěže. V rámci této soutěže bylo v letech 2013—2020 podpořeno 902 projektů v celkovém objemu 1,027 miliard jádrohodin, přičemž požadavky výzkumníků v tomto období přesáhly 1,404 miliard jádrohodin (jádrohodina = jedno procesorové jádro na hodinu).

Vybrané ukazatele

Počty projektů v jednotlivých vědních oblastech v 2020 [%]

 

 

Využití superpočítače jednotlivými institucemi v 2020 [%]

 

 
10+
 institucí využívajících výpočetní čas
2 000+
uživatelů
530+
 projektů na výp. času
550+
miliónů jádrohodin

Co se u nás počítá

Podporujeme špičkový výzkum a inovace ve všech vědních oblastech.

Vybrané projekty z 22. Veřejné grantové soutěže


Fotoexcitované elektrony v komplexních strukturách uhlíkových teček

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-11 multiyear
Hlavní řešitel: Michal Otyepka
Instituce: Univerzita Palackého v Olomouci
Oblast: Materiálové vědy, 3 000 000 jádrohodin

Uhlíkové tečky byly objeveny teprve nedávno, a přesto dnes představují jeden z nejintenzivněji studovaných nanomateriálů. Jejich výborné fotoluminiscenční vlastnosti je totiž předurčují pro řadu aplikací, které sahají od LED světelných zdrojů, přes biologické zobrazování a medicínskou diagnostiku až k chemické katalýze. Je to i díky tomu, že je lze snadno a levně připravit, jsou stabilní a netoxické. Nicméně uhlíkové tečky velmi neochotně odhalují svá tajemství, což ztěžuje jejich racionální návrh a cílenou optimalizaci jejich vlastností. Počítačové simulace patří mezi užitečné nástroje moderního chemika, neboť dovolují zodpovědět otázky, které jsou pro experimenty velmi komplikované. Simulace už několik let využívá pro pochopení chování uhlíkových teček i skupina vedená Michalem Otyepkou. Díky výpočetnímu času, který získali na počítačích IT4Innovations, se budou moci věnovat mechanismu, jakým uhlíková tečka pohlcuje světelné záření, jak se pohlcená energie dále šíří strukturou tečky, a jak a proč dojde k jejímu vyzáření. Vědci předpokládají, že pokud porozumí tomuto mechanismu, umožní jim to cílený návrh uhlíkových teček a rozšíření jejich aplikací.


Urychlování částic na relativistické energie se za uplynulé století stalo jedním z nejvíce studovaných odvětví fyziky. Výstavba konvenčních urychlovačů je v dnešní době velmi nákladná, především kvůli jejich velkým rozměrům. Tento problém mohou vyřešit plazmové urychlovače. V nich je pomocí koncentrovaného laserového světla v plazmatu (ionizovaném plynu) vybuzena vlna se silným elektrickým polem. Na ní se elektrony zachytí a urychlují. Na plazmové vlně se tak chovají jako surfař na vlně ve vodě. Tato technologie umožňuje 1000x menší urychlovací délku než klasické urychlovače, a proto urychlovače mohou být mnohem kompaktnější. Při svém pohybu v plazmové vlně elektrony vyzařují intenzivní rentgenové záblesky. Pomocí náročných počítačových simulací jsme schopni navrhovat experimenty, které kvalitu rentgenových svazků pomáhají vylepšit. Plazmové urychlovače tak můžeme posunout blíže k praktickým aplikacím, jako je studium dynamiky procesů odehrávajících se na femtosekundových škálách, např. chemických reakcí a fázových přechodů, či vylepšení medicínských zobrazovacích technik.


Generování ultrakrátkých intenzivních rentgenových svazků

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-33
Hlavní řešitel: Dominika Mašlárová
Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Fyzika, 1 150 000 jádrohodin



Výpočetní modelování oběžných drah rychlých iontů v plazmatu tokamaku

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-34
Hlavní řešitel: Fabien Jaulmes
Instituce: Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Oblast: Fyzika, 1 000 000 jádrohodin

 

Technologie jaderné fúze by nám mohla umožnit vyrábět energii, aniž bychom do atmosféry vypouštěli velké množství skleníkových plynů nebo po sobě zanechávali radioaktivní odpad s dlouhým poločasem rozpadu. Koncepce tokamaku zahrnuje využití magnetického pole k udržení dostatečně horkého plazmatu, které v sobě udržuje fúzi. V současné době se v rámci mezinárodního projektu ITER staví v jižní Francii nový tokamak. V případě úspěchu by se jednalo o první zařízení svého druhu, které by produkovalo čistou energii.

