美國能源部支持的數碼雙胞胎項目將實現 20 分鐘內預測聚變反應堆內部等離子體行為

美國能源部支持的一項新項目旨在利用英聯邦融合系統（Commonwealth Fusion Systems，CFS）旗下的 SPARC 裝置的數碼複製品，在少於 20 分鐘內預測融合反應堆內部的等離子體行為。該項目由美國的融合能源公司主導，聯合了四個能源部國家實驗室、NVIDIA、Google DeepMind 及多所大學的研究人員。此項目將開發一個數碼雙胞胎，透過物理模擬、實驗數據及先進計算來預測 SPARC 的運作情況。

該倡議是能源部的 Genesis 任務的一部分，該任務於 10 月 8 日公佈了其第二階段的獎勵。

數碼雙胞胎的運作原理

普林斯頓等離子體物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）將為該項目提供模擬軟件、實驗數據及計算資源。與傳統模擬不同，計劃中的數碼雙胞胎將與正在建設中的實體 SPARC 裝置相連。隨著實驗數據的獲得，研究人員打算更新虛擬模型，以提高其預測精度並指導未來的實驗。

SPARC 是一種託卡馬克（tokamak），利用強大的磁場來約束極高溫的等離子體。研究人員必須瞭解等離子體在不同操作條件下的行為，以提高反應堆的性能。該數碼雙胞胎旨在在 20 分鐘內預測完整的等離子體脈衝，或一個實驗操作週期。這將使科學家能夠在連續實驗之間分析結果並準備調整。PPPL 將提供三個已建立的物理模擬代碼：M3D-C1、TRANSP 和 XGC。

這些工具模擬等離子體行為的不同方面，並將與其他軟件結合生成預測。

該項目還將使用在大型模擬數據集上訓練的更快計算模型。這些模型被稱為替代模型，能夠近似更複雜計算的結果，同時需要更少的計算時間。「PPPL 將在這個項目中發揮核心作用，貢獻基礎軟件工程和 SI 模型、核心物理模型、歷史託卡馬克數據和高性能計算資源」，PPPL 人工智能科學小組負責人邁克爾·丘吉爾（Michael Churchill）表示。計劃中的 20 分鐘周轉時間是一個開發目標，而非已證實的性能結果。

研究人員仍需驗證預測在實際操作條件下的準確性。

在將技術應用於 SPARC 之前，研究人員將使用 PPPL 的國家球形託魯斯實驗升級（NSTX-U）測試並驗證數碼雙胞胎工作流程。該實驗平台將使科學家能夠評估他們的模型在再現等離子體行為方面的準確性，以及它們是否能夠可靠地支持融合實驗中的決策。來自 NSTX-U 和早期 PPPL 實驗的數據也將幫助訓練和評估這些模型。其中一些數據集將向更廣泛的融合研究社區提供。

合作夥伴與長期目標

除了 PPPL，該合作還包括奧克里奇國家實驗室、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室及 SLAC 國家加速器實驗室。麻省理工學院、卡內基梅隆大學、通用原子公司、NVIDIA、Google DeepMind 和 Synopsys 也將參與其中。該項目建立於 CFS 現有的數碼雙胞胎開發工作之上，透過能源部支持的研究和合作擴展該工作。其長期目標是支持 ARC，即 CFS 計劃在 SPARC 之後開發的商業融合電廠。

研究人員希望數碼雙胞胎能幫助他們評估操作條件、完善反應堆設計，並減少開發未來融合系統所需的時間。

然而，SPARC 仍在建設中，新的平台尚未展示其預期的預測速度或準確性。其最終對商業融合能源的貢獻將取決於成功的測試和驗證。

數碼雙胞胎對聚變研究的潛在影響

這項數碼雙胞胎項目標誌著聚變能源研究的一個重要進展，因為它能在短時間內提供對等離子體行為的預測，這對於提升反應堆性能至關重要。透過與實體裝置的連接，研究人員可以更快地調整實驗設計，從而加速聚變技術的發展。儘管目前仍需驗證預測的準確性，但該項目的成功將可能改變未來融合能源的商業化進程，並對全球能源需求的滿足產生深遠影響。