FESTIM v2.0: Upgraded framework for multi-species hydrogen transport and enhanced performance

Dit artikel presenteert FESTIM v2.0, een open-source framework dat is gemigreerd naar DOLFINx voor betere prestaties en nu een uitgebreide, modulaire fysica ondersteunt voor het simuleren van multi-species waterstoftransport, valstrikken, reacties en koppeling met andere multiphysics-simulaties.

De kern

Stel je voor dat waterstofatomen (en hun zware broertjes, zoals tritium) als kleine, onzichtbare renners zijn die door een complex labyrint van materialen rennen. In de wereld van kernfusie-energie is het cruciaal om te weten waar deze renners zijn, hoe snel ze rennen, en of ze ergens vastlopen.

FESTIM is de software die deze renners volgt. De auteurs van dit artikel kondigen een grote upgrade aan: FESTIM versie 2.0.

Hier is wat er is veranderd, vertaald in alledaags taal:

1. Van een oude fiets naar een Formule 1-auto

De oude versie (v1) was als een betrouwbare, maar wat trage fiets. Hij deed zijn werk, maar was gebouwd op een verouderd frame (een oude software-omgeving die niet meer wordt onderhouden). Als je wilde rennen op een heel groot circuit met veel obstakels, werd de fiets traag en onhandig.

FESTIM v2.0 is als een volledig nieuwe Formule 1-auto.

• Nieuw Chassis: De auto is gebouwd op een moderner platform (genaamd DOLFINx). Dit betekent dat hij veel sneller is, minder brandstof verbruikt (rekenkracht) en veel soepeler rijdt.
• Snelheid: In tests bleek de nieuwe versie wel 15 keer sneller te zijn dan de oude. Wat vroeger een uur duurde, duurt nu nog maar enkele minuten.

2. Een grotere speelgoeddoos met meer regels

In de oude versie kon je alleen simuleren hoe waterstof door één soort materiaal reed. Het was alsof je alleen kon spelen met één kleur Lego.

Versie 2.0 heeft de doos volgepropt met nieuwe stukjes:

• Meerdere soorten renners: Je kunt nu verschillende soorten waterstof (zoals waterstof, deuterium en tritium) tegelijkertijd laten rennen en zien hoe ze met elkaar omgaan.
• Vallen en valstrikken: Soms lopen de renners vast in "valstrikken" in het materiaal. De oude versie kon dit maar op één simpele manier simuleren. De nieuwe versie kan complexe scenario's: renners die in een valstrik springen, er weer uit komen, of zelfs van valstrik wisselen.
• Stroming: Soms wordt de renner meegenomen door een stroming (zoals een blad in een rivier). De nieuwe software kan deze stroming (adventie) heel goed meenemen in de berekening.

3. De grenzen tussen landen zijn slimmer

Stel je voor dat je rennt van het ene land naar het andere, maar de wetten zijn daar anders. In de oude software was het lastig om de overgang tussen twee verschillende materialen (bijvoorbeeld staal en een coating) te simuleren. Het was alsof je een muur moest bouwen om de twee werelden te scheiden, wat veel tijd kostte.

Versie 2.0 heeft slimme "poortwachters" (nieuwe wiskundige methoden) die de overgang veel natuurlijker en sneller regelen. Je kunt nu moeiteloos rennen door een gebouw met tientallen verschillende kamers en materialen, zonder dat de software in de war raakt.

4. Samenwerken met andere experts

De oude software was een beetje een eenling. De nieuwe versie is een echte teamspeler.

• De vertalers: De auteurs hebben speciale "vertalers" gemaakt (software-tuigjes genaamd openmc2dolfinx en foam2dolfinx).
• Hoe het werkt: Stel je hebt een andere computer die berekent hoe heet het wordt in een kernreactor (OpenFOAM) of hoeveel neutronen er vliegen (OpenMC). De oude FESTIM kon die gegevens niet goed lezen. De nieuwe FESTIM pakt die gegevens op, vertaalt ze direct naar zijn eigen taal, en gebruikt ze om de waterstof-renners te besturen. Het is alsof je een tolk hebt die ervoor zorgt dat de ingenieur, de natuurkundige en de software perfect met elkaar kunnen praten.

