Küresel ısınmanın son zamanlarda hızlanması ve etkilerinin gözle görülür seviyeye gelmesi sebebiyle birçok araştırmacı, organizasyon ve hükümet, temiz ve güvenli enerji arayışı çalışmalarına hız kazandırdı.

Birleşik Krallık Atom Enerjisi Kurumu (UKAEA), Manchester Üniversitesi ile birlikte gelecek yıllarda şebekeye temiz enerji sağlayabilecek tam ölçekli bir füzyon santrali projesinin tasarımını ve geliştirme işlemlerini NVIDIA Omniverse simülasyon platformunda yapıyorlar.

Bilim insanları geçtiğimiz birkaç on yılda sıfır karbon salınımlı ve düşük radyoaktiviteye sahip füzyon enerjisi üretmek için birçok deney yaptılar. Çünkü bu ve buna benzer gelişmelerin, önümüzdeki yıllarda dünyanın enerji ihtiyacını karşılayabilecek temiz ve güvenli enerjiyi üretebileceğini düşünüyorlar.

Füzyon, iki çekirdeğin bir araya gelmesiyle enerjinin salınımı prensibine dayanır. Fakat füzyon reaksiyonunun stabil olmayan davranışları ve yüksek enerjiye ihtiyaç duyması, üretim seviyesinde ölçeklenmesinin önündeki en büyük engeller.

Güneşin enerji kaynağı olan füzyon reaksiyonu (kısaca Hidrojen atom çekirdeklerinin bir araya gelmesiyle Helyum atomunun oluşması sırasında yüksek enerji salınımı olur) muazzam boyuttaki yerçekimi basıncı ve ve yaklaşık 15 milyon santigrat derecede doğal olarak meydana geliyor. Fakat dünya koşullarında güneşin sahip olduğu büyüklükte bir yerçekimi basıncı olmadığı için füzyon reaksiyonu ancak 100 milyon santigrat derecenin üstünde gerçekleşebiliyor.

Araştırmacılar, güneşin gücünü dünyada oluşturmak için veri bilimi ve yüksek ölçekli hesaplama yöntemlerindeki en güncel gelişmeleri kullanarak, füzyon santrallerini tasarlamaya çalışıyorlar. NVIDIA Omniverse bu noktada araştırmacıların yardımına koşarak tam fonksiyonlu bir santralin dijital ikizi ile birlikte en verimli tasarımın yapılmasını sağlıyor.

Hızlı Tasarım Süreci, Simülasyon ve Gerçek Zamanlı İş Birliği

Bütün santral bileşenlerinin, plazma, kontrol ve bakım sistemlerinin gerçekçi bir dijital ikizini oluşturmak önemli ve zaman alan bir zorluktur. Bu zorluğu aşmak için yapay zeka, büyük ölçekli GPU hesaplaması (exascale) ve fizik kurallarına uygun simülasyon yazılımlarından faydalanmak mümkün olabilir.

Süreç, kalabalık mühendislik, tasarım ve araştırma uzmanlarından oluşan ekiplerin çok sayıda parça ve girdi gerektiren füzyon santralinin tasarımı ile başlar. Manchester Üniversitesi UKAEA Nükleer Füzyon için Dijital Mühendislik Başkanı Lee Margetts, “Çok sayıda ve çeşitlilikte parça var bu yüzden fizik ve mühendisliğin birçok farklı alanının hesaba katılması gerekiyor. Herhangi bir sistemde yapılan tasarım değişikliği, diğer sistemler üzerinde zincirleme etkiye sahip olur” dedi.

UKAEA ekipleri, Omniverse’ün sunmuş olduğu gerçek zamanlı simülasyon ve çalışma ortamını kullanmaya başlayarak tek tek alt bileşenleri görmek yerine bütün makinenin tasarımını görebiliyorlar.

Omniverse, bütün bu hareketli parçaları belirli bir düzende tutmak için hayati öneme sahip. Omniverse, tasarımda kullanılan araçları ve uygulamaları bir yerde birleştirdiği için farklı konumlardaki ekiplerin ve ekip üyelerinin santral tasarımını simultane olarak işbirliği içinde olmalarını sağlıyor.

Projedeki araştırmacılardan Muhammed Omer, “Üç farklı konumdaki üç mühendisin, üç farklı bileşeni, üç farklı uygulamada aynı anda çalıştıklarını görüyoruz.” dedi.

Omar, ekibin Omniverse’de deneyler gerçekleştirirken, platformun gerçeğe uygun 3B verilerini içe aktarma esnasındaki temel özelliklerini kullanarak santral tasarımında fotogerçekçiliğe ulaştıklarını açıkladı. Ayrıca ekibin, RTX Renderer ile farklı tasarım seçeneklerini gerçek zamanlı olarak kolayca görselleştirebildiklerini de söyledi.

Plazmanın simülasyonu ise ayrı bir zorluktur. Ekipler, simülasyon yazılımı olan Monte Carlo Neutronics Code Geant4’e bağlanmak ve verileri almak için Omniverse Kit ile Python tabanlı Omniverse Uzantıları geliştirdi. Bu sayede santral çekirdeğindeki nötron taşınımını simüle edebiliyorlar.

Ayrıca, görünür ışık emisyonlarını simüle eden ve araştırmacılara plazmanın durumu hakkında fikir veren JOREK plazma simülasyon kodunu görüntülemek için de Omniverse Uzantıları geliştirdiler. Bilim insanları, bir sonraki aşama olarak NVIDIA Modulus AI fizik kütüphanesini kullanarak füzyon plazma simülasyonlarını hızlandırmayı düşünüyorlar.

Dijital İkizler ve AI

Omniverse, tasarım, yönetim ve santral kontrolüne yardımcı olmanın yanında AI destekli robotik kontrol ve bakım sistemlerinin geliştirilmesine de yardımcı oluyor. Bu yetenek, radyasyon ortamındaki santralin bakımlarının yapılması için hayati öneme sahip.

Omniverse Replicator yazılım geliştirme kitini sentetik veri üretimi için kullanan araştırmacılar, robotik sistemleri eğitmek için santralin ve plazma davranışının fizik kurallarına uygun olarak büyük miktarlarda sentetik verilerini üretebilirler.

Gelecekte, sensörler, dijital ikizi sürekli olarak santralinin fiziksel durumuyla senkronize halde tutarak, gözlem verilerini Omniverse dijital ikizine canlı olarak aktarabilir. Bu sayede araştırmacılar, değişiklikleri fiziksel santralde çalıştırmadan önce dijital ikizde testlerini gerçekleştirebilirler.

Yazının kaynağına buradan ulaşabilirsiniz.