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新一代人造太陽為什么需要“數(shù)字孿生”

2024-11-12 18:37:39來源：科技日報

“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“中國環(huán)流三號”啟動新一輪物理實驗

，實驗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

，科技日報記者獨家連線采訪了研發(fā)團(tuán)隊主要成員

、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

，真空室烘烤過程取得顯著成效

，等離子體運行環(huán)境的真空度提升了約一個數(shù)量級，從10—4帕提升到2×10—5帕

。

“中國環(huán)流三號”于2023年8月25日首次實現(xiàn)1兆安培等離子體電流下的高約束模式運行

。新一輪試驗中，它將挑戰(zhàn)1.6兆安培電流下的高約束模式運行

，并朝著等離子體溫度超過一億攝氏度的目標(biāo)前進(jìn)

。

“為了實現(xiàn)人類難以想象的溫度，微觀中的等離子體粒子高速運動

。此時如果真空室中有大氣分子與其發(fā)生碰撞

，會導(dǎo)致粒子喪失動能。”劉曉龍解釋

，因此極限接近真空的環(huán)境

，才能為等離子體高速運動提供保障。

“真空室烘烤的目的是獲得極限真空環(huán)境

。”劉曉龍說

，整個烘烤過程每小時升溫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行要求

。

越極端的條件對設(shè)備安全性要求越高，實驗準(zhǔn)備階段的安全運行十分關(guān)鍵

。“高溫烘烤時設(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)力會不會過度集中等

，這些都要密切關(guān)注

。”劉曉龍說，過去依靠傳感器測點關(guān)注異常

，并基于數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整

，但溫度測點分布非常有限，難以“地毯式”排查

，如果有漏報

，哪怕造成設(shè)備結(jié)構(gòu)的微小損傷，都將對整個實驗造成不可挽回的損失

。

追求極限真空的過程中

，全盤監(jiān)測是保障安全的基礎(chǔ)。“無論從準(zhǔn)確度還是計算速度來說

，過去神經(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，但近些年來，機(jī)器學(xué)習(xí)

、深度學(xué)習(xí)等不斷成熟，有望對不同的實驗環(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)建一個和物理實體完全一樣的數(shù)字模型

，實現(xiàn)對真空室烘烤過程的全方位實時精準(zhǔn)監(jiān)測。

模型建立之初

，團(tuán)隊遇到最棘手的問題是數(shù)據(jù)不夠

。“烘烤過程一年僅運行約15天，對于機(jī)器學(xué)習(xí)需要的數(shù)據(jù)樣本量來說

，可謂是‘杯水車薪’

。”劉曉龍?zhí)寡裕诸^只有少量真實數(shù)據(jù)

。

憑借對仿真技術(shù)的扎實掌握

，團(tuán)隊設(shè)計了一個仿真模型基于少量真實數(shù)據(jù)生成大量虛擬數(shù)據(jù)集，并通過數(shù)據(jù)清洗

、校正

、對模型進(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”問題

。

“有了數(shù)據(jù)之后，我們再去‘孿生’

。”劉曉龍介紹

，依托先進(jìn)智能算法，團(tuán)隊創(chuàng)建的模型能夠推導(dǎo)出各個點溫度的規(guī)則

，進(jìn)而模擬出整個真空室的溫度分布

，使得虛擬與現(xiàn)實保持高度同步。通過三維渲染實現(xiàn)的可視化也讓實驗進(jìn)程更易操控

。

“這樣我們對于真空室的掌握就可以達(dá)到全面精準(zhǔn)了

。”劉曉龍說。

溫度“孿生”只是團(tuán)隊向人工智能系統(tǒng)邁出的“一小步”

。劉曉龍告訴記者

，后續(xù)還將開展應(yīng)力、位移等不同參數(shù)的模擬

，改變過去靠傳感器實時探測只能獲得“點位”數(shù)據(jù)的狀況

，通過數(shù)字孿生獲取“無限”信號，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

，劉曉龍表示，真空室溫度的“孿生”只是“小試牛刀”

。“中國環(huán)流三號”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)的實現(xiàn)

，數(shù)字孿生可以再造一個虛擬的聚變堆，與正在運行聚變堆相對應(yīng)

。

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責(zé)任編輯：孫知兵

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