4月17日，来自英国约克大学的科研团队在IEEE上发表了一篇关于数字孪生技术在核聚变领域应用的论文，标题为《Digital Twins in Fusion Energy Research：Current State and Future Directions》。
核聚变能源作为一种潜在的终极能源解决方案，因其清洁、高效和原料丰富等优点而备受关注。然而，核聚变能源的研发面临着诸多挑战，如等离子体的约束与控制、高温高压环境下的材料性能等。此刻，数字孪生技术的出现为核聚变能源研究带来了新的曙光。
一、数字孪生技术原理及特点
数字孪生技术是一种通过创建物理实体或系统的虚拟模型，并实时同步数据以实现对物理实体的模拟、监控和优化的技术。它利用传感器、物联网（IoT）设备等收集物理实体的数据，然后在虚拟模型中进行分析和处理，从而为物理实体的运行提供有价值的洞察和决策支持。
数字孪生技术的核心在于其动态性、实时性和双向交互性，这些特性使其能够实时反映物理实体的状态，并根据虚拟模型的分析结果对物理实体进行实时调整和优化。
二、在核聚变的应用
1.等离子体控制与模拟
核聚变反应需要将等离子体维持在高温高压的极端条件下，并且要精确地控制等离子体的形状、位置和稳定性。数字孪生技术通过建立等离子体行为的虚拟模型，利用先进的计算方法和实时数据反馈，实现对等离子体的精确控制和模拟。例如，采用深度强化学习（DRL）算法对托卡马克装置的等离子体进行控制，可以通过学习等离子体的动态特性，自主地调整磁场和加热功率，以维持等离子体的稳定运行。
2.材料性能评估与优化
核聚变反应堆的材料需要承受极端的热负荷、中子辐射和等离子体冲击。数字孪生技术可以帮助研究人员在虚拟环境中模拟材料在聚变环境下的性能表现，预测材料的损耗和退化情况。这使得研究人员能够在材料研发的早期阶段进行优化设计，选择合适的材料组合，并制定相应的维护策略，从而延长材料的使用寿命和提高反应堆的安全性。
3.反应堆设计与优化
设计一个高效、安全的核聚变反应堆是一个复杂的系统工程，涉及多个学科的交叉。数字孪生技术为反应堆的设计提供了一个虚拟的试验平台，使得设计人员能够在虚拟模型中快速迭代和优化反应堆的结构、布局和系统配置。通过模拟反应堆的运行过程，分析不同设计方案的性能指标，如能量输出、热效率、安全系数等，从而找到最优的设计方案。
4.实时监控与故障预测
核聚变实验过程中会产生大量的实时数据，这些数据包含了反应堆运行状态的丰富信息。数字孪生技术通过实时接入这些数据，对反应堆的运行状态进行实时监控和分析，及时发现潜在的故障和异常情况。基于机器学习算法的预测模型可以对设备的剩余使用寿命（RUL）进行预测，提前安排维护和维修工作，避免设备故障导致的实验中断和经济损失。
三、实际应用案例
1.KSTAR虚拟数字孪生（V-KSTAR）
韩国的KSTAR装置开发了虚拟数字孪生平台V-KSTAR，该平台整合了物理导向的模拟与工程设计，提供了全面的模拟和分析能力，支持实时监控和实验后分析。V-KSTAR的实时监控系统（RMS）能够监测等离子体面对部件的温度、磁圈状态等关键参数，并利用三维可视化技术提供直观的实验条件见解。而实验后分析系统（PAS）则专注于实验数据的后期分析，支持如中性束注入（NBI）的蒙特卡洛模拟，以评估快离子在等离子体面对部件上的损失情况。V-KSTAR的开发涉及多种关键技术，包括专用的数据框架、先进的网格技术、动态碰撞检测算法和图形引擎等。
2.Pegasus CHIMERA项目数字孪生
