À medida que a mudança climática global acelera, encontrar e garantir energia limpa é um desafio crucial para muitos pesquisadores, organizações e governos.
A Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA), por meio de um projeto de avaliação da Universidade de Manchester, vem testando o Simulação NVIDIA Omniverse plataforma para acelerar o projeto e desenvolvimento de um reator de fusão em grande escala que poderia colocar energia limpa na rede nos próximos anos.
Nas últimas décadas, os cientistas experimentaram maneiras de criar energia de fusão, que produz carbono zero e baixa radioatividade. Essa tecnologia poderia fornecer energia limpa, segura e acessível praticamente ilimitada para atender à crescente demanda mundial.
A fusão é o princípio de que a energia pode ser liberada pela combinação de núcleos atômicos. Mas a energia de fusão ainda não foi dimensionada com sucesso para produção devido às altas necessidades de entrada de energia e ao comportamento imprevisível da reação de fusão.
A reação de fusão alimenta o sol, onde enormes pressões gravitacionais permitem que a fusão ocorra naturalmente a temperaturas em torno de 27 milhões de graus Fahrenheit. Mas a Terra não tem a mesma pressão gravitacional do Sol, e isso significa que as temperaturas para produzir a fusão precisam ser muito mais altas – acima de 180 milhões de graus.
Para replicar a energia do Sol na Terra, pesquisadores e engenheiros estão utilizando os mais recentes avanços em ciência de dados e computação de escala extrema para desenvolver projetos de reatores de fusão. Com o NVIDIA Omniverse, os pesquisadores podem potencialmente construir um gêmeo digital totalmente funcional de um reator, ajudando a garantir que os projetos mais eficientes sejam selecionados para construção.
Acelerando o design, a simulação e a colaboração em tempo real
Construir um gêmeo digital que represente com precisão todos os componentes do reator, o plasma e os sistemas de controle e manutenção é um enorme desafio - que pode se beneficiar muito da IA, da computação de GPU em escala exa e do software de simulação fisicamente preciso.
Começa com o projeto de um reator de fusão, que requer um grande número de peças e insumos de grandes equipes de especialistas em engenharia, design e pesquisa durante todo o processo.
“Existem muitos componentes diferentes e temos que levar em consideração muitas áreas diferentes da física e da engenharia”, disse Lee Margetts, presidente da UKAEA de engenharia digital para fusão nuclear na Universidade de Manchester. “Se fizermos uma mudança de design em um sistema, isso terá um efeito indireto em outros sistemas.”
Especialistas de vários domínios estão envolvidos no projeto. Cada membro da equipe usa diferentes aplicativos de projeto auxiliado por computador ou ferramentas de simulação, e o trabalho de um especialista em um domínio depende dos dados de outros que trabalham em diferentes domínios.
A equipe da UKAEA está explorando o Omniverse para ajudá-los a trabalhar juntos em um ambiente de simulação em tempo real, para que possam ver o design de toda a máquina em vez de apenas subcomponentes individuais.
Omniverse tem sido fundamental para manter todas essas partes móveis em sincronia. Ao permitir que todas as ferramentas e aplicativos se conectem, o Omniverse permite que os engenheiros que trabalham no projeto do reator colaborem simultaneamente a partir de uma única fonte confiável.
“Podemos ver três engenheiros diferentes, de três locais diferentes, trabalhando em três componentes diferentes de um reator em três pacotes diferentes”, disse Muhammad Omer, pesquisador do projeto.
Omer explicou que, ao fazer experiências no Omniverse, a equipe alcançou o fotorrealismo em seus projetos de reator usando as principais habilidades da plataforma para importar dados 3D de fidelidade total. Eles também puderam visualizar em tempo real com o RTX Renderer, o que facilitou a comparação de diferentes opções de design para componentes.
A simulação do plasma de fusão também representa um desafio. As equipes desenvolveram extensões do Omniverse baseadas em Python com o Omniverse Kit para conectar e importar dados do software de simulação industrial Geant4, um código de neutrônica de Monte Carlo. Isso permite simular o transporte de nêutrons no núcleo do reator, responsável por transportar a energia para fora do reator. Eles também criaram extensões do Omniverse para visualizar o código de simulação de plasma JOREK, que simula emissões de luz visível, fornecendo aos pesquisadores informações sobre o estado do plasma. Os cientistas começarão a explorar a estrutura de IA-física NVIDIA Modulus para usar com seus dados de simulação existentes, a fim de desenvolver modelos substitutos de IA para acelerar as simulações do plasma de fusão.
Simulação do Monte Carlo Neutronics Code Geant4 no Omniverse
Usando IA para otimizar designs e aprimorar gêmeos digitais
Além de ajudar a projetar, operar e controlar o reator, a Omniverse pode ajudar no treinamento de futuros sistemas robóticos de controle e manutenção orientados por IA ou IA aumentada. Estes serão essenciais para manter as plantas no ambiente de radiação do reator.
Utilizando o Omniverse Replicator , um kit de desenvolvimento de software para a criação de ferramentas e conjuntos de dados sintéticos personalizados, os pesquisadores podem gerar grandes quantidades de dados sintéticos fisicamente precisos sobre o comportamento do reator e do plasma para treinar sistemas robóticos. Ao aprenderem em simulação, os robôs podem executar tarefas com maior precisão no mundo real, melhorando a manutenção preditiva e reduzindo o tempo de inatividade.
No futuro, os modelos de sensores poderão transmitir dados de observação ao vivo para o gêmeo digital Omniverse, mantendo constantemente o gêmeo virtual sincronizado com o estado físico do reator. Os pesquisadores poderão explorar vários cenários hipotéticos testando primeiro o gêmeo virtual antes de implantar alterações no reator físico.
No geral, Margetts e a equipe da UKAEA viram muitas oportunidades e benefícios únicos no uso do Omniverse para construir gêmeos digitais para reatores de fusão. O Omniverse oferece a possibilidade de uma plataforma quase em tempo real que os pesquisadores podem usar para desenvolver a primeira tecnologia de reator.
A plataforma também permite que os engenheiros trabalhem juntos em projetos de reatores. E as equipes podem acessar ferramentas de IA integradas que permitirão aos usuários otimizar futuras usinas de energia.
“Estamos encantados com o que vimos. Acreditamos que ela tem um grande potencial como plataforma para engenharia digital”, disse Margetts.
Saiba mais sobre a UKAEA e o NVIDIA Omniverse.
Amazon