9 システム計算科学研究

原子力研究開発を支える計算科学技術

放射性物質の環境動態、土壌汚染の機構解明、過酷事故の解析等、東京電力福島第一原子力発電所事故を契機に発生した課題の解決や将来の原子力システムの研究開発には、様々な要因が絡み合う複雑な現象の解析技術が不可欠です。例えば、過酷事故の解析では核燃料や構造材の溶融・移行過程を評価するマクロスケールの熱流動解析だけでなく、溶融物の混合による複雑な界面形成を評価するメソスケールの解析、高温高圧の極限環境下における元素拡散、化学反応、相変化による物性変化を評価するミクロスケールの原子・分子シミュレーションといった異なるスケールの解析を統合した解析技術が必要です(図9-1中段)。このようなシミュレーション技術に加え、「富岳」をはじめとする最先端スーパーコンピュータ(スパコン)における高性能計算を可能とするアクセラレータ利用技術、超並列計算技術等の計算基盤技術も必要となります(図9-1下段)。

システム計算科学センターでは、これまでスパコンを活用した原子力研究開発の支援を目的として、複雑現象のより高度な解析を可能とするシミュレーション技術及び計算基盤技術を開発してきました。現在、これらの技術を発展させ、最先端スパコンを駆使した複雑現象解析に取り組んでいます(図9-1)。

2021年度は、計算基盤技術の開発に関して、以下の二つのテーマに取り組みました。トピックス9-1では、計算コストの大きい数値流体力学(CFD)解析によって得られた高解像度の計算結果を深層学習によってモデル化して代理モデルを構築する手法を開発しました。トピックス9-2では、マルチスケールのCFD解析を可能とする適合格子細分化(AMR)法の新しい領域分割手法を開発し、並列処理性能を向上しました。一方、これまでに開発したシミュレーション技術を応用した複雑現象の量子化学研究として以下の三つのテーマに取り組みました。トピックス1-12(第１章)では、地衣類が放射性セシウムを長期間保持する仕組みを量子化学計算によって探りました。トピックス9-3では、原子の量子ゆらぎの効果を取り扱うことが可能な原子シミュレーションコードPIMDを開発し、最も基礎的な解析対象である水においてこの効果が重要であることを明らかにしました。トピックス9-4では、ラジウムの環境動態の理解に向けて、その類似元素であるバリウムを用いた実験と原子シミュレーションによりバリウムの水和構造を明らかにしました。

システム計算科学センターでは、原子力研究開発の共通基盤となる計算科学技術の研究を今後も着実に進展させ、その成果を積極的に展開していきます。

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