Budoucí fúzní elektrárny budu založeny na samoohřevu rychlými částicemi helia o energii 3,5 Mev, které vznikají při fúzních reakcích. Budou také spoléhat na dodatečný ohřev neutrálním svazkem pro optimalizaci pohonu proudu a stability. Studium fyziky rychlých iontů v současných zařízeních připravuje půdu pro optimální provoz a konstrukci budoucích elektráren.

COMPASS Upgrade bude tokamak s velkým magnetickým polem (5 T), díky kterému bude možno zkoumat různé fyzikální jevy související s provozem budoucího tokamaku ITER. Plánuje se zejména systém vstřikování neutrálního světelného svazku (NBI) o energii 80 keV, který bude plazmu ohřívat pomocí externího výkonu 4 MW. Studium a modelování chování částic vzniklých při NBI by mohlo ovlivnit budoucí konstrukci experimentu. Experimenty COMPASS Upgrade otevírají příležitost studovat interakci rychlých iontů s okrajovým plazmatem.

Následující obrázek ilustruje posun v pochopení fyziky okrajového plazmatu díky výpočetnímu modelování. Je zde vidět vliv hustoty plazmatu a teplotních profilů v okrajové oblasti (Scrape-Off Layer nebo SOL) na ztráty rychlých iontů generovaných prostřednictvím NBI při různých orientacích svazku (poloměr tangence nebo Rtan).

Obrázek z [1]: Vlevo: kinetické profily použité k napodobení nepřítomnosti (zelená) nebo existence (červená) ramene hustoty SOL v COMPASS Upgrade (modelování scénáře F nebo #13450). Vpravo: vyhodnocení ztrát NBI pro celkový injektovaný výkon 1 MW: rameno (červené křivky) snižuje ztráty výměnou náboje (CX) pro všechny geometrie vstřikování, ale mírně zvyšuje ztráty iontů při kolmém vstřikování (Rtan < 30 cm). Celkově bude rameno hustoty přínosné pro výkony NBI.

 [1] F. Jaulmes et al 2021 Nucl. Fusion 61 046012


Magnetostrikce je fyzikální jev, při kterém proces magnetizace vyvolává změnu tvaru nebo rozměru magnetického materiálu. Magnetostrikční materiály se ve velké míře používají v mnoha technologických aplikacích, jako jsou senzory (snímače točivého momentu, snímače pohybu a polohy, snímače síly a napětí) a aktuátory (sonarové převodníky, lineární motory, rotační motory a hybridní magnetostrikční/piezoelektrická zařízení), kde je vyžadována vysoká magnetostrikce. Nedávno byl vyvinut program MAELAS [(verze 1.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications 264 (2021) 107964, (verze 2.0) P. Nieves et al., Computer Physics Communications (2021) 108197] pro automatizovaný výpočet magnetostrikčních koeficientů. V současné době je program MAELAS využíván v superpočítačích IT4Innovations k hledání nových magnetických materiálů s vysokou magnetostrikcí.


Magnetostrikce pomocí rozsáhlých výpočtů

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-10
Hlavní řešitel: Pablo Nieves
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy, 6 000 000 jádrohodin



Teplotní vlastnosti cerium titanides

Výzva: 22. Veřejná grantová soutěž; OPEN-22-18
Hlavní řešitel: Andrzej Kadzielawa
Instituce: IT4Innovations, VŠB-TUO
Oblast: Materiálové vědy, 3 457 000 jádrohodin

Náš průmysl je stále založen na páře. V uhelných, plynových a jaderných elektrárnách vyrábí elektřinu voda, k jejímu ohřevu se používá palivo. To však přnáší značné problémy: (i) emise uhlíku; (ii) bezpečnost. Jaderná energie sice nevypouští téměř žádné emise CO2, ale po haváriích v Černobylu a Fukušimě se stala předmětem odporu. Přestože se konstrukce reaktorů založených na štěpení (štěpení atomových jader na dvě nebo více částic, při němž se uvolňuje přebytečná energie) výrazně zlepšila, existuje i jiná cesta. Čistý způsob: Termonukleární fúzní reaktory. Myšlenka je jednoduchá: reprodukovat stejný proces, jakým hvězda vyrábí energii. Fúze dvou atomů vodíku (H) na helium (He), viz [1].

