지구 기후변화로 인해 많은 연구자, 조직, 정부에게 클린 에너지를 찾고 확보하는 것이 매우 중요한 도전이 됐습니다.
영국 원자력청(Atomic Energy Authority, UKAEA)은 맨체스터 대학의 평가 프로젝트를 통해 향후 몇 년 간 청정전력을 공급할 수 있는 광범한 핵융합로(Fusion Reactor)의 설계와 개발을 가속화하기 위해 NVIDIA Omniverse 시뮬레이션 플랫폼을 시험해왔습니다.
지난 수십 년 동안, 과학자들은 탄소가 전혀 없고 방사능이 적은 핵융합 에너지를 만드는 방법을 실험해 왔죠. 이러한 기술은 증가하는 세계의 수요를 충족시키기 위해 사실상 무제한의 깨끗하고, 안전하고, 저렴한 에너지를 제공할 수 있습니다.
핵융합은 원자핵을 결합하여 에너지를 방출할 수 있는 원리입니다. 그러나 핵융합 에너지는 높은 에너지 투입 요구와 핵융합 반응의 예측할 수 없는 행동 때문에 아직 생산을 위해 성공적으로 확장되지 않았죠.
핵융합 반응은 거대한 중력 압력이 태양을 화씨(Fahrenheit) 약 2700만 도에서 자연적으로 핵융합을 일으키게 합니다. 하지만 지구는 태양과 같은 중력 압력을 가지고 있지 않으며, 이것은 핵융합을 일으키기 위한 온도가 1억 8천만 도 이상으로 훨씬 더 높아야 하죠.
지구에서 태양의 힘을 복제하기 위해, 연구원들과 엔지니어들은 핵융합로를 위한 설계 개발을 위한 데이터 사이언스와 최대 규모의 컴퓨팅의 최신 발전을 이용하고 있습니다. NVIDIA Omniverse를 통해 연구자들은 잠재적으로 충분히 작동하는 원자로의 디지털 트윈을 제작할 수 있으며, 가장 효율적인 설계가 건설용으로 선택되도록 돕습니다.
디자인, 시뮬레이션, 실시간 협업 가속화
모든 원자로 구성, 플라즈마, 제어, 유지 관리 시스템을 정확하게 나타내는 디지털 트윈을 구축하는 것은 엄청난 도전입니다. AI, 엑사급(Exascale) GPU 컴퓨팅, 물질적으로 정확한 시뮬레이션 소프트웨어로부터 이득을 크게 얻을 수 있습니다.
이 모든 것은 핵융합로의 설계로부터 시작됩니다. 이 과정에서 엔지니어링, 설계와 연구 전문가들로 구성된 대규모 팀의 많은 부품과 투입이 필요하죠. 멘체스터 대학교의 UKAEA 핵융합 디지털 엔지니어링 회장인 리 마게츠(Lee Margetts)는 “많은 다른 요소들이 있고, 우리는 물리학과 공학의 많은 다른 분야를 고려해야 합니다. 한 시스템에서 설계를 바꾼다면 다른 시스템에 연쇄적으로 영향을 미칠 수 있습니다”고 말했습니다.
다양한 분야의 전문가들이 이 프로젝트에 참여하고 있습니다. 각 팀 구성원은 서로 다른 컴퓨터 지원에 의한 설계 응용 프로그램이나 시뮬레이션 도구를 사용하며, 한 영역에서 전문가의 작업은 서로 다른 분야에서 작업하는 다른 사람의 데이터에 의존하죠.
UKAEA팀은 Omniverse를 탐색해 실시간 시뮬레이션 환경에서 함께 작업할 수 있도록 도와 개별 일부 부품만이 아닌 기계 전체의 디자인을 볼 수 있도록 하고 있습니다.
Omniverse는 이러한 모든 움직이는 부분을 동기화하는 데 있어 중요한 역할을 해왔습니다. Omniverse는 모든 도구와 응용 프로그램을 연결할 수 있도록 함으로써 원자로 설계 작업을 하는 엔지니어들이 단일 소스에서 동시에 협업할 수 있도록 지원합니다.
