Unterstützung bei der Integration und Anwendung von containmentFOAM im nationalen CFD-Referenzpaket für das Forschungsfeld 'Sicherheitseinschluss' - CF2REF

Abstract

Nach dem Strategiewechsel von ANSYS beschloss der deutsche CFD-Verbund 2017, OpenFOAM® als offene und nachhaltige Grundlage für ein nationales CFD-Referenzpaket in der Reaktorsicherheitsforschung zu etablieren. Parallel dazu wurde am Forschungszentrum Jülich im Rahmen von NUSAFE das OpenFOAM®-basierte Paket containmentFOAM entwickelt, das bislang primär für Forschungsanwendungen mit niedrigem TRL ausgelegt war. Ziel des Vorhabens war es, containmentFOAM gemeinsam mit der GRS zu qualifizieren, in das nationale Referenzpaket zu integrieren und für kerntechnische Genehmigungsverfahren nutzbar zu machen.

Das Projekt ergänzte die NUSAFE-Aktivitäten und konzentrierte sich auf Know-how-Transfer, technische Integration in den CFD-Verbund sowie die langfristige Wartung hochspezialisierter, für die Reaktorsicherheitsforschung spezifischer Modelle. In drei Arbeitspaketen wurden eine kollaborative Entwicklungsumgebung aufgebaut, die Nutzung durch die GRS ermöglicht, externe Modelle integriert sowie Hilfswerkzeuge zur Eingabeerstellung und Simulationsüberwachung weiterentwickelt. Parallel wurden einheitliche Programmier- und Qualitätsstandards, systematische Test- und CI-Strategien etabliert.

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der kontinuierlichen Softwarepflege und der Portierung von containmentFOAM auf die OpenFOAM®-Versionen 9 und 11, die aufgrund tiefgreifender, nicht abwärtskompatibler Änderungen umfangreiche Refaktorierungen, Verifikation und Validierung erforderte. Nutzerfeedback aus vollskaligen Containment-Simulationen wurde gezielt zur Verbesserung von Stabilität und Robustheit der Modelle genutzt. Die Qualitätssicherung erfolgte durch erweiterte Validierungsmatrizen, automatisierte Tests und eine gepflegte Dokumentation.

Mit Projektabschluss liegt containmentFOAM in einer modernisierten, validierten Version als Bestandteil des nationalen CFD-Referenzpakets für den Sicherheitsbehälter von Leichtwasserreaktoren vor. Die internationale Sichtbarkeit wurde durch Anwendungen in EU-Projekten sowie Beiträge zu ONCORE, Fachpublikationen und internationalen Workshops gestärkt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen kann in einem Folgevorhaben die qualitätsgesicherte Weiterentwicklung der CFD-Referenzpakete erfolgen, mit Fokus auf passive Sicherheitssysteme von SMRs, Wasserstoffsicherheit, Gebäudesümpfe und die Kopplung von CFD- mit Systemcodes für komplexe sicherheitstechnische Fragestellungen.

Following ANSYS's change in strategy, the German CFD consortium decided in 2017 to establish OpenFOAM® as an open and sustainable basis for a national CFD reference package in reactor safety research. At the same time, the OpenFOAM®-based package containmentFOAM was developed at Forschungszentrum Jülich as part of NUSAFE, which was primarily designed for research applications with low TRL. The aim of the project was to qualify containmentFOAM in collaboration with GRS, integrate it into the national reference package, and make it usable for nuclear licensing procedures.

The project complemented the NUSAFE activities and focused on know-how transfer, technical integration into the CFD network, and the long-term maintenance of highly specialized models specific to reactor safety research. In three work packages, a collaborative development environment was set up, enabling use by GRS, external models were integrated; and auxiliary tools for input creation and simulation monitoring were further developed. At the same time, uniform programming and quality standards, systematic testing, and CI strategies were established.

Another focus was on continuous software maintenance and porting containmentFOAM to OpenFOAM® versions 9 and 11, which required extensive refactoring, verification, and validation due to profound, non-backward-compatible changes. User feedback from full-scale containment simulations was used specifically to improve the stability and robustness of the models. Quality assurance was ensured through extended validation matrices, automated tests, and well-maintained documentation.

With the completion of the project, containmentFOAM is now available in a modernized, validated version as part of the national CFD reference package for the containment of light water reactors. International visibility was strengthened through applications in EU projects as well as contributions to ONCORE, technical publications, and international workshops. Building on these results, a follow-up project should focus on the quality-assured further development of the CFD reference packages, with a focus on passive safety systems for SMRs, hydrogen safety, building sumps, and the coupling of CFD with system codes for complex safety-related issues.