新一代人造太陽(yáng)為什么需要“數(shù)字孿生”

“真空室烘烤階段已經(jīng)結(jié)束，我們獲得了非常好的真空狀態(tài)。”近日，新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”啟動(dòng)新一輪物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中首次投入使用的數(shù)字孿生系統(tǒng)引發(fā)關(guān)注。11月8日，科技日?qǐng)?bào)記者獨(dú)家連線采訪了研發(fā)團(tuán)隊(duì)主要成員、中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院研究員劉曉龍。他表示，借助數(shù)字孿生系統(tǒng)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，真空室烘烤過(guò)程取得顯著成效，等離子體運(yùn)行環(huán)境的真空度提升了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，從10—4帕提升到2×10—5帕。

  “中國(guó)環(huán)流三號(hào)”于2023年8月25日首次實(shí)現(xiàn)1兆安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行。新一輪試驗(yàn)中，它將挑戰(zhàn)1.6兆安培電流下的高約束模式運(yùn)行，并朝著等離子體溫度超過(guò)一億攝氏度的目標(biāo)前進(jìn)。

  “為了實(shí)現(xiàn)人類(lèi)難以想象的溫度，微觀中的等離子體粒子高速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如果真空室中有大氣分子與其發(fā)生碰撞，會(huì)導(dǎo)致粒子喪失動(dòng)能。”劉曉龍解釋?zhuān)虼藰O限接近真空的環(huán)境，才能為等離子體高速運(yùn)動(dòng)提供保障。

  “真空室烘烤的目的是獲得極限真空環(huán)境。”劉曉龍說(shuō)，整個(gè)烘烤過(guò)程每小時(shí)升溫5度，用真空泵把烘烤懸浮的雜質(zhì)抽走，直到真空狀態(tài)達(dá)到磁約束聚變裝置的運(yùn)行要求。

  越極端的條件對(duì)設(shè)備安全性要求越高，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段的安全運(yùn)行十分關(guān)鍵。“高溫烘烤時(shí)設(shè)備能不能承受，比如金屬受熱膨脹在不在安全范圍內(nèi)，局部應(yīng)力會(huì)不會(huì)過(guò)度集中等，這些都要密切關(guān)注。”劉曉龍說(shuō)，過(guò)去依靠傳感器測(cè)點(diǎn)關(guān)注異常，并基于數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，但溫度測(cè)點(diǎn)分布非常有限，難以“地毯式”排查，如果有漏報(bào)，哪怕造成設(shè)備結(jié)構(gòu)的微小損傷，都將對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)造成不可挽回的損失。

  追求極限真空的過(guò)程中，全盤(pán)監(jiān)測(cè)是保障安全的基礎(chǔ)。“無(wú)論從準(zhǔn)確度還是計(jì)算速度來(lái)說(shuō)，過(guò)去神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等人工智能技術(shù)水平難以達(dá)到科學(xué)重器的要求。”劉曉龍說(shuō)，但近些年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等不斷成熟，有望對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行“孿生”再現(xiàn)。

  首次投入使用的數(shù)字孿生系統(tǒng)是在虛擬空間構(gòu)建一個(gè)和物理實(shí)體完全一樣的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空室烘烤過(guò)程的全方位實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

  模型建立之初，團(tuán)隊(duì)遇到最棘手的問(wèn)題是數(shù)據(jù)不夠。“烘烤過(guò)程一年僅運(yùn)行約15天，對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)需要的數(shù)據(jù)樣本量來(lái)說(shuō)，可謂是‘杯水車(chē)薪’。”劉曉龍?zhí)寡裕诸^只有少量真實(shí)數(shù)據(jù)。

  憑借對(duì)仿真技術(shù)的扎實(shí)掌握，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真模型基于少量真實(shí)數(shù)據(jù)生成大量虛擬數(shù)據(jù)集，并通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、校正、對(duì)模型進(jìn)行修正等復(fù)雜的處理，獲得足夠量的高準(zhǔn)確率虛擬數(shù)據(jù)，解決了模型訓(xùn)練的“草料”問(wèn)題。

  “有了數(shù)據(jù)之后，我們?cè)偃?lsquo;孿生’。”劉曉龍介紹，依托先進(jìn)智能算法，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的模型能夠推導(dǎo)出各個(gè)點(diǎn)溫度的規(guī)則，進(jìn)而模擬出整個(gè)真空室的溫度分布，使得虛擬與現(xiàn)實(shí)保持高度同步。通過(guò)三維渲染實(shí)現(xiàn)的可視化也讓實(shí)驗(yàn)進(jìn)程更易操控。

  “這樣我們對(duì)于真空室的掌握就可以達(dá)到全面精準(zhǔn)了。”劉曉龍說(shuō)。

  溫度“孿生”只是團(tuán)隊(duì)向人工智能系統(tǒng)邁出的“一小步”。劉曉龍告訴記者，后續(xù)還將開(kāi)展應(yīng)力、位移等不同參數(shù)的模擬，改變過(guò)去靠傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)只能獲得“點(diǎn)位”數(shù)據(jù)的狀況，通過(guò)數(shù)字孿生獲取“無(wú)限”信號(hào)，并為下一步理論研究提供豐富的數(shù)據(jù)和資料。

  談及未來(lái)，劉曉龍表示，真空室溫度的“孿生”只是“小試牛刀”。“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”的目標(biāo)是將受控核聚變反應(yīng)研究透徹。為了助力這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字孿生可以再造一個(gè)虛擬的聚變堆，與正在運(yùn)行聚變堆相對(duì)應(yīng)。

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