이 프로젝트의 연구원 무하마드 오메르(Muhammad Omer)는 “우리는 세 개의 다른 장소에서, 세 명의 다른 기술자들이, 세 개의 다른 패키지로, 원자로의 세 개의 다른 구성 요소를 작업하고 있는 장면을 볼 수 있습니다”라고 말했죠.
오메르는 Omniverse에서 실험할 때 완전 충실도(full-fidelity) 3D 데이터를 가져올 수 있는 플랫폼의 핵심 기능을 통해 원자로 설계에서 사실주의를 달성했다고 설명했습니다. 또한 RTX 렌더러를 사용해 실시간으로 시각화할 수 있어 구성 요소에 대한 다양한 설계 옵션을 쉽게 비교할 수 있습니다.
융합 플라즈마 시뮬레이션도 도전 과제인데요. 팀은 산업 시뮬레이션 소프트웨어 몬테 카를로 뉴트로닉스 Geant4(Monte Carlo Neutronics Code Geant4)에서 데이터를 연결하고 수집하기 위해 Omniverse 키트와 함께 파이썬 기반 Omniverse Extensions을 개발했습니다. 이를 통해 원자로에서 에너지를 운반하는 원자로 노심의 중성자 수송을 시뮬레이션할 수 있습니다.
또한 가시광 방출을 시뮬레이션하는 JOREK 플라즈마 시뮬레이션 코드를 보기 위해 Omniverse Extensions을 구축해 연구원들에게 플라즈마 상태에 대한 통찰력을 제공했습니다. 과학자들은 융합 플라즈마 시뮬레이션을 가속화하기 위한 AI 대리 모델(AI surrogate models)을 개발하기 위해 기존 시뮬레이션 데이터와 함께 사용할 NVIDIA Modulus AI-물리(AI-physics) 프레임워크 탐색을 시작할 예정입니다.
AI를 통한 설계 최적화 및 디지털 트윈 향상
Omniverse는 원자로의 설계, 작동과 제어를 돕는 것 외에도 미래의 AI 구동 또는 AI 증강 로봇 제어, 유지보수 시스템의 훈련을 지원할 수 있습니다. 이는 원자로의 방사선 환경에서 발전소를 유지하는 데 필수적이죠.
맞춤형 합성 데이터 생성 도구와 데이터세트를 구축하기 위한 소프트웨어 개발 키트 Omniverse Replicator를 사용하여, 연구원은 로봇 시스템을 훈련하기 위해 원자로와 플라즈마 동작에 대한 물리적으로 정확한 합성 데이터를 대량으로 생성할 수 있습니다. 시뮬레이션 학습을 통해 로봇은 실제 세계에서의 작업을 보다 정확하게 처리해 예측 유지보수를 개선하고 가동 중지 시간을 줄일 수 있죠.
미래에는 센서 모델이 관측 데이터를 Omniverse 디지털 트윈에 실시간을 스트리밍해 가상 트윈을 원자로의 물리적 상태와 지속적으로 동기화할 수 있습니다. 연구자들은 물리적 원자로에 변경 사항을 적용하기 전 가상 트윈에서 테스트를 통해 다양한 가상 시나리오를 탐색할 수 있죠.
전반적으로 마게츠(Margetts)와 UKAEA의 팀은 Omniverse를 통해 핵융합로를 위한 디지털 트윈을 구축하는 데 있어 수많은 독특한 기회와 이점을 확인했습니다. Omniverse는 연구자들이 최초의 원자로 기술을 개발하기 위해 사용할 수 있는 거의 실시간 플랫폼의 가능성을 제공합니다. 또한 이 플랫폼을 통해 엔지니어는 원자로 설계에 대해 원활하게 협력할 수 있죠. 팀은 사용자들이 미래의 발전소를 최적화할 수 있도록 해주는 통합 AI 도구에 접근할 수 있습니다.
마게츠는 “우리가 본 것에 대해 기쁘게 생각합니다. 이것이 디지털 엔지니어링을 위한 플랫폼으로서 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿습니다”고 말했습니다.
데모 영상을 시청하고, NVIDIA Omniverse에 대해 알아보세요.
Featured image courtesy of Brigantium Engineering and Bentley Systems.