- 米国エネルギー省支援の新プロジェクトは、融合炉内部のプラズマ挙動を予測することを目的としている。
- デジタルツインは実体のSPARC装置と接続され、予測精度を高める。
- このプロジェクトでは、代理モデルを用いて計算プロセスを高速化する。
- 研究者は、実際の運用条件下での予測の正確性を検証する必要がある。
米国エネルギー省が支援する新プロジェクトは、コモンウェルス・フュージョン・システムズ（Commonwealth Fusion Systems、CFS）のSPARC装置のデジタルレプリカを用い、融合炉内部のプラズマ挙動を20分未満で予測することを目的としている。このプロジェクトは米国の融合エネルギー企業が主導し、エネルギー省傘下の4つの国立研究所、NVIDIA、Google DeepMind、複数の大学の研究者たちが参加している。本プロジェクトでは、物理シミュレーション、実験データ、先進計算を通じてSPARCの運転状況を予測するデジタルツインを開発する。
この取り組みはエネルギー省のGenesisミッションの一環であり、同ミッションは10月8日に第2フェーズの報奨を発表した。
デジタルツインの仕組み
プリンストンプラズマ物理研究所（Princeton Plasma Physics Laboratory、PPPL）は、本プロジェクトにシミュレーションソフトウェア、実験データ、計算リソースを提供する。従来のシミュレーションとは異なり、計画されているデジタルツインは建設中の実体SPARC装置と接続される。実験データが得られるにつれ、研究者たちは仮想モデルを更新し、予測精度を高め、将来の実験を導く意向だ。
SPARCはトカマク（tokamak）の一種で、強力な磁場を用いて超高温プラズマを閉じ込める。研究者たちは、さまざまな運転条件下でのプラズマの振る舞いを理解し、炉の性能を向上させる必要がある。このデジタルツインは、完全なプラズマパルス、すなわち1回の実験運転サイクルを20分以内で予測することを目指している。これにより科学者たちは、連続する実験の間に結果を分析し、調整を準備できるようになる。PPPLは、M3D-C1、TRANSP、XGCという3つの確立された物理シミュレーションコードを提供する。
これらのツールはプラズマ挙動の異なる側面を模擬し、他のソフトウェアと組み合わせて予測を生成する。
本プロジェクトでは、大規模シミュレーションデータセットで訓練されたより高速な計算モデルも使用する。これらのモデルは代理モデルと呼ばれ、より複雑な計算の結果を近似しながら、計算時間を大幅に削減できる。「PPPLはこのプロジェクトで中核的役割を果たし、基盤ソフトウェアエンジニアリングとSIモデル、コア物理モデル、過去のトカマクデータ、高性能計算リソースを提供する」と、PPPL人工知能科学グループリーダーのマイケル・チャーチル（Michael Churchill）氏は述べている。計画されている20分のターンアラウンドタイムは開発目標であり、実証済みの性能結果ではない。
研究者たちは依然として、実際の運用条件下での予測の正確性を検証する必要がある。
SPARCに技術を適用する前に、研究者たちはPPPLの国家球形トカマク実験アップグレード（NSTX-U）を用いてデジタルツインのワークフローをテストし、検証する。この実験プラットフォームにより、科学者たちはモデルがプラズマ挙動を再現する精度、および融合実験における意思決定を確実に支援できるかを評価できる。NSTX-Uおよび初期のPPPL実験から得られたデータも、これらのモデルの訓練と評価に役立てられる。これらのデータセットの一部は、より広範な融合研究コミュニティに提供される予定だ。
パートナーと長期目標
PPPLのほか、オークリッジ国立研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、SLAC国立加速器研究所が協力に加わる。マサチューセッツ工科大学、カーネギーメロン大学、ゼネラル・アトミックス、NVIDIA、Google DeepMind、Synopsysも参加する。本プロジェクトは、CFSが既に進めているデジタルツイン開発の取り組みを基盤とし、エネルギー省支援の研究と協力によってそれを拡張するものである。長期目標は、SPARCに続くCFSの商用融合発電所であるARCを支援することだ。
研究者たちは、デジタルツインが運転条件の評価、炉設計の改良、将来の融合システム開発に要する時間の短縮に役立つことを期待している。
しかし、SPARCは依然建設中であり、新プラットフォームはまだ予定された予測速度や精度を示していない。商用融合エネルギーへの最終的な貢献は、成功裏なテストと検証にかかっている。
デジタルツインが融合研究に与える潜在的影響
このデジタルツインプロジェクトは、短時間でプラズマ挙動の予測を提供できるため、融合エネルギー研究における重要な進展を意味する。これは炉性能の向上に不可欠だ。実体装置との接続により、研究者たちは実験設計をより迅速に調整でき、融合技術の開発を加速できる。予測精度の検証は依然として必要だが、本プロジェクトの成功は将来の融合エネルギー商業化のプロセスを変える可能性があり、世界のエネルギー需要充足に深い影響を与えるだろう。