CHIMERA（Combined Heat ing and Magnetic Research Apparatus）项目旨在测试核聚变反应堆组件，其数字孪生平台通过构建融合了热、电磁和流体动力学等不同物理领域的系统仿真方法，创建了代表核聚变组件的降阶模型（ROMs）。该模型能够模拟组件的运行环境及其与材料的相互作用，并量化输出不确定性。数字孪生平台旨在实时运行模拟，为故障监测和预测性维护提供支持，超越了在恶劣聚变环境中现场监测的稀疏且可能不可靠的数据。它利用有限的CHIMERA测试数据来持续改进模型的预测能力，并优化测试活动，提高测试结果的可解释性。数字孪生的开发分为三个阶段：开发底层仿真、创建与CHIMERA测试数据库的伪实时耦合、实现与CHIMERA实时运行的完全操作数字孪生。
3.JET偏滤器数字孪生
在JET运行期间，研究人员开发了三个专门针对偏滤器操作的数字孪生应用，以提升偏滤器组件的可靠性和性能。
ALICIA工具利用偏滤器瓦片的红外温度测量来计算随时间变化的入射热通量密度，采用增广拉格朗日方案以确保精确的温度控制和平稳的收敛。
VITA是一个具有用户友好图形界面的正向仿真代码，允许快速准确地分析偏滤器瓦片，用于脉冲准备、脉冲后检查和组件完整性评估。VITA连接到JET数据库获取实验测量数据，并自动化边界条件的设置，以便在不同的运行场景下分析热响应。
WHAM是一个非线性热有限元求解器，可在托卡马克实时机器保护系统中运行，模拟等离子体面对部件的瞬态热响应，并在严格的时间限制内输出合成瓦片的表面温度，确保在高功率运行期间的持续运行。
4.ITER中央螺线管电源供应数字孪生
ITER中央螺线管电源供应的数字孪生是一个虚拟的物理系统表示，用于实时模拟和优化支持核聚变实验的电网行为。该数字孪生旨在研究中央螺线管电源供应系统在各种运行条件下的行为，实现实时监控和基于实时数据的决策支持。为了提高数字孪生在实时模拟中的性能，研究人员提出了采用解耦线路和显式分区等策略，以减轻CPU负载，同时保持模拟的保真度。
5.LHD数据同化控制系统（DACS）
LHD的DACS是一种基于数字孪生的动态实时建模和自适应控制的复杂系统。它通过将系统状态表示为概率分布，并结合实时观测数据进行估计，实现了对高温等离子体的精准控制。该系统首次在LHD上成功实施，通过调整电子回旋加速器加热功率来达到目标温度，展示了其实时适应能力。DACS使用实时观测数据改善物理模型的预测性能，弥合了模型与实际等离子体行为之间的差距。
6.STEP反应堆数字孪生
英国STEP反应堆的数字孪生项目涵盖数字技术、等离子体物理、材料科学和工程学。创建初步的数字影子作为融合装置的数值模型，整合多来源数据探索设计概念；基于模型驱动系统工程（MBSE）确保整体一致性，识别系统间相互依赖关系；链接不同保真度的等离子体模拟代码，实现快速迭代优化；模拟辐射损伤对材料的影响，增强工程模拟能力以建模复杂相互作用。
四、总结
数字孪生技术作为一种强大的数字化工具，正在深刻地改变核聚变能源研究的格局。它为研究人员提供了一种全新的手段来应对核聚变领域中复杂而艰巨的挑战。通过对核聚变反应堆的等离子体、材料、结构和系统进行全面的虚拟建模、实时监控和智能优化，数字孪生技术有望显著提高核聚变研究的效率和成功率，加速核聚变能源从实验室走向商业化应用的进程。
诚然，现阶段该技术在应用时还面临诸多挑战，比如实时同步与控制、多源异构数据集成、模型验证等等。但随着对这些问题的深入研究和技术创新，我们有理由相信这些问题将逐步得到解决。随着数字孪生技术的不断发展和完善，它将在未来的核聚变能源研究中发挥更加关键的作用，为全球能源转型和可持续发展做出重要贡献。数字孪生技术与核聚变能源的深度结合，将为人类开启一个清洁、安全、高效的新能源时代。
参考资料：
- https://ieeexplore.ieee.org/document/10967494