Waarom is dit belangrijk?

Voor de toekomst van schone energie (kernfusie) is het essentieel om te weten hoeveel tritium (brandstof) in de wanden van de reactor blijft hangen. Als je dit niet goed kunt voorspellen, kun je de reactor niet veilig of efficiënt bouwen.

Met FESTIM v2.0 kunnen wetenschappers nu veel complexere en realistischere simulaties draaien, veel sneller dan voorheen. Het is een krachtig, gratis en openbaar gereedschap dat helpt om de droom van oneindige schone energie een stap dichterbij te brengen.

Kortom: De oude software was een goede, maar trage fiets. De nieuwe versie is een snelle, veelzijdige raceauto die samenwerkt met de beste navigatiesystemen ter wereld.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Waterstofisotooptransport speelt een centrale rol in de ontwikkeling van fusie-energiesystemen, met name voor het voorspellen van tritiumvoorraden, het waarborgen van regelgeving en het ontwerpen van brandstofcycli en plasma-gerichte componenten. Hoewel de vorige versie van FESTIM (v1) een waardevol open-source hulpmiddel was, kampte het met twee fundamentele beperkingen:

1. Verouderde software-architectuur: FESTIM v1 was gebaseerd op FEniCS 2019.1, een versie die sinds 2019 niet meer onderhouden wordt. Dit beperkte de schaalbaarheid, prestaties en langetermijnonderhoudbaarheid.
2. Beperkte fysica en flexibiliteit: De behandeling van materiaalgrenzen in v1 maakte gebruik van een "variabeletransformatie-methode" (change-of-variable). Hoewel dit voor kleine studies voldeed, was het inefficiënt en onflexibel voor engineering-simulaties met fijne netten en meerdere materialen. Bovendien ontbrak de mogelijkheid om volledig gekoppelde multi-species transport (meerdere isotopen, verval, advektie) te modelleren zonder ad-hoc oplossingen.

Methodologie

FESTIM v2.0 is een volledige herontwikkeling van de grond af, gemigreerd naar DOLFINx, de volgende generatie FEniCS-platform. De nieuwe architectuur volgt drie ontwerpprincipes: modulariteit, uitbreidbaarheid en duurzaamheid.

1. Software-architectuur en Modulariteit:

• Subdomeinen: In plaats van fysica globaal toe te passen, worden processen nu per subdomein gedefinieerd. Materialen worden aan subdomeinen gekoppeld, wat de modellering van multi-material systemen vereenvoudigt.
• Objectgeoriënteerd ontwerp: Alle componenten (soorten, valkuilen, bronnen, reacties, randvoorwaarden) zijn uitbreidbare klassen. Gebruikers kunnen nieuwe fysica toevoegen zonder de kerncode aan te passen.
• Thermische koppeling: De warmtevergelijking is losgekoppeld van de transportoplosser, waardoor gebruikers externe temperatuurvelden kunnen invoeren of FESTIM kunnen koppelen aan externe thermische codes.

2. Wiskundige Formulering:

• Multi-species Transport: De algemene vergelijking voor de concentratie $c_i$ van een soort $i$ omvat diffusie, bronnen, reacties en advektie:
  $$\frac{\partial c_i}{\partial t} = \nabla \cdot (D_i \nabla c_i) + S_i + R(c_0, ..., c_n) + \mathbf{u} \cdot \nabla c_i$$
• Reacties en Valkuilen: Een nieuw reactieframework stelt gebruikers in staat om complexe mechanismen te modelleren, waaronder:
  • Meervoudige bezetting van valkuilen (multilevel trapping).
  • Isotopenuitwisseling (swapping) tussen gebonden en mobiele soorten.
  • Radioactief verval en chemische reacties (bijv. in gesmolten zouten).
  • Impliciete soorten (bijv. lege valkuilplaatsen) die direct worden berekend uit andere concentraties, wat extra PDE's overbodig maakt.
• Grensvlakcondities: Voor materialen met verschillende oplosbaarheidswetten (bijv. Sieverts vs. Henry) introduceert v2.0 geavanceerde methoden:
  • Discontinuous Galerkin / Nitsche's methode: Voor lineaire grensvlakken.
  • Penalty-methoden: Voor niet-lineaire grensvlakken (zoals Sieverts-Henry), waarbij de randvoorwaarde zwak wordt afgedwongen via een straffingsparameter.