Jinými slovy, parní stroj ohříváme malým umělým sluncem. Některá taková zařízení již fungují (jedno v Praze [2]), přesto je stále třeba vyřešit mnoho technických problémů. Jedním z nich je odčerpávání sálavého tepla plazmatu (teplota ~200 000 000 ℃, uzavřeného v silném magnetickém poli) do vody, tj. do stěny. Zatímco ekologická katastrofa nehrozí, samotné zařízení může být při nehodě poškozeno. Materiál pro stěnu reaktoru tedy musí odolávat tzv. scénářům selhání. Triviálně řečeno, musíme vzít v úvahu bombardování našeho materiálu ionty, atomy a molekulami vodíku (a jeho izotopů). Selský rozum nám říká, že stěna by měla být tvrdá, a z pohledu klasické fyziky by měly být atomy, z nichž je postavena, těžké. Z těchto aspektů je tedy možno vycházet: Wolfram (W) - těžký, ale stabilní a levný prvek s vysokou tvrdostí. Bohužel, zatímco ve vakuu je jeho výkon vynikající, na vzduchu wolfram výbušně oxiduje. Proto potahování stěn tímto prvkem nepřipadá v úvahu, protože film by mohl narušit tepelnou vodivost a být snadno poškozen plazmou.

Dalším logickým krokem je vytvoření slitiny wolframu s malým přídavkem prvku, který (i) má oxid, který nepropouští molekuly kyslíku (čímž vzniká provizorní, samoregenerační povlak); (ii) oxiduje minimálně stejně rychle jako wolfram. Tento problém se dá příhodně vyřešit přidáním ~10 % chrómu (Cr). Tím však příběh nekončí, neboť se objevuje nový problém – slitiny W-Cr se pomalu, ale vytrvale navzájem mísí do směsi dvou na W a Cr bohatých zrn. Naše práce spočívá v nalezení třetího stabilizačního prvku (X) slitiny W-Cr-X, který zpomaluje (nebo v ideálním případě zastavuje) mísení.

Prvním krokem výpočetního modelování je reprodukce problému. Přístup, který jsme zvolili, spočívá v popisu slitiny jako kvantově-mechanického systému elektronů a iontů a následném využití výsledku k sestavení statistického modelu. Nejprve vytvoříme naše stavební kameny pomocí metody funkcionálu hustoty (DFT [3,4]) výpočtem elektronického chování na mřížce atomů wolframu a chromu. Výsledné rozložení náboje (obr. 1) nám umožňuje pochopit změnu elektrické a tepelné vodivosti v závislosti na složení a vlivu tvaru mřížky na vibrace iontů v mřížce. Nejprve pomocí superpočítačů IT4Innovations vygenerujeme speciální kvazi náhodné struktury [6] (obr. 2): rozložení atomů v konečné buňce, které co nejlépe reprodukuje náhodnost slitiny. Poté následuje série výpočtů: pomocí programu Vienna Ab initio Simulation Package (VASP [7]) získáme elektronické a dynamické chování každého modelu buňky minimalizací jeho energie (E). Když máme k dispozici reprezentativní soubor stavů (součást statistického souboru – množiny všech možných realizací), můžeme do výpočtu zahrnout teplotu (T). Řekli bychom, že o nic nejde, ale ve skutečnosti je teplota vše, jen ne zdánlivá. Ve fyzice se jedná o jediný parametr, který popisuje kinetiku prvků v modelu (např. průměrnou kinetickou energii částic plynu). I když je to pro pochopení poněkud nepohodlné, je užitečné považovat teplotu za intenzitní veličinu (nezávisí na počtu částic) spojenou s extenzivní entropií (S) - mírou neuspořádanosti systému. Co je to entropie a jak ji popsat, vypočítat a pochopit, je téma na samostatný článek (nebo knihu); předpokládejme nyní, že ji můžeme vypočítat pro každý ze stavů vypočtených pomocí VASP. Zde minimalizací tzv. volné energie (F = E - S×T) nalezneme optimální stav každého složení prvků při každé teplotě.

Dokončením postupu popsaného v předchozím odstavci pro různá X ve slitině W-Cr-X získáme informace o stabilitě a vlastnostech těchto slitin a o tom, zda má smysl je syntetizovat v laboratoři. V tomto duchu jsme nedávno publikovali slibné výsledky týkající se systémů wolfram – chrom – hafnium (Hf) [8].

Tento projekt je součástí standardního grantu GAČR č. 20-18392S Modifikace teplotní stability slitin na bázi W-Cr pro aplikace ve fúzních reaktorech.

[1] wikipedia.org, Fusion power, https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power, accessed 1 November 2021. 

[2] COMPASS, Institute of Plasma Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/COMPASS

[3] P. Hohenberg, W. Kohn, Phys. Rev., 136 (3B), pp. B864-B871 (1964).

[4] W. Kohn, L.J. Sham, Phys. Rev., 140 (4A), pp. A1133-A1138 (1965).

[5] K. Momma and F. Izumi, J. Appl. Crystallogr. 44, 1272-1276 (2011).

[6] A. Zunger, et al., Phys. Rev. Lett., 65 (3), pp. 353-356 (1990).

[7] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 54 (16), pp. 11169-11186 (1996).

[8] J. Veverka, et al., Mat. Lett. 304, 130728 (2021).


 

 

Publikace s přehledy projektů našich uživatelů