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

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、組織機構和政府所面臨的一項關鍵挑戰。

為了加速設計并開發一個完整的核聚變發電廠，英國原子能管理局(UKAEA)通過曼徹斯特大學(University of Manchester)的一個評估項目測試NVIDIA Omniverse模擬平臺，該發電廠可在未來為電網提供清潔的電能。

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

核聚變通過原子核的結合來釋放能量。但由于核聚變反應需要巨大的能量輸入并且具有不可預測性，因此目前還無法成功擴大這種能源的生產規模。

太陽依靠核聚變反應來產生能量，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生。但地球并不具備太陽的引力壓力，因此產生核聚變反應所需的溫度遠超太陽，達到 1.8 億華氏度以上。

為了在地球上復制太陽的能量，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核聚變發電廠的設計。研究人員可以使用 NVIDIA Omniverse 打造功能齊全的發電廠的數字孿生，以便選擇最高效的設計進行構建。

加快設計、模擬和實時協作的速度

構建一個能夠準確反映所有發電廠的組件、等離子體以及控制和維護系統的數字孿生是一項巨大的挑戰，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計核聚變發電廠，整個過程需要大量組件以及多支大型工程、設計和研究專家團隊。曼徹斯特大學 UKAEA 核聚變數字工程主任 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和工程學領域。其中一個系統的設計變更將會為其他系統帶來連鎖反應。”

來自不同領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，計算機輔助設計)應用或模擬工具，而且某一領域的專家需要借助其他領域專家的數據來開展工作。

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

Omniverse 對于保持所有這些動態組成部分的同步性至關重要。通過連接所有工具和應用，Omniverse 使從事發電廠設計的工程師能夠使用統一的數據來源同時開展合作。

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據包中處理同一個發電廠的三個不同組件。”

Omer 解釋說，當在 Omniverse 中進行實驗時，團隊使用該平臺的核心功能導入全保真 3D 數據，實現了逼真的發電廠設計。他們還可以通過 RTX 渲染器實現實時可視化，以便輕松比較不同的組件設計方案。

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

為了查看 JOREK 等離子體模擬代碼，他們還構建了 Omniverse 擴展應用。該代碼能夠模擬可見光的發射，使研究者能夠深入了解等離子體的狀態。科學家們將開始探索 NVIDIA Modulus AI 物理學框架，結合他們現有的模擬數據開發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優化設計并改進數字孿生

除了用于設計、操作和控制發電廠之外，Omniverse 還可以用于協助訓練未來由 AI 驅動或 AI 增強的機器人控制和維護系統。在輻射環境中，這些系統將成為維護發電廠的關鍵。

通過 Omniverse Replicator 這套用于構建自定義合成數據生成工具和數據集的軟件開發套件，研究人員可以生成大量物理精確的發電廠和等離子體反應的合成數據來訓練機器人系統。在模擬環境中學習后，機器人可以在真實世界中更加準確地處理任務、改善預測性維護并縮短停機時間。

在未來，傳感器可以向 Omniverse 數字孿生實時傳輸數據，不斷保持虛擬的數字孿生與發電廠的真實狀態同步。通過在虛擬的數字孿生中進行測試并對真實發電廠做出調整，研究人員將能夠探索各種假設情況。

總而言之，Omniverse 為 Margetts 和 UKAEA 團隊的核聚變發電廠數字孿生構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領先的發電廠技術。通過該平臺，工程師還可以在設計發電廠時開展同步協作。同時，團隊可以采用綜合全面的 AI 工具，來優化未來的發電廠。

Margetts 表示：“我們對眼前的一切感到十分高興。作為一個數字工程平臺，Omniverse 蘊含著巨大的潛力。”

原文標題：ISC22 | 科學家在 NVIDIA Omniverse 中構建數字孿生，加快清潔能源研究速度

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審核編輯：湯梓紅