To support the design of fusion reactors for energy production, there is an urgent need to develop multi-physics software tools capable of modelling critical tokamak components as a single cohesive whole. Although some loosely-coupled physics tools do exist, these lack fidelity and will fundamentally fail to capture any closed-loop feedback effects between separate physics modules. To address this need, we introduce a new open-source code: AURORA: A Unified Resource for OpenMC (fusion) Reactor Applications. Anticipating the need for high-fidelity simulation of complex physics and geometry mandates the need to target high performance computing from the outset. AURORA has been built upon two demonstrably scalable open-source codes: MOOSE for the provision of finite element analysis and OpenMC for Monte Carlo neutron transport. In this application, the heat deposited by neutrons is calculated by OpenMC and tallied upon an unstructured mesh, providing a source term for transient heat conduction and thermal expansion. MOOSE calculates the corresponding change in temperature and density on the same mesh, whereafter local temperature and density regions are defined via binning in these variables. Finally, these regions are updated within OpenMC as new materials having modified nuclear cross sections. The procedure is subsequently iterated until a desired stopping condition is reached. We present some qualitative results as a proof-of-concept demonstration of AURORA. We further demonstrate that there is no measurable degradation in shared-memory performance arising from wrapping OpenMC in a MOOSE application. While AURORA should provide utility as a standalone tool for coupled thermo-mechanical and neutronics analyses, we view it as a first step towards our ultimate goal of having a single suite capable of capturing non-trivial couplings between the many disciplines—encompassing in addition fluid dynamics, electromagnetism, materials science and chemistry—involved in the simulation of a tokamak.
核融合炉設計を支援するため、トカマクの重要構成要素を単一の統合システムとしてモデル化できる多物理ソフトウェアツールの開発が緊急に求められている。緩やかに結合された物理ツールは既に存在するが、それらは忠実度に欠け、個別の物理モジュール間の閉ループフィードバック効果を捉えることは根本的に不可能である。このニーズに応えるため、我々は新しいオープンソースコードを紹介する：AURORA（A Unified Resource for OpenMC (fusion) Reactor Applications）である。複雑な物理と幾何形状の高忠実度シミュレーションへの需要を見据え、当初から高性能計算を前提とした設計が必須である。AURORAは、実証済みの拡張性を備えた2つのオープンソースコードに基づいて構築されている：有限要素解析を提供するMOOSEと、モンテカルロ中性子輸送を提供するOpenMCである。本応用において、中性子によって堆積された熱はOpenMCによって計算され、非構造メッシュ上に集計され、過渡熱伝導と熱膨張のためのソース項を提供する。MOOSEは同じメッシュ上で対応する温度と密度の変化を計算し、その後、局所的な温度・密度領域はこれらの変数のビニングによって定義される。最後に、これらの領域は修正された核断面積を持つ新材料としてOpenMC内で更新される。この手順は、所望の収束条件に達するまで反復される。我々はAURORAの概念実証として定性的な結果を示す。さらに、MOOSEアプリケーションにOpenMCをラッピングすることによる共有メモリ性能の測定可能な低下がないことを実証する。AURORAは熱機械連成解析と中性子輸送解析のためのスタンドアロンツールとして有用であるが、我々はこれを、トカマクのシミュレーションに関わる多岐にわたる分野—さらに流体力学、電磁気学、材料科学、化学を含む—間の非自明な連成を捉えることができる単一のスイートを実現するという最終目標への第一歩と位置づけている。