- El nuevo proyecto respaldado por el U.S. Department of Energy tiene como objetivo predecir el comportamiento del plasma dentro de un reactor de fusión.
- El gemelo digital se conectará al dispositivo SPARC físico para mejorar la precisión de las predicciones.
- El proyecto también empleará modelos sustitutos para acelerar el proceso de cálculo.
- Los investigadores deben validar la precisión de las predicciones bajo condiciones operativas reales.
Un nuevo proyecto respaldado por el U.S. Department of Energy busca utilizar una réplica digital del dispositivo SPARC de Commonwealth Fusion Systems (CFS) para predecir el comportamiento del plasma dentro de un reactor de fusión en menos de 20 minutos. El proyecto está liderado por una empresa estadounidense de energía de fusión y reúne a investigadores de cuatro laboratorios nacionales del Department of Energy, NVIDIA, Google DeepMind y varias universidades. La iniciativa desarrollará un gemelo digital que, mediante simulaciones físicas, datos experimentales y computación avanzada, predecirá el funcionamiento de SPARC.
Esta iniciativa forma parte de la misión Genesis del Department of Energy, que anunció sus premios de segunda fase el 8 de octubre.
Principio de funcionamiento del gemelo digital
El Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) proporcionará al proyecto software de simulación, datos experimentales y recursos computacionales. A diferencia de las simulaciones tradicionales, el gemelo digital planeado se conectará al dispositivo SPARC físico que se encuentra en construcción. A medida que se obtengan datos experimentales, los investigadores pretenden actualizar el modelo virtual para mejorar su precisión predictiva y orientar futuros experimentos.
SPARC es un tokamak que utiliza potentes campos magnéticos para confinar plasma a temperaturas extremadamente altas. Los investigadores deben comprender el comportamiento del plasma bajo distintas condiciones operativas para mejorar el rendimiento del reactor. El gemelo digital tiene como objetivo predecir un pulso completo de plasma, o un ciclo operativo experimental, en 20 minutos. Esto permitirá a los científicos analizar los resultados y preparar ajustes entre experimentos consecutivos. PPPL aportará tres códigos de simulación física consolidados: M3D-C1, TRANSP y XGC.
Estas herramientas simulan diferentes aspectos del comportamiento del plasma y se combinarán con otro software para generar predicciones.
El proyecto también empleará modelos computacionales más rápidos entrenados en grandes conjuntos de datos de simulación. Estos modelos, denominados modelos sustitutos, pueden aproximar los resultados de cálculos más complejos requiriendo menos tiempo de cómputo. “PPPL desempeñará un papel central en este proyecto, aportando ingeniería de software básica y modelos SI, modelos físicos fundamentales, datos históricos de tokamaks y recursos de computación de alto rendimiento”, afirma Michael Churchill, responsable del grupo de ciencia de inteligencia artificial de PPPL. El plazo de 20 minutos previsto es un objetivo de desarrollo, no un resultado de rendimiento ya demostrado.
Los investigadores aún deben validar la precisión de las predicciones bajo condiciones operativas reales.
Antes de aplicar la tecnología a SPARC, los investigadores probarán y validarán el flujo de trabajo del gemelo digital utilizando el National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) de PPPL. Esta plataforma experimental permitirá a los científicos evaluar la precisión de sus modelos para reproducir el comportamiento del plasma y determinar si pueden respaldar de forma fiable la toma de decisiones en experimentos de fusión. Los datos provenientes de NSTX-U y de experimentos anteriores de PPPL también ayudarán a entrenar y evaluar estos modelos. Algunos de esos conjuntos de datos se pondrán a disposición de la comunidad de investigación de fusión en general.
Socios y objetivos a largo plazo
Además de PPPL, la colaboración incluye al Oak Ridge National Laboratory, al Lawrence Livermore National Laboratory y al SLAC National Accelerator Laboratory. El Massachusetts Institute of Technology, la Carnegie Mellon University, General Atomics, NVIDIA, Google DeepMind y Synopsys también participarán. El proyecto se basa en el trabajo previo de desarrollo de gemelos digitales de CFS, ampliándolo mediante investigación y cooperación respaldadas por el Department of Energy. Su objetivo a largo plazo es respaldar ARC, la central de fusión comercial que CFS planea desarrollar tras SPARC.
Los investigadores esperan que el gemelo digital les ayude a evaluar condiciones operativas, perfeccionar el diseño del reactor y reducir el tiempo necesario para desarrollar futuros sistemas de fusión.
No obstante, SPARC aún está en construcción y la nueva plataforma no ha demostrado aún la velocidad de predicción ni la precisión previstas. Su contribución final a la energía de fusión comercial dependerá de pruebas y validaciones exitosas.
Impacto potencial del gemelo digital en la investigación de fusión
Este proyecto de gemelo digital marca un avance significativo en la investigación de energía de fusión, ya que permite obtener predicciones del comportamiento del plasma en un corto período de tiempo, lo cual es crucial para mejorar el rendimiento del reactor. Gracias a la conexión con el dispositivo físico, los investigadores pueden ajustar más rápidamente el diseño experimental, acelerando así el desarrollo de la tecnología de fusión. Aunque aún es necesario validar la precisión de las predicciones, el éxito del proyecto podría transformar el proceso de comercialización de la energía de fusión en el futuro y tener un impacto profundo en la satisfacción de la demanda energética mundial.