Proyek digital twin yang didukung Departemen Energi AS akan memungkinkan prediksi perilaku plasma di dalam reaktor fusi dalam 20 menit

Sebuah proyek baru yang didukung Departemen Energi AS bertujuan memanfaatkan replika digital perangkat SPARC milik Commonwealth Fusion Systems (CFS) untuk memprediksi perilaku plasma di dalam reaktor fusi dalam waktu kurang dari 20 menit. Proyek ini dipimpin oleh perusahaan energi fusi AS, menggabungkan peneliti dari empat laboratorium nasional Departemen Energi, NVIDIA, Google DeepMind, dan beberapa universitas. Proyek ini akan mengembangkan sebuah digital twin yang memprediksi operasi SPARC melalui simulasi fisik, data eksperimen, dan komputasi canggih.

Inisiatif ini merupakan bagian dari misi Genesis Departemen Energi, yang pada 8 Oktober mengumumkan penghargaan tahap keduanya.

Cara Kerja Digital Twin

Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) akan menyediakan perangkat lunak simulasi, data eksperimen, dan sumber daya komputasi untuk proyek ini. Berbeda dengan simulasi tradisional, digital twin yang direncanakan akan terhubung dengan perangkat SPARC fisik yang sedang dibangun. Seiring dengan diperolehnya data eksperimen, peneliti bermaksud memperbarui model virtual untuk meningkatkan akurasi prediksinya dan memandu eksperimen mendatang.

SPARC adalah jenis tokamak yang menggunakan medan magnet kuat untuk mengurung plasma suhu sangat tinggi. Peneliti harus memahami perilaku plasma di bawah berbagai kondisi operasi untuk meningkatkan performa reaktor. Digital twin ini bertujuan memprediksi pulsa plasma penuh, atau satu siklus operasi eksperimen, dalam 20 menit. Hal ini akan memungkinkan ilmuwan menganalisis hasil dan menyiapkan penyesuaian di antara eksperimen berkelanjutan. PPPL akan menyediakan tiga kode simulasi fisik yang sudah mapan: M3D-C1, TRANSP, dan XGC.

Alat-alat ini mensimulasikan aspek berbeda dari perilaku plasma, dan akan digabungkan dengan perangkat lunak lain untuk menghasilkan prediksi.

Proyek ini juga akan menggunakan model komputasi yang lebih cepat yang dilatih pada kumpulan data simulasi besar. Model-model ini disebut model surrogat, yang dapat mendekati hasil perhitungan yang lebih kompleks sambil memerlukan waktu komputasi yang lebih sedikit. "PPPL akan memainkan peran inti dalam proyek ini, menyumbangkan rekayasa perangkat lunak dasar dan model SI, model fisik inti, data tokamak historis, dan sumber daya komputasi berkinerja tinggi," kata Michael Churchill, kepala Kelompok Ilmu AI PPPL. Waktu putar 20 menit yang direncanakan adalah tujuan pengembangan, bukan hasil performa yang sudah terbukti.

Peneliti masih perlu memvalidasi akurasi prediksi di bawah kondisi operasi nyata.

Sebelum menerapkan teknologi pada SPARC, peneliti akan menggunakan National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) milik PPPL untuk menguji dan memvalidasi alur kerja digital twin. Platform eksperimen ini akan memungkinkan ilmuwan menilai akurasi model mereka dalam mereproduksi perilaku plasma, serta apakah model-model tersebut dapat dengan andal mendukung pengambilan keputusan dalam eksperimen fusi. Data dari NSTX-U dan eksperimen PPPL awal juga akan membantu melatih dan mengevaluasi model-model ini. Beberapa kumpulan data tersebut akan tersedia bagi komunitas penelitian fusi yang lebih luas.

Mitra dan Tujuan Jangka Panjang

Selain PPPL, kolaborasi ini juga melibatkan Oak Ridge National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, dan SLAC National Accelerator Laboratory. Massachusetts Institute of Technology, Carnegie Mellon University, General Atomics, NVIDIA, Google DeepMind, dan Synopsys juga akan berpartisipasi. Proyek ini dibangun di atas pengembangan digital twin yang sudah ada milik CFS, memperluas pekerjaan tersebut melalui penelitian dan kolaborasi yang didukung Departemen Energi. Tujuan jangka panjangnya adalah mendukung ARC, yaitu pabrik listrik fusi komersial yang direncanakan CFS untuk dikembangkan setelah SPARC.

Peneliti berharap digital twin dapat membantu mereka mengevaluasi kondisi operasi, menyempurnakan desain reaktor, dan mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk mengembangkan sistem fusi masa depan.

Namun, SPARC masih dalam tahap konstruksi, dan platform baru ini belum menunjukkan kecepatan atau akurasi prediksi yang diharapkan. Kontribusinya yang nyata terhadap energi fusi komersial akan bergantung pada pengujian dan validasi yang berhasil.

Potensi Dampak Digital Twin terhadap Penelitian Fusi

Proyek digital twin ini menandai kemajuan penting dalam penelitian energi fusi, karena mampu memberikan prediksi perilaku plasma dalam waktu singkat, yang krusial untuk meningkatkan performa reaktor. Melalui koneksi dengan perangkat fisik, peneliti dapat lebih cepat menyesuaikan desain eksperimen, sehingga mempercepat pengembangan teknologi fusi. Meskipun saat ini masih perlu memvalidasi akurasi prediksi, keberhasilan proyek ini berpotensi mengubah proses komersialisasi energi fusi di masa depan, dan berdampak jauh pada pemenuhan kebutuhan energi global.