使用NVIDIA Omniverse打造功能齐全的发电厂的数字孪生

英国原子能管理局和曼彻斯特大学正在使用数字孪生模拟平台连接分散的设计团队，并更加深入地了解核聚变等离子体反应。

随着全球气候的加速变化，寻找并保护清洁能源已成为许多研究人员、组织机构和政府所面临的一项关键挑战。

为了加速设计并开发一个完整的核聚变发电厂，英国原子能管理局(UKAEA)通过曼彻斯特大学(University of Manchester)的一个评估项目测试NVIDIA Omniverse模拟平台，该发电厂可在未来为电网提供清洁的电能。

在过去的几十年里，科学家们一直在尝试创造核聚变能源的方法，这种能源不会产生任何碳排放，放射性也很低。该技术可以提供几乎无限的清洁、安全和可负担的能源，这将满足全球日益增长的需求。

核聚变通过原子核的结合来释放能量。但由于核聚变反应需要巨大的能量输入并且具有不可预测性，因此目前还无法成功扩大这种能源的生产规模。

太阳依靠核聚变反应来产生能量，太阳的强大引力压力使核聚变能够在华氏 2700 万度左右的温度下自然发生。但地球并不具备太阳的引力压力，因此产生核聚变反应所需的温度远超太阳，达到 1.8 亿华氏度以上。

为了在地球上复制太阳的能量，研究人员和工程师正在利用数据科学和超大规模计算的最新进展来开发核聚变发电厂的设计。研究人员可以使用 NVIDIA Omniverse 打造功能齐全的发电厂的数字孪生，以便选择最高效的设计进行构建。

加快设计、模拟和实时协作的速度

构建一个能够准确反映所有发电厂的组件、等离子体以及控制和维护系统的数字孪生是一项巨大的挑战，而人工智能(AI)、百万兆级 GPU 计算和物理精确的模拟软件可以大幅加快这项工作。

这项工作的第一步是设计核聚变发电厂，整个过程需要大量组件以及多支大型工程、设计和研究专家团队。曼彻斯特大学 UKAEA 核聚变数字工程主任 Lee Margetts 表示：“我们需要许多不同的组件，并且必须顾及到多个物理学和工程学领域。其中一个系统的设计变更将会为其他系统带来连锁反应。”

来自不同领域的专家参与了该项目。每名团队成员使用不同的 CAD(computer-aided design，计算机辅助设计)应用或模拟工具，而且某一领域的专家需要借助其他领域专家的数据来开展工作。

UKAEA 团队正在使用 Omniverse 帮助他们在实时模拟环境中开展协作，因此他们不仅可以看到单个子组件的设计，也可以看到整个机器的设计。

Omniverse 对于保持所有这些动态组成部分的同步性至关重要。通过连接所有工具和应用，Omniverse 使从事发电厂设计的工程师能够使用统一的数据来源同时开展合作。

该项目的研究员 Muhammad Omer 表示：“位于三个不同地点的三名工程师可以在三个不同的数据包中处理同一个发电厂的三个不同组件。”

Omer 解释说，当在 Omniverse 中进行实验时，团队使用该平台的核心功能导入全保真 3D 数据，实现了逼真的发电厂设计。他们还可以通过 RTX 渲染器实现实时可视化，以便轻松比较不同的组件设计方案。

模拟核聚变等离子体也是一个难题。这些团队使用 Omniverse Kit 开发了基于 Python 的 Omniverse 扩展应用，连接并采集来自工业模拟软件 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 的数据，以此模拟发电厂反应堆中的中子迁移(将能量带出反应堆的过程)。

为了查看 JOREK 等离子体模拟代码，他们还构建了 Omniverse 扩展应用。该代码能够模拟可见光的发射，使研究者能够深入了解等离子体的状态。科学家们将开始探索 NVIDIA Modulus AI 物理学框架，结合他们现有的模拟数据开发出可以对核聚变等离子体模拟进行加速的 AI 代理模型。

Omniverse 中的 Monte Carlo Neutronics Code Geant4 模拟

使用AI优化设计并改进数字孪生

除了用于设计、操作和控制发电厂之外，Omniverse 还可以用于协助训练未来由 AI 驱动或 AI 增强的机器人控制和维护系统。在辐射环境中，这些系统将成为维护发电厂的关键。

通过 Omniverse Replicator 这套用于构建自定义合成数据生成工具和数据集的软件开发套件，研究人员可以生成大量物理精确的发电厂和等离子体反应的合成数据来训练机器人系统。在模拟环境中学习后，机器人可以在真实世界中更加准确地处理任务、改善预测性维护并缩短停机时间。

在未来，传感器可以向 Omniverse 数字孪生实时传输数据，不断保持虚拟的数字孪生与发电厂的真实状态同步。通过在虚拟的数字孪生中进行测试并对真实发电厂做出调整，研究人员将能够探索各种假设情况。

总而言之，Omniverse 为 Margetts 和 UKAEA 团队的核聚变发电厂数字孪生构建工作带来了许多独一无二的可能性与便利。Omniverse 提供了一个实时平台，研究人员可以用它来开发领先的发电厂技术。通过该平台，工程师还可以在设计发电厂时开展同步协作。同时，团队可以采用综合全面的 AI 工具，来优化未来的发电厂。

Margetts 表示：“我们对眼前的一切感到十分高兴。作为一个数字工程平台，Omniverse 蕴含着巨大的潜力。”

原文标题：ISC22 | 科学家在 NVIDIA Omniverse 中构建数字孪生，加快清洁能源研究速度

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审核编辑：汤梓红