- 美国能源部支持的新项目旨在预测聚变反应堆内部等离子体行为。
- 数字孪生将与实体 SPARC 装置相连，以提高预测精度。
- 该项目还将使用替代模型来加速计算过程。
- 研究人员需验证预测在实际操作条件下的准确性。
美国能源部支持的一项新项目旨在利用英联邦聚变系统旗下的 SPARC 装置的数字副本，在少于 20 分钟内预测聚变反应堆内部的等离子体行为。该项目由美国的聚变能源公司主导，联合了四个能源部国家实验室、NVIDIA、Google DeepMind 及多所大学的研究人员。此项目将开发一个数字孪生，通过物理模拟、实验数据及先进计算来预测 SPARC 的运行情况。
该倡议是能源部的 Genesis 任务的一部分，该任务于 10 月 8 日公布了其第二阶段的奖励。
数字孪生的运作原理
普林斯顿等离子体物理实验室将为该项目提供模拟软件、实验数据及计算资源。与传统模拟不同，计划中的数字孪生将与正在建设中的实体 SPARC 装置相连。随着实验数据的获得，研究人员打算更新虚拟模型，以提高其预测精度并指导未来的实验。
SPARC 是一种托卡马克，利用强大的磁场来约束极高温的等离子体。研究人员必须了解等离子体在不同操作条件下的行为，以提高反应堆的性能。该数字孪生旨在在 20 分钟内预测完整的等离子体脉冲，或一个实验操作周期。这将使科学家能够在连续实验之间分析结果并准备调整。普林斯顿等离子体物理实验室将提供三个已建立的物理模拟代码：M3D-C1、TRANSP 和 XGC。
这些工具模拟等离子体行为的不同方面，并将与其他软件结合生成预测。
该项目还将使用在大型模拟数据集上训练的更快计算模型。这些模型被称为替代模型，能够近似更复杂计算的结果，同时需要更少的计算时间。“普林斯顿等离子体物理实验室将在这个项目中发挥核心作用，贡献基础软件工程和 SI 模型、核心物理模型、历史托卡马克数据和高性能计算资源”，普林斯顿等离子体物理实验室人工智能科学小组负责人迈克尔·丘吉尔表示。计划中的 20 分钟周转时间是一个开发目标，而非已证实的性能结果。
研究人员仍需验证预测在实际操作条件下的准确性。
在将技术应用于 SPARC 之前，研究人员将使用普林斯顿等离子体物理实验室的国家球形托卡马克实验升级测试并验证数字孪生工作流程。该实验平台将使科学家能够评估他们的模型在再现等离子体行为方面的准确性，以及它们是否能够可靠地支持聚变实验中的决策。来自国家球形托卡马克实验升级和早期普林斯顿等离子体物理实验室实验的数据也将帮助训练和评估这些模型。其中一些数据集将向更广泛的聚变研究社区提供。
合作伙伴与长期目标
除了普林斯顿等离子体物理实验室，该合作还包括橡树岭国家实验室、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室及 SLAC 国家加速器实验室。麻省理工学院、卡内基梅隆大学、通用原子公司、NVIDIA、Google DeepMind 和 Synopsys 也将参与其中。该项目建立在英联邦聚变系统现有的数字孪生开发工作之上，通过能源部支持的研究和合作扩展该工作。其长期目标是支持 ARC，即英联邦聚变系统计划在 SPARC 之后开发的商业聚变电厂。
研究人员希望数字孪生能帮助他们评估操作条件、完善反应堆设计，并减少开发未来聚变系统所需的时间。
然而，SPARC 仍在建设中，新的平台尚未展示其预期的预测速度或准确性。其最终对商业聚变能源的贡献将取决于成功的测试和验证。
数字孪生对聚变研究的潜在影响
这项数字孪生项目标志着聚变能源研究的一个重要进展，因为它能在短时间内提供对等离子体行为的预测，这对于提升反应堆性能至关重要。通过与实体装置的连接，研究人员可以更快地调整实验设计，从而加速聚变技术的发展。尽管目前仍需验证预测的准确性，但该项目的成功将可能改变未来聚变能源的商业化进程，并对全球能源需求的满足产生深远影响。