隨著全球氣候變化的加速，尋找和確保清潔能源成為許多研究人員、組織和政府面臨的一項重大挑戰。
隨著全球氣候變化的加速，尋找和確保清潔能源成為許多研究人員、組織和政府面臨的一項重大挑戰。
英國原子能管理局 (UKAEA) 通過曼徹斯特大學的一個評估項目，一直在測試 NVIDIA Omniverse 模擬 加速全尺寸聚變反應堆的設計和開發的平台，可以在未來幾年為電網提供清潔能源。
在過去的幾十年裡，科學家們已經試驗了產生零碳和低放射性聚變能的方法。 這種技術可以提供幾乎無限的清潔、安全和負擔得起的能源，以滿足世界不斷增長的需求。
聚變是通過原子核結合在一起可以釋放能量的原理。 但由於高能量輸入需求和聚變反應的不可預測行為，聚變能尚未成功規模化生產。
聚變反應為太陽提供動力，巨大的引力使聚變在大約 27 萬華氏度的溫度下自然發生。 但是地球沒有與太陽相同的引力壓力，這意味著產生聚變的溫度需要高得多——超過 180 億度。
為了在地球上複製太陽的能量，研究人員和工程師正在利用數據科學和超大規模計算的最新進展來開發聚變反應堆的設計。 借助 NVIDIA Omniverse，研究人員有可能構建一個功能齊全的 數字雙胞胎 反應堆，有助於確保選擇最有效的設計進行建造。
加速設計、仿真和實時協作
構建一個能夠準確代表所有反應堆組件、等離子體以及控制和維護系統的數字孿生體是一項巨大的挑戰——這一挑戰可以從 AI、百億億級 GPU 計算和物理上精確的模擬軟件中獲益匪淺。
它從聚變反應堆的設計開始，在整個過程中需要大量的部件和大型工程、設計和研究專家團隊的投入。
“有許多不同的組成部分，我們必須考慮許多不同的物理和工程領域，”曼徹斯特大學 UKAEA 核聚變數字工程主席 Lee Margetts 說。 “如果我們對一個系統進行設計更改，這會對其他系統產生連鎖反應。”
來自各個領域的專家參與了該項目。 每個團隊成員使用不同的計算機輔助設計應用程序或模擬工具，專家在一個領域的工作取決於來自不同領域的其他人的數據。
UKAEA 團隊正在探索 Omniverse，以幫助他們在實時仿真環境中協同工作，這樣他們就可以看到整個機器的設計，而不僅僅是單個子組件。
Omniverse 在保持所有這些活動部件同步方面發揮了關鍵作用。 通過使所有工具和應用程序連接起來，Omniverse 允許從事反應堆設計工作的工程師從單一事實來源同時進行協作。
“我們可以看到三位不同的工程師，來自三個不同的地點，在三個不同的包中研究反應堆的三個不同組件，”該項目的研究員穆罕默德奧馬爾說。
Omer 解釋說，在 Omniverse 中進行實驗時，該團隊使用該平台的核心功能導入全保真 3D 數據，在他們的反應堆設計中實現了照片級真實感。 他們還可以使用 RTX 渲染器實時可視化，這讓他們可以輕鬆比較組件的不同設計選項。
聚變等離子體的模擬也是一個挑戰。 這些團隊開發了基於 Python 的 Omniverse Extensions Omniverse 套件 連接工業模擬軟件 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 並從中獲取數據。 這使他們能夠模擬反應堆堆芯中的中子傳輸，這是將能量從反應堆中帶出的原因。 他們還構建了 Omniverse Extensions 來查看 JOREK 等離子體模擬代碼，該代碼模擬可見光發射，讓研究人員深入了解等離子體的狀態。 科學家們將開始探索 NVIDIA Modulus AI 物理框架，以結合他們現有的模擬數據來開發 AI 替代模型，以加速聚變等離子體模擬。
Omniverse 中蒙特卡羅中子學代碼 Geant4 的仿真
使用 AI 優化設計並增強數字孿生
除了幫助設計、操作和控制反應堆外，Omniverse 還可以幫助培訓未來人工智能驅動或人工智能增強的機器人控制和維護系統。 這些對於在反應堆的輻射環境中維持植物是必不可少的。
運用 全能複制器，一個用於構建自定義合成數據生成工具和數據集的軟件開發工具包，研究人員可以生成大量物理上精確的反應堆和等離子體行為合成數據，以訓練機器人系統。 通過在模擬中學習，機器人可以在現實世界中更準確地正確處理任務，改進預測性維護並減少停機時間。
未來，傳感器模型可以將觀察數據實時傳輸到 Omniverse 數字雙胞胎，不斷保持虛擬雙胞胎與反應堆的物理狀態同步。 研究人員將能夠通過在對物理反應堆進行更改之前首先在虛擬孿生中進行測試來探索各種假設場景。
總體而言，Margetts 和 UKAEA 的團隊看到了使用 Omniverse 為聚變反應堆構建數字孿生的許多獨特機會和好處。 Omniverse 提供了一個近實時平台的可能性，研究人員可以使用該平台開發一流的反應堆技術。
該平台還允許工程師在反應堆設計上無縫協作。 團隊可以訪問集成的人工智能工具，使用戶能夠優化未來的發電廠。
“我們對所看到的感到高興。 我們相信它作為數字工程平台具有巨大潛力，”Margetts 說。
了解更多關於 UKAEA 和 英偉達全方位。
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