Publications Repository - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Aufgrund der wachsenden Bedeutung von Computational Fluid Dynamics (CFD) für die Reaktorsicherheitsforschung gibt es schon seit vielen Jahren Aktivitäten mit dem Ziel einer entsprechenden Qualifizierung der verfügbaren CFD-Methoden. Das umfasst sowohl die Modellentwicklung als auch die Validierung anhand detaillierter experimenteller Daten, welche in umfangreichen Vorhaben generiert wurden. Entwicklungsbedarf gab und gibt es dabei u. a. für Mehrphasenströmungen, hier insbesondere für Störfallszenarien im Primärkreislauf. Damit die in verschiedenen öffentlich geförderten Vorhaben durchgeführten Modellentwicklungen und geschaffenen Kompetenzen von langfristigem Nutzen sind, empfiehlt sich der konsequente Einsatz eines Referenzcodes, welcher kontinuierlich für entsprechende Anwendungen qualifiziert wird.
Ein für die numerische Simulation von Strömungen sehr beliebtes und erfolgreiches Werkzeug ist die quelloffene Software der OpenFOAM Foundation, welche in der kerntechnischen Gemeinschaft bereits breite Anwendung findet. Insbesondere für Forschungsgruppen die keine reine Eigenentwicklung leisten können oder anstreben, gewährt sie eine optimale Basis, um eigene Modelle, Ideen und Konzepte in einer transparenten Umgebung effizient testen zu können. Unter anderem aus diesen Gründen hat sich der deutsche CFD-Verbund, eine nationale Vereinigung von Institutionen die CFD-Verfahren für die Reaktorsicherheitsforschung einsetzen, auf den Einsatz der Software der OpenFOAM Foundation als Referenzcode geeinigt. Softwareerweiterungen und Setups müssen jedoch gepflegt werden, um diese mit dem jeweils aktuellen Stand der Hauptversion kompatibel zu halten. Als agil entwickelte und intensiv gewartete Software stellt die Software der OpenFOAM Foundation in dieser Hinsicht besondere Anforderungen an die nachgelagerten Entwickler und Nutzer. Das Forschungsvorhaben möglichst nahtlos aneinander anknüpfen können setzt eine fortwährende Pflege und Aktualisierung der entwickelten Software voraus, einschließlich der passend dazu aufgesetzten Simulationssetups. Vor dem Hintergrund des Kompetenzerhalts erlangt die damit verbundene Arbeit umso größere Bedeutung.
Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz geförderten Projektes entwickelt das Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf e.V. (HZDR) eine moderne IT-Umgebung (https://hzdr.de/nusar-rcs), welche das Ziel verfolgt, Software und Simulationsmodelle von verschiedenen Partnerinstitutionen mit Bezug zum Reaktorkühlkreislauf zusammenzuführen und nachhaltig zu pflegen. Die Umgebung zeichnet sich durch einen hohen Automatisierungsgrad aus und bietet ihren Anwendern eine nützliche Plattform für die Erforschung von numerischen Methoden und Modellen. Rückgrat der Arbeiten ist die über die Helmholtz Cloud bereitgestellte GitLab-Instanz (Helmholtz Codebase). Darin werden zwei Repositorien gepflegt: Eines für die Codeerweiterung und eines für Setups zur Simulation konkreter Anwendungen. Zur Sicherung der Qualität und Funktionalität wird die Arbeit in der GitLab-Umgebung von Continuous-Integration-Pipelines (CI) begleitet, in deren Rahmen unter anderem statische Code-Checks, Build-Tests und Testläufe automatisiert vorgenommen werden. Für die Verwendung in CI-Pipelines sowie die lokale Entwicklung der Erweiterung wird die Installation als Container (Docker) bereitgestellt. Reine Anwender können auf die Installation per Debian-Paket zurückgreifen. Die Verwendung des Workflowmanagementsystems Snakemake ermöglicht skalierbare Validierungsläufe. Um die Portierbarkeit der Entwicklungen zu verbessern konzentrieren sich jüngere Arbeiten auf die Bereitstellung der Software als HPC-Container (Apptainer) für die Anwendung auf Hochleistungsrechnern. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die zuvor genannten Elemente der Umgebung und deren Zusammenspiel.

Die Arbeiten werden im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojekts durchgeführt, das vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz unter der Projektnummer 1501658 gefördert wird.