3. Koppeling met Externe Oplossers:
FESTIM v2.0 is ontworpen voor interoperabiliteit via twee nieuwe pakketten:

• foam2dolfinx: Koppelt OpenFOAM (CFD) aan FESTIM om snelheidsvelden (advektie) en temperatuur direct over te nemen.
• openmc2dolfinx: Koppelt OpenMC (neutronentransport) aan FESTIM om brontermen zoals tritiumproductie en nucleaire verwarming over te nemen.

Belangrijkste Bijdragen

1. Migratie naar DOLFINx: Een overgang naar een modern, onderhouden en hoogpresterend FEM-platform dat langdurige ondersteuning garandeert.
2. Multi-species en Reactieframework: De eerste versie van FESTIM die volledig gekoppelde transport van meerdere waterstofisotopen, inclusief valkuilbezettingsniveaus, isotopenuitwisseling en verval, ondersteunt.
3. Geavanceerde Grensvlakbehandeling: De introductie van Nitsche's en penalty-methoden vervangt de verouderde variabeletransformatie, wat leidt tot aanzienlijke snelheidswinst en meer flexibiliteit bij multi-material simulaties.
4. Open Ecosysteem: Integratie met externe codes (OpenFOAM, OpenMC) via dedicated bibliotheken, waardoor multiphysics-workflows mogelijk worden zonder de efficiëntie te verliezen.
5. Verificatie en Validatie (V&V): Een dynamische, live V&V-documentatie (Jupyter Book) die samen met de code evolueert, in plaats van statische publicaties.

Resultaten

De prestaties van FESTIM v2.0 zijn getest met een benchmarkcase voor diffusie in een multi-material systeem (2D, 300x300 mesh, 200s simulatie):

• FESTIM v1: Gemiddelde runtime van 1256,4 seconden (gebruikmakend van de oude variabeletransformatie-methode).
• FESTIM v2.0 (Variabeletransformatie): Runtime gedaald naar 113,5 seconden (ongeveer 11x sneller).
• FESTIM v2.0 (Nieuwe methoden):
  • Penalty-methode: 81,1 seconden.
  • Nitsche-methode: 88,1 seconden.
  • Dit komt neer op een snelheidswinst van ongeveer 15x ten opzichte van v1.

Daarnaast toont de "Lid-driven cavity" (LDC) en het "Lithium cube" voorbeeld aan dat de koppeling met OpenFOAM en OpenMC naadloos werkt, waarbij snelheidsvelden en neutronenbronnen correct worden geïntegreerd in de waterstoftransportberekeningen.

Betekenis

FESTIM v2.0 positioneert zich als een veelzijdig en duurzaam platform voor onderzoek naar waterstoftransport in fusiematerialen. De verbeteringen hebben drie grote gevolgen:

1. Engineering-schaal: De drastische prestatieverbetering maakt het mogelijk om hoogwaardige simulaties uit te voeren op engineering-relevante componenten (zoals broeikasdekens) die eerder te rekenintensief waren.
2. Realistische Fysica: De mogelijkheid om multi-species interacties en complexe valkuilmechanismen te modelleren, stelt onderzoekers in staat om realistischer materiaalgedrag en isotoopeffecten te bestuderen onder fusie-omstandigheden.
3. Multiphysics Integratie: Door naadloos te koppelen met gespecialiseerde codes voor vloeistofdynamica en neutronen, kan FESTIM worden ingebed in bredere systeemmodellen voor fusiereactoren, wat essentieel is voor het ontwerp van toekomstige energiecentrales.

De open-source aard, gecombineerd met een robuust test- en documentatieproces, zorgt ervoor dat FESTIM v2.0 een standaardreferentie wordt voor de gemeenschap van fusieonderzoekers.