Управление по атомной энергии Великобритании и Манчестерский университет используют платформу моделирования цифровых двойников для объединения распределенных проектных групп и получения более глубокого понимания поведения термоядерной плазмы.
https://blogs.nvidia.com/blog/2022/05/30/ukaea-digital-twins-omniverse/
Управление по атомной энергии Великобритании (UKAEA) в рамках оценочного проекта в Манчестерском университете тестирует платформу моделирования NVIDIA Omniverse , чтобы ускорить проектирование и разработку полномасштабной термоядерной электростанции, которая могла бы подавать чистую энергию в сеть в ближайшие годы.
За последние несколько десятилетий ученые экспериментировали со способами создания термоядерной энергии, которая производит нулевой углерод и низкую радиоактивность. Такая технология может обеспечить практически безграничную чистую, безопасную и доступную энергию для удовлетворения растущего мирового спроса.
Термоядерный синтез — это принцип, согласно которому энергия может высвобождаться при объединении атомных ядер. Но энергия синтеза еще не была успешно масштабирована для производства из-за высоких потребностей в энергии и непредсказуемого поведения реакции синтеза.
Реакция синтеза питает Солнце, где огромное гравитационное давление позволяет синтезу происходить естественным образом при температуре около 27 миллионов градусов по Фаренгейту. Но у Земли не такое гравитационное давление, как у Солнца, а это означает, что температура для осуществления синтеза должна быть намного выше — выше 180 миллионов градусов.
Чтобы воспроизвести энергию Солнца на Земле, исследователи и инженеры используют последние достижения в области науки о данных и экстремальных вычислений для разработки конструкций термоядерных силовых установок. С помощью NVIDIA Omniverse исследователи потенциально могут создать полностью функционирующий цифровой двойник силовой установки, что поможет обеспечить выбор наиболее эффективных конструкций для строительства.
Ускорение проектирования, моделирования и совместной работы в реальном времени
Создание цифрового двойника, точно представляющего все компоненты силовой установки, плазменную систему, а также системы управления и технического обслуживания, является серьезной задачей, решение которой может значительно выиграть от ИИ, экзафлопсных вычислений на графическом процессоре и физически точного программного обеспечения для моделирования.
Он начинается с проектирования термоядерной силовой установки, которая требует большого количества деталей и вклада от больших групп инженеров, дизайнеров и экспертов-исследователей на протяжении всего процесса. «Существует много разных компонентов, и мы должны учитывать множество различных областей физики и техники», — сказал Ли Маргеттс ( Lee Margetts ), заведующий кафедрой цифровой инженерии для ядерного синтеза UKAEA в Манчестерском университете. «Если мы внесем изменения в конструкцию одной системы, это окажет эффект домино на другие системы».
В проекте участвуют специалисты из разных областей. Каждый член команды использует разные приложения для автоматизированного проектирования или инструменты моделирования, и работа эксперта в одной области зависит от данных, полученных от других, работающих в других областях.
Команда UKAEA исследует Omniverse, чтобы помочь им работать вместе в среде моделирования в реальном времени, чтобы они могли видеть конструкцию всей машины, а не только отдельных ее компонентов.
Omniverse очень важно синхронизировать все эти движущиеся части. Обеспечивая подключение всех инструментов и приложений, Omniverse позволяет инженерам, работающим над проектированием силовой установки, одновременно сотрудничать из единого источника достоверной информации.
«Мы видим трех разных инженеров из трех разных мест, работающих над тремя разными компонентами силовой установки в трех разных пакетах», — сказал Мухаммед Омер ( Muhammad Omer ), исследователь проекта.
Омер объяснил, что, экспериментируя с Omniverse, команда достигла фотореализма в своих конструкциях силовых установок, используя основные возможности платформы для импорта полноценных 3D-данных. Они также могли визуализировать в режиме реального времени с помощью RTX Renderer, что упростило им сравнение различных вариантов конструкции компонентов.
Моделирование термоядерной плазмы также является сложной задачей. Команды разработали Omniverse Extensions на основе Python с помощью Omniverse Kit для подключения и получения данных из отраслевого программного обеспечения для моделирования Monte Carlo Neutronics Code Geant4. Это позволяет им моделировать перенос нейтронов в активной зоне силовой установки, который выводит энергию из силовой установки.
Они также создали Omniverse Extensions для просмотра кода моделирования плазмы JOREK, который имитирует излучение видимого света, что дает исследователям представление о состоянии плазмы. Ученые приступят к изучению инфраструктуры искусственного интеллекта NVIDIA Modulus для использования с существующими данными моделирования для разработки суррогатных моделей искусственного интеллекта для ускорения моделирования термоядерной плазмы.
Использование ИИ для оптимизации проектов и улучшения цифровых двойников
Помимо помощи в проектировании, эксплуатации и управлении силовой установкой, Omniverse может помочь в обучении будущих роботизированных систем управления и обслуживания, управляемых ИИ или дополненных ИИ. Они будут необходимы для поддержания установок в радиационном окружении силовой установки.
Используя Omniverse Replicator , набор для разработки программного обеспечения для создания пользовательских инструментов и наборов данных для генерации синтетических данных, исследователи могут создавать большие объемы физически точных синтетических данных о поведении силовой установки и плазмы для обучения роботизированных систем. Обучаясь в моделировании, роботы могут более точно выполнять задачи в реальном мире, улучшая профилактическое обслуживание и сокращая время простоя.
В будущем модели датчиков смогут транслировать данные наблюдения в Omniverse Digital Twin, постоянно поддерживая виртуальный двойник синхронизироваться с физическим состоянием силовой установки. Исследователи смогут изучить различные гипотетические сценарии, сначала протестировав виртуальный двойник, прежде чем вносить изменения в физическую силовую установку.
В целом Маргеттс и команда UKAEA увидели много уникальных возможностей и преимуществ в использовании Omniverse для создания цифровых двойников для термоядерных силовых установок. Omniverse предоставляет возможность платформы реального времени, которую исследователи могут использовать для разработки первой в своем роде технологии силовой установки. Платформа также позволяет инженерам беспрепятственно работать вместе над проектами силовых установок. И команды могут получить доступ к интегрированным инструментам искусственного интеллекта, которые позволят пользователям оптимизировать будущие электростанции.