Coreform Cubitにより、正確なCAD形状を保持したまま重なりを除去し、一つのスクリプト化されたワークフローからDAGMCとExodusのメッシュを出力できました。不確かさを低減し、線量率解析を再現可能にしています。
Son Quan
テネシー大学Neutronics Research Group
背景
G. Ivan Maldonado博士博士が率いるテネシー大学のNeutronics Research Groupは、核融合炉と核分裂炉を対象に、炉物理、炉心燃料管理、放射線遮蔽、燃料サイクル解析、材料科学など幅広い研究を進め、安全性、効率、持続可能性の向上を目指しています。核融合分野では、トカマク型核融合施設の運転後放射能を評価し、線量率とその空間分布を予測しました。これは、作業員が安全に施設へアクセスするための判断、保守計画、施設ライフサイクルを通じた設計最適化に役立ちます。Coreform Cubitで生成した有限要素品質のメッシュは、正確なCAD形状を保持し、放射線輸送解析と崩壊光子の線源サンプリングを安定して行えるため、信頼性と再現性の高い線量率結果につながります。代表的な研究については、 研究グループの出版物.
図1：FNSF核融合装置の正確なCAD表示。部品間のすき間が非常に狭く、正確な形状を保ち、重なりを発生させないワークフローが不可欠であることが分かります。画像提供：Fusion Neutronics Science Facility（FNSF）。
課題
SonicEdgeの設計チームは、空気層を介して複数の薄い振動膜が相互作用するマルチメンブレン・スピーカーをシミュレーションする必要がありました。装置には非常に小さな形状と厳しい公差があり、すべての界面を正確に一致させたソリッド・流体の適合メッシュを作ることが困難でした。正確なシミュレーションには、堅牢でパラメトリックな形状、膜と空気の界面が完全に一致する高品質な適合メッシュ、そして後段のソルバーへ円滑に渡せるマルチフィジックス向けのデータが必要です。界面のわずかな誤差でも数値的不安定や性能予測の低下につながるため、SonicEdgeは、設計変更を素早く反映できる精密で再現性の高いメッシュを生成できるプリプロセス環境を必要としていました。
図2：三角形分割したSTL面では、正確なCADと比べて曲率や肉厚が過大に表現されます。密集したアセンブリでは、こうしたファセット誤差が人工的な重なりを生む可能性があります。（出典： https://en.wikipedia.org/wiki/STL_(file_format) )
線源を正確にサンプリングするには、崩壊光子源を実際に放射化した材料の内部に限定する必要があります。全体を一つのサンプリング領域として扱うと、棄却されるサンプルが過度に増えたり、計算が途中で終了したりすることがあります。そのため本プロジェクトでは、正確なCAD形状を保持し、部品間の重なりを避けながら、放射線輸送計算と崩壊光子線源のサンプリングに適した非構造ボリュームメッシュを、問題規模や不確かさを不必要に増やさず作成できるワークフローが必要でした。
トカマク設計では、多くの部品が互いに非常に近接しています。そのため、三角形分割で形状を過大評価すると部品同士が重なる可能性があります。
図3：同じ装置について、正確なCAD（左）とSTL表現（右）を比較したものです。ファセット化すると曲面部品が厚くなり、干渉が生じることがあります。ワークフロー全体で正確なCADを保持することで、このような誤差を避けられます。
解決策
Coreform Cubitは、形状の忠実度を保ちながらCADから放射線輸送解析までをつなぐ、メッシュ中心の作業環境を提供しました。チームは、正確な形状モデルをDAGMCへ直接出力して輸送解析に使用し、崩壊光子線源のサンプリングにはExodus形式の非構造ボリュームメッシュを生成しました。Cubitの干渉チェックとブーリアン修復により、近接部品の重なりを解消しました。Webcutで形状を論理的な領域に分割し、輸送精度が必要な場所へ局所的に細かいメッシュを配置しました。Pythonによるワークフローでは、各メッシュ部品に材料、崩壊エネルギー、強度を対応付け、放射化したボリュームだけから線源をサンプリングし、空隙は自動的に除外しました。これらにより、重なり領域で失われる粒子を減らし、STL形状を使う場合より不確かさを小さくし、中性子輸送とR2S崩壊光子計算に適したソルバー投入可能なメッシュを得ました。 OpenMCコード.
図4：WebcutでCAD形状を分割し、Coreform Cubitで局所メッシュサイズを設定して、放射線輸送と線源サンプリングの要件に合わせた領域と要素密度を作成した例。
図5：全体サンプリング（左）では大部分のサンプルが空隙に入り、棄却が増えて不安定になります。Exodusメッシュを使ったサンプリング（右）では、正しいエネルギーと強度を持つ線源を放射化材料内部に限定でき、安定した物理的に妥当な線量率分布が得られます。
まとめ
Coreform Cubitは、正確なCAD形状を保持し、重なりを除去し、DAGMCとExodusへの出力を自動化することで、核融合中性子輸送研究に必要な信頼性と再現性の高いメッシュ基盤を提供しました。その結果、CADから放射線輸送、崩壊光子線源のサンプリングまでを一貫してスクリプト化でき、複雑なトカマクシステムの線量率を確信を持って予測できるワークフローになりました。