Vom US-Energieministerium unterstütztes Digital-Twin-Projekt soll Vorhersage des Plasmasverhaltens im Fusionsreaktor in unter 20 Minuten ermöglichen

Ein neues, vom US-Energieministerium unterstütztes Projekt zielt darauf ab, mithilfe einer digitalen Kopie der SPARC-Anlage von Commonwealth Fusion Systems (CFS) das Verhalten des Plasmas im Inneren eines Fusionsreaktors in weniger als 20 Minuten vorherzusagen. Das Projekt wird von einem US-Fusionsenergieunternehmen geleitet und vereint Forscher von vier nationalen Laboratorien des Energieministeriums, NVIDIA, Google DeepMind sowie mehrerer Universitäten. Ziel ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings, der den Betrieb von SPARC durch physikalische Simulationen, Experimentaldaten und fortschrittliche Berechnungen vorhersagt. Die Initiative ist Teil der Genesis-Mission des Energieministeriums, die am 8. Oktober die Auszeichnungen für ihre zweite Phase bekannt gab.

Funktionsweise des digitalen Zwillings

Das Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wird Simulationssoftware, Experimentaldaten und Rechenressourcen für das Projekt bereitstellen. Anders als bei herkömmlichen Simulationen soll der geplante digitale Zwilling mit der sich im Bau befindlichen physischen SPARC-Anlage verbunden werden. Sobald Experimentaldaten vorliegen, wollen die Forscher das virtuelle Modell aktualisieren, um dessen Vorhersagegenauigkeit zu verbessern und künftige Experimente zu steuern. SPARC ist ein Tokamak, der starke Magnetfelder nutzt, um extrem heißes Plasma einzuschließen. Forscher müssen verstehen, wie sich das Plasma unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält, um die Reaktorleistung zu steigern. Der digitale Zwilling soll einen vollständigen Plasmapuls – also einen experimentellen Betriebszyklus – in 20 Minuten vorhersagen. Dies ermöglicht Wissenschaftlern, zwischen aufeinanderfolgenden Experimenten Ergebnisse zu analysieren und Anpassungen vorzubereiten. PPPL wird drei etablierte physikalische Simulationscodes beisteuern: M3D-C1, TRANSP und XGC. Diese Werkzeuge simulieren unterschiedliche Aspekte des Plasmasverhaltens und werden mit anderer Software kombiniert, um Vorhersagen zu erzeugen. Das Projekt wird zudem schnellere Berechnungsmodelle einsetzen, die auf großen Simulationsdatensätzen trainiert wurden. Diese sogenannten Surrogatmodelle können die Ergebnisse komplexerer Berechnungen approximieren, benötigen dabei aber weniger Rechenzeit. „PPPL wird in diesem Projekt eine zentrale Rolle spielen und grundlegende Software-Engineering-Arbeit, SI-Modelle, Kernphysikmodelle, historische Tokamak-Daten und Hochleistungsrechenressourcen beisteuern“, sagt Michael Churchill, Leiter der KI-Wissenschaftsgruppe von PPPL. Die geplante Bearbeitungszeit von 20 Minuten ist ein Entwicklungsziel, kein nachgewiesener Leistungswert. Forscher müssen die Genauigkeit der Vorhersagen unter realen Betriebsbedingungen jedoch noch verifizieren. Bevor die Technologie auf SPARC angewendet wird, werden Forscher den Workflow des digitalen Zwillings mithilfe des National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) von PPPL testen und verifizieren. Diese Versuchsplattform wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Genauigkeit ihrer Modelle bei der Reproduktion des Plasmasverhaltens zu bewerten und zu prüfen, ob sie Entscheidungen in Fusionsversuchen zuverlässig unterstützen können. Daten von NSTX-U und früheren PPPL-Experimenten werden ebenfalls beim Training und der Evaluierung dieser Modelle helfen. Einige dieser Datensätze werden der breiteren Fusionsforschungsgemeinschaft zugänglich gemacht.

Partner und langfristige Ziele

Neben PPPL umfasst die Kooperation das Oak Ridge National Laboratory, das Lawrence Livermore National Laboratory und das SLAC National Accelerator Laboratory. Auch das Massachusetts Institute of Technology, die Carnegie Mellon University, General Atomics, NVIDIA, Google DeepMind und Synopsys sind beteiligt. Das Projekt baut auf der bestehenden Digital-Twin-Entwicklungsarbeit von CFS auf und erweitert diese durch vom Energieministerium geförderte Forschung und Zusammenarbeit. Das langfristige Ziel ist die Unterstützung von ARC, dem kommerziellen Fusionskraftwerk, das CFS nach SPARC entwickeln will. Forscher hoffen, dass der digitale Zwilling ihnen hilft, Betriebsbedingungen zu bewerten, Reaktordesigns zu verfeinern und die für die Entwicklung künftiger Fusionssysteme benötigte Zeit zu verkürzen. Allerdings befindet sich SPARC noch im Bau, und die neue Plattform hat ihre angestrebte Vorhersagegeschwindigkeit oder -genauigkeit noch nicht unter Beweis gestellt. Ihr endgültiger Beitrag zur kommerziellen Fusionsenergie wird von erfolgreichen Tests und Validierungen abhängen.

Potenzielle Auswirkungen des digitalen Zwillings auf die Fusionsforschung

Dieses Digital-Twin-Projekt markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Fusionsenergieforschung, da es Vorhersagen zum Plasmasverhalten in kurzer Zeit ermöglicht, was für die Steigerung der Reaktorleistung entscheidend ist. Durch die Verbindung mit der physischen Anlage können Forscher Versuchsdesigns schneller anpassen und so die Entwicklung der Fusionstechnologie beschleunigen. Zwar muss die Vorhersagegenauigkeit noch verifiziert werden, doch der Erfolg des Projekts könnte den künftigen Kommerzialisierungsprozess der Fusionsenergie verändern und weitreichende Auswirkungen auf die Deckung des globalen Energiebedarfs haben.