- يهدف مشروع جديد تدعمه وزارة الطاقة الأمريكية إلى التنبؤ بسلوك البلازما داخل مفاعل الاندماج.
- سيتم ربط التوأم الرقمي بجهاز SPARC الفعلي لتحسين دقة التنبؤ.
- سيستخدم المشروع أيضًا نماذج بديلة لتسريع عملية الحساب.
- يحتاج الباحثون إلى التحقق من دقة التنبؤات في ظروف التشغيل الفعلية.
يهدف مشروع جديد تدعمه وزارة الطاقة الأمريكية إلى استخدام نسخة رقمية لجهاز SPARC التابع لشركة Commonwealth Fusion Systems (CFS) للتنبؤ بسلوك البلازما داخل مفاعل الاندماج في أقل من 20 دقيقة. تقود المشروع شركة أمريكية متخصصة في طاقة الاندماج، ويشارك فيه باحثون من أربعة مختبرات وطنية تابعة للوزارة، بالإضافة إلى NVIDIA و Google DeepMind وعدد من الجامعات. سيطور المشروع توأمًا رقميًا للتنبؤ بتشغيل SPARC من خلال المحاكاة الفيزيائية والبيانات التجريبية والحوسبة المتقدمة.
تُعد هذه المبادرة جزءًا من مهمة Genesis التابعة للوزارة، التي أعلنت في 8 أكتوبر عن جوائز مرحلتها الثانية.
آلية عمل التوأم الرقمي
سيوفر مختبر برينستون لفيزياء البلازما (Princeton Plasma Physics Laboratory، PPPL) برمجيات المحاكاة والبيانات التجريبية والموارد الحاسوبية للمشروع. وعلى عكس عمليات المحاكاة التقليدية، سيرتبط التوأم الرقمي المخطط به بجهاز SPARC الفعلي الذي لا يزال قيد الإنشاء. ومع الحصول على البيانات التجريبية، يعتزم الباحثون تحديث النموذج الافتراضي لتحسين دقة تنبؤاته وتوجيه التجارب المستقبلية.
يُعد SPARC نوعًا من التوكمك (tokamak)، يستخدم مجالات مغناطيسية قوية لحصر البلازما فائقة الحرارة. يجب على الباحثين فهم سلوك البلازما في ظروف تشغيلية مختلفة لتحسين أداء المفاعل. يهدف التوأم الرقمي إلى التنبؤ بنبضة بلازما كاملة، أو دورة تشغيل تجريبية واحدة، خلال 20 دقيقة. سيمكن ذلك العلماء من تحليل النتائج والاستعداد لإجراء تعديلات بين التجارب المتتالية. سيوفر PPPL ثلاثة أكواد محاكاة فيزيائية راسخة: M3D-C1 و TRANSP و XGC.
تحاكي هذه الأدوات جوانب مختلفة من سلوك البلازما، وستُدمج مع برمجيات أخرى لتوليد التنبؤات.
سيستخدم المشروع أيضًا نماذج حسابية أسرع تم تدريبها على مجموعات بيانات محاكاة كبيرة. تُعرف هذه النماذج بالنماذج البديلة، وهي قادرة على تقريب نتائج حسابات أكثر تعقيدًا مع الحاجة إلى وقت حسابي أقل. وقال مايكل تشرشل (Michael Churchill)، رئيس مجموعة علم الذكاء الاصطناعي في PPPL: "سيضطلع PPPL بدور محوري في هذا المشروع، مساهمًا بالهندسة البرمجية الأساسية ونماذج SI والنماذج الفيزيائية الأساسية وبيانات التوكمك التاريخية وموارد الحوسبة عالية الأداء". إن وقت الاستجابة المخطط له البالغ 20 دقيقة هو هدف تطويري، وليس نتيجة أداء مثبتة.
لا يزال الباحثون بحاجة إلى التحقق من دقة التنبؤات في ظروف التشغيل الفعلية.
قبل تطبيق التقنية على SPARC، سيختبر الباحثون سير عمل التوأم الرقمي ويحققون من صحته باستخدام تجربة التوكمك الكروي الوطنية المحدثة (NSTX-U) التابعة لـ PPPL. ستمكن هذه المنصة التجريبية العلماء من تقييم دقة نماذجهم في إعادة إنتاج سلوك البلازما، وما إذا كان يمكنها دعم عملية اتخاذ القرار في تجارب الاندماج بشكل موثوق. ستساعد بيانات NSTX-U وتجارب PPPL المبكرة أيضًا في تدريب هذه النماذج وتقييمها. وستُتاح بعض مجموعات البيانات هذه لمجتمع أبحاث الاندماج الأوسع.
الشركاء والأهداف طويلة المدى
بالإضافة إلى PPPL، يشمل التعاون مختبر أوك ريدج الوطني، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني، ومختبر SLAC الوطني للمسرعات. كما سيشارك معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة كارنيجي ميلون، وشركة جنرال أتوميكس (General Atomics)، و NVIDIA، و Google DeepMind، و Synopsys. يبني المشروع على أعمال تطوير التوأم الرقمي الحالية في CFS، موسعًا إياها من خلال أبحاث وشراكات تدعمها الوزارة. يتمثل هدفه طويل المدى في دعم ARC، وهو محطة طاقة اندماج تجارية تخطط CFS لتطويرها بعد SPARC.
يأمل الباحثون أن يساعد التوأم الرقمي في تقييم ظروف التشغيل، وتحسين تصميم المفاعل، وتقليل الوقت اللازم لتطوير أنظمة اندماج مستقبلية.
ومع ذلك، لا يزال SPARC قيد الإنشاء، ولم تُظهر المنصة الجديدة بعد سرعة التنبؤ أو دقته المتوقعة. سيعتمد إسهامها النهائي في طاقة الاندماج التجارية على نجاح الاختبارات والتحقق.
التأثير المحتمل للتوأم الرقمي على أبحاث الاندماج
تمثل مشروع التوأم الرقمي هذا تقدمًا مهمًا في أبحاث طاقة الاندماج، لقدرته على توفير تنبؤات بسلوك البلازما في وقت قصير، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين أداء المفاعل. ومن خلال الاتصال بالجهاز الفعلي، يمكن للباحثين تعديل تصاميم التجارب بسرعة أكبر، مما يسرع تطوير تقنية الاندماج. وعلى الرغم من الحاجة الحالية إلى التحقق من دقة التنبؤات، فإن نجاح المشروع قد يغير مسار تجارة طاقة الاندماج مستقبلًا، ويكون له تأثير عميق في تلبية احتياجات الطاقة العالمية.