英國原子能管理局和曼徹斯特大學(xué)正在使用數(shù)字孿生模擬平臺連接分散的設(shè)計團隊，并更加深入地了解核聚變等離子體反應(yīng)。

隨著全球氣候的加速變化，尋找并保護清潔能源已成為許多研究人員、組織機構(gòu)和政府所面臨的一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了加速設(shè)計并開發(fā)一個完整的核聚變發(fā)電廠，英國原子能管理局(UKAEA)通過曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)的一個評估項目測試NVIDIA Omniverse模擬平臺，該發(fā)電廠可在未來為電網(wǎng)提供清潔的電能。

在過去的幾十年里，科學(xué)家們一直在嘗試創(chuàng)造核聚變能源的方法，這種能源不會產(chǎn)生任何碳排放，放射性也很低。該技術(shù)可以提供幾乎無限的清潔、安全和可負(fù)擔(dān)的能源，這將滿足全球日益增長的需求。

核聚變通過原子核的結(jié)合來釋放能量。但由于核聚變反應(yīng)需要巨大的能量輸入并且具有不可預(yù)測性，因此目前還無法成功擴大這種能源的生產(chǎn)規(guī)模。

太陽依靠核聚變反應(yīng)來產(chǎn)生能量，太陽的強大引力壓力使核聚變能夠在華氏 2700 萬度左右的溫度下自然發(fā)生。但地球并不具備太陽的引力壓力，因此產(chǎn)生核聚變反應(yīng)所需的溫度遠(yuǎn)超太陽，達到 1.8 億華氏度以上。

為了在地球上復(fù)制太陽的能量，研究人員和工程師正在利用數(shù)據(jù)科學(xué)和超大規(guī)模計算的最新進展來開發(fā)核聚變發(fā)電廠的設(shè)計。研究人員可以使用 NVIDIA Omniverse 打造功能齊全的發(fā)電廠的數(shù)字孿生，以便選擇最高效的設(shè)計進行構(gòu)建。

加快設(shè)計、模擬和實時協(xié)作的速度

構(gòu)建一個能夠準(zhǔn)確反映所有發(fā)電廠的組件、等離子體以及控制和維護系統(tǒng)的數(shù)字孿生是一項巨大的挑戰(zhàn)，而人工智能(AI)、百萬兆級 GPU 計算和物理精確的模擬軟件可以大幅加快這項工作。

這項工作的第一步是設(shè)計核聚變發(fā)電廠，整個過程需要大量組件以及多支大型工程、設(shè)計和研究專家團隊。曼徹斯特大學(xué) UKAEA 核聚變數(shù)字工程主任 Lee Margetts 表示：“我們需要許多不同的組件，并且必須顧及到多個物理學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域。其中一個系統(tǒng)的設(shè)計變更將會為其他系統(tǒng)帶來連鎖反應(yīng)?！?/p>

來自不同領(lǐng)域的專家參與了該項目。每名團隊成員使用不同的 CAD(computer-aided design，計算機輔助設(shè)計)應(yīng)用或模擬工具，而且某一領(lǐng)域的專家需要借助其他領(lǐng)域?qū)＜业臄?shù)據(jù)來開展工作。

UKAEA 團隊正在使用 Omniverse 幫助他們在實時模擬環(huán)境中開展協(xié)作，因此他們不僅可以看到單個子組件的設(shè)計，也可以看到整個機器的設(shè)計。

Omniverse 對于保持所有這些動態(tài)組成部分的同步性至關(guān)重要。通過連接所有工具和應(yīng)用，Omniverse 使從事發(fā)電廠設(shè)計的工程師能夠使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源同時開展合作。

該項目的研究員 Muhammad Omer 表示：“位于三個不同地點的三名工程師可以在三個不同的數(shù)據(jù)包中處理同一個發(fā)電廠的三個不同組件?！?/p>

Omer 解釋說，當(dāng)在 Omniverse 中進行實驗時，團隊使用該平臺的核心功能導(dǎo)入全保真 3D 數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了逼真的發(fā)電廠設(shè)計。他們還可以通過 RTX 渲染器實現(xiàn)實時可視化，以便輕松比較不同的組件設(shè)計方案。

模擬核聚變等離子體也是一個難題。這些團隊使用 Omniverse Kit 開發(fā)了基于 Python 的 Omniverse 擴展應(yīng)用，連接并采集來自工業(yè)模擬軟件 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 的數(shù)據(jù)，以此模擬發(fā)電廠反應(yīng)堆中的中子遷移(將能量帶出反應(yīng)堆的過程)。

為了查看 JOREK 等離子體模擬代碼，他們還構(gòu)建了 Omniverse 擴展應(yīng)用。該代碼能夠模擬可見光的發(fā)射，使研究者能夠深入了解等離子體的狀態(tài)?？茖W(xué)家們將開始探索 NVIDIA Modulus AI 物理學(xué)框架，結(jié)合他們現(xiàn)有的模擬數(shù)據(jù)開發(fā)出可以對核聚變等離子體模擬進行加速的 AI 代理模型。

Omniverse 中的 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 模擬

使用AI優(yōu)化設(shè)計并改進數(shù)字孿生

除了用于設(shè)計、操作和控制發(fā)電廠之外，Omniverse 還可以用于協(xié)助訓(xùn)練未來由 AI 驅(qū)動或 AI 增強的機器人控制和維護系統(tǒng)。在輻射環(huán)境中，這些系統(tǒng)將成為維護發(fā)電廠的關(guān)鍵。

通過 Omniverse Replicator 這套用于構(gòu)建自定義合成數(shù)據(jù)生成工具和數(shù)據(jù)集的軟件開發(fā)套件，研究人員可以生成大量物理精確的發(fā)電廠和等離子體反應(yīng)的合成數(shù)據(jù)來訓(xùn)練機器人系統(tǒng)。在模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)后，機器人可以在真實世界中更加準(zhǔn)確地處理任務(wù)、改善預(yù)測性維護并縮短停機時間。

在未來，傳感器可以向 Omniverse 數(shù)字孿生實時傳輸數(shù)據(jù)，不斷保持虛擬的數(shù)字孿生與發(fā)電廠的真實狀態(tài)同步。通過在虛擬的數(shù)字孿生中進行測試并對真實發(fā)電廠做出調(diào)整，研究人員將能夠探索各種假設(shè)情況。

總而言之，Omniverse 為 Margetts 和 UKAEA 團隊的核聚變發(fā)電廠數(shù)字孿生構(gòu)建工作帶來了許多獨一無二的可能性與便利。Omniverse 提供了一個實時平臺，研究人員可以用它來開發(fā)領(lǐng)先的發(fā)電廠技術(shù)。通過該平臺，工程師還可以在設(shè)計發(fā)電廠時開展同步協(xié)作。同時，團隊可以采用綜合全面的 AI 工具，來優(yōu)化未來的發(fā)電廠。

Margetts 表示：“我們對眼前的一切感到十分高興。作為一個數(shù)字工程平臺，Omniverse 蘊含著巨大的潛力?！?/p>

原文標(biāo)題：ISC22 | 科學(xué)家在 NVIDIA Omniverse 中構(gòu)建數(shù)字孿生，加快清潔能源研究速度

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審核編輯：湯梓紅