A medida que se acelera el cambio climático global, encontrar y asegurar energía limpia es un desafío crucial para muchos investigadores, organizaciones y gobiernos.
La Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA), a través de un proyecto de evaluación en la Universidad de Manchester, ha estado probando el Simulación de NVIDIA Omniverse plataforma para acelerar el diseño y desarrollo de un reactor de fusión a gran escala que podría poner energía limpia en la red en los próximos años.
Durante las últimas décadas, los científicos han experimentado con formas de crear energía de fusión, que produce cero carbono y baja radiactividad. Dicha tecnología podría proporcionar energía limpia, segura y asequible prácticamente ilimitada para satisfacer la creciente demanda mundial.
La fusión es el principio de que se puede liberar energía al combinar núcleos atómicos. Pero la energía de fusión aún no se ha escalado con éxito para la producción debido a las altas necesidades de entrada de energía y al comportamiento impredecible de la reacción de fusión.
La reacción de fusión alimenta al sol, donde las presiones gravitatorias masivas permiten que la fusión ocurra naturalmente a temperaturas de alrededor de 27 millones de grados Fahrenheit. Pero la Tierra no tiene la misma presión gravitatoria que el sol, y esto significa que las temperaturas para producir la fusión deben ser mucho más altas, por encima de los 180 millones de grados.
Para replicar la energía del sol en la Tierra, investigadores e ingenieros están utilizando los últimos avances en ciencia de datos y computación a gran escala para desarrollar diseños de reactores de fusión. Con NVIDIA Omniverse, los investigadores podrían construir un gemelo digital completamente funcional de un reactor, lo que ayudaría a garantizar que se seleccionen los diseños más eficientes para su construcción.
Aceleración del diseño, la simulación y la colaboración en tiempo real
Construir un gemelo digital que represente con precisión todos los componentes del reactor, el plasma y los sistemas de control y mantenimiento es un gran desafío, uno que puede beneficiarse enormemente de la IA, la computación de GPU a exaescala y el software de simulación físicamente preciso.
Comienza con el diseño de un reactor de fusión, que requiere una gran cantidad de piezas e insumos de grandes equipos de expertos en ingeniería, diseño e investigación durante todo el proceso.
"Hay muchos componentes diferentes, y tenemos que tener en cuenta muchas áreas diferentes de la física y la ingeniería", dijo Lee Margetts, presidente de ingeniería digital para fusión nuclear de UKAEA en la Universidad de Manchester. “Si hacemos un cambio de diseño en un sistema, esto tiene un efecto en cadena en otros sistemas”.
Expertos de varios dominios están involucrados en el proyecto. Cada miembro del equipo utiliza diferentes aplicaciones de diseño asistido por computadora o herramientas de simulación, y el trabajo de un experto en un dominio depende de los datos de otros que trabajan en diferentes dominios.
El equipo de UKAEA está explorando Omniverse para ayudarlos a trabajar juntos en un entorno de simulación en tiempo real, para que puedan ver el diseño de toda la máquina en lugar de solo los subcomponentes individuales.
Omniverse ha sido fundamental para mantener sincronizadas todas estas partes móviles. Al permitir que todas las herramientas y aplicaciones se conecten, Omniverse permite que los ingenieros que trabajan en el diseño del reactor colaboren simultáneamente desde una única fuente de información.
“Podemos ver a tres ingenieros diferentes, desde tres ubicaciones diferentes, trabajando en tres componentes diferentes de un reactor en tres paquetes diferentes”, dijo Muhammad Omer, investigador del proyecto.
Omer explicó que al experimentar en Omniverse, el equipo logró el fotorrealismo en los diseños de sus reactores utilizando las capacidades centrales de la plataforma para importar datos 3D de alta fidelidad. También pudieron visualizar en tiempo real con RTX Renderer, lo que les facilitó comparar diferentes opciones de diseño para componentes.
La simulación del plasma de fusión también representa un desafío. Los equipos desarrollaron extensiones de Omniverse basadas en Python con Omniverse Kit para conectar e incorporar datos del software de simulación industrial Monte Carlo Neutronics Code Geant4. Esto les permite simular el transporte de neutrones en el núcleo del reactor, que es el que transporta la energía fuera del reactor. También crearon extensiones de Omniverse para visualizar el código de simulación de plasma JOREK, que simula las emisiones de luz visible, lo que proporciona a los investigadores información sobre el estado del plasma. Los científicos comenzarán a explorar el marco de física de IA NVIDIA Modulus para utilizarlo con sus datos de simulación existentes y desarrollar modelos sustitutos de IA que aceleren las simulaciones del plasma de fusión.
Simulación de Monte Carlo Neutronics Code Geant4 en Omniverse
Uso de IA para optimizar diseños y mejorar gemelos digitales
Además de ayudar a diseñar, operar y controlar el reactor, Omniverse puede ayudar en la capacitación de futuros sistemas de control y mantenimiento robóticos impulsados por IA o aumentados por IA. Estos serán esenciales para el mantenimiento de las plantas en el entorno de radiación del reactor.
Mediante Omniverse Replicator , un kit de desarrollo de software para crear herramientas y conjuntos de datos sintéticos personalizados, los investigadores pueden generar grandes cantidades de datos sintéticos físicamente precisos sobre el comportamiento del reactor y el plasma para entrenar sistemas robóticos. Al aprender mediante simulación, los robots pueden realizar tareas con mayor precisión en el mundo real, lo que mejora el mantenimiento predictivo y reduce el tiempo de inactividad.
En el futuro, los modelos de sensores podrían transmitir datos de observación en vivo al gemelo digital Omniverse, manteniendo constantemente el gemelo virtual sincronizado con el estado físico del reactor. Los investigadores podrán explorar varios escenarios hipotéticos probando primero en el gemelo virtual antes de implementar cambios en el reactor físico.
En general, Margetts y el equipo de UKAEA vieron muchas oportunidades y beneficios únicos en el uso de Omniverse para construir gemelos digitales para reactores de fusión. Omniverse ofrece la posibilidad de una plataforma casi en tiempo real que los investigadores pueden usar para desarrollar la primera tecnología de reactores en su tipo.
La plataforma también permite a los ingenieros trabajar juntos sin problemas en los diseños de reactores. Y los equipos pueden acceder a herramientas de IA integradas que permitirán a los usuarios optimizar futuras plantas de energía.
“Estamos encantados con lo que hemos visto. Creemos que tiene un gran potencial como plataforma para la ingeniería digital”, dijo Margetts.
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