随着全球气候变化的加速，寻找和确保清洁能源成为许多研究人员、组织和政府面临的一项重大挑战。
随着全球气候变化的加速，寻找和确保清洁能源成为许多研究人员、组织和政府面临的一项重大挑战。
英国原子能管理局 (UKAEA) 通过曼彻斯特大学的一个评估项目，一直在测试 NVIDIA Omniverse 模拟 加速全尺寸聚变反应堆的设计和开发的平台，可以在未来几年为电网提供清洁能源。
在过去的几十年里，科学家们已经试验了产生零碳和低放射性聚变能的方法。 这种技术可以提供几乎无限的清洁、安全和负担得起的能源，以满足世界不断增长的需求。
聚变是通过原子核结合在一起可以释放能量的原理。 但由于高能量输入需求和聚变反应的不可预测行为，聚变能尚未成功规模化生产。
聚变反应为太阳提供动力，巨大的引力使聚变在大约 27 万华氏度的温度下自然发生。 但是地球没有与太阳相同的引力压力，这意味着产生聚变的温度需要高得多——超过 180 亿度。
为了在地球上复制太阳的能量，研究人员和工程师正在利用数据科学和超大规模计算的最新进展来开发聚变反应堆的设计。 借助 NVIDIA Omniverse，研究人员有可能构建一个功能齐全的 数字双胞胎 反应堆，有助于确保选择最有效的设计进行建造。
加速设计、仿真和实时协作
构建一个能够准确代表所有反应堆组件、等离子体以及控制和维护系统的数字孪生体是一项巨大的挑战——这一挑战可以从 AI、百亿亿级 GPU 计算和物理上精确的模拟软件中获益匪浅。
它从聚变反应堆的设计开始，整个过程需要大量的部件和大型工程、设计和研究专家团队的投入。
“有许多不同的组成部分，我们必须考虑许多不同的物理和工程领域，”曼彻斯特大学 UKAEA 核聚变数字工程主席 Lee Margetts 说。 “如果我们对一个系统进行设计更改，这会对其他系统产生连锁反应。”
来自各个领域的专家参与了该项目。 每个团队成员使用不同的计算机辅助设计应用程序或模拟工具，专家在一个领域的工作取决于来自不同领域的其他人的数据。
UKAEA 团队正在探索 Omniverse，以帮助他们在实时仿真环境中协同工作，这样他们就可以看到整个机器的设计，而不仅仅是单个子组件。
Omniverse 在保持所有这些活动部件同步方面发挥了关键作用。 通过使所有工具和应用程序连接起来，Omniverse 允许从事反应堆设计工作的工程师从单一事实来源同时进行协作。
“我们可以看到三位不同的工程师，来自三个不同的地点，在三个不同的包中研究反应堆的三个不同组件，”该项目的研究员穆罕默德奥马尔说。
Omer 解释说，在 Omniverse 中进行实验时，该团队使用该平台的核心功能导入全保真 3D 数据，在他们的反应堆设计中实现了照片级真实感。 他们还可以使用 RTX 渲染器实时可视化，这让他们可以轻松比较组件的不同设计选项。
聚变等离子体的模拟也是一个挑战。 这些团队开发了基于 Python 的 Omniverse Extensions Omniverse 套件 连接工业模拟软件 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 并从中获取数据。 这使他们能够模拟反应堆堆芯中的中子传输，这是将能量从反应堆中带出的原因。 他们还构建了 Omniverse Extensions 来查看 JOREK 等离子体模拟代码，该代码模拟可见光发射，让研究人员深入了解等离子体的状态。 科学家们将开始探索 NVIDIA Modulus AI 物理框架，以结合他们现有的模拟数据来开发 AI 替代模型，以加速聚变等离子体模拟。
Omniverse 中蒙特卡罗中子学代码 Geant4 的仿真
使用 AI 优化设计并增强数字孪生
除了帮助设计、操作和控制反应堆外，Omniverse 还可以帮助培训未来人工智能驱动或人工智能增强的机器人控制和维护系统。 这些对于在反应堆的辐射环境中维持植物是必不可少的。
运用 全能复制器，一个用于构建自定义合成数据生成工具和数据集的软件开发工具包，研究人员可以生成大量物理上准确的反应堆和等离子体行为合成数据，以训练机器人系统。 通过在模拟中学习，机器人可以在现实世界中更准确地正确处理任务，改进预测性维护并减少停机时间。
未来，传感器模型可以将观察数据实时传输到 Omniverse 数字双胞胎，不断保持虚拟双胞胎与反应堆的物理状态同步。 研究人员将能够通过在对物理反应堆进行更改之前首先在虚拟孪生中进行测试来探索各种假设场景。
总体而言，Margetts 和 UKAEA 的团队看到了使用 Omniverse 为聚变反应堆构建数字孪生的许多独特机会和好处。 Omniverse 提供了一个近实时平台的可能性，研究人员可以使用该平台开发一流的反应堆技术。
该平台还允许工程师在反应堆设计上无缝协作。 团队可以访问集成的人工智能工具，使用户能够优化未来的发电厂。
“我们对所看到的感到高兴。 我们相信它作为数字工程平台具有巨大潜力，”Margetts 说。
了解更多关于 UKAEA 和 英伟达全方位。
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