엔비디아(www.nvidia.co.kr, CEO 젠슨 황)는 영국 원자력청(Atomic Energy Authority, UKAEA)과 맨체스터 대학이 엔비디아 옴니버스(NVIDIA Omniverse) 시뮬레이션 플랫폼을 사용해 광범위한 핵융합로 설계와 개발에 나섰다고 밝혔다. 평가 프로젝트를 통해 향후 몇 년 간 청정전력 공급을 가능하게 하는 것을 목표로 한다.

지구 기후변화로 인해 많은 연구자, 조직, 정부에게 청정 에너지를 찾고 확보하는 것은 매우 중요한 도전이 됐다. 지난 수십 년 동안, 과학자들은 탄소가 전혀 없고 방사능이 적은 핵융합 에너지를 만드는 방법을 실험해왔다. 이러한 기술은 깨끗하고, 안전하고, 저렴한 에너지를 무제한 제공해 증가하는 세계 수요를 충족시킬 예정이다.

핵융합은 원자핵을 결합해 에너지를 방출할 수 있는 원리다. 그러나 핵융합 에너지는 높은 에너지 투입을 요구하고, 핵융합 반응의 예측 불가함으로 인해 생산이 활성화되지 않았다. 핵융합은 거대한 중력 압력을 갖는 태양에서 화씨(Fahrenheit) 약 2,700만 도가 됐을 때 자연적으로 발생한다. 하지만 지구는 태양과 같은 중력 압력을 갖고 있지 않기 때문에 핵융합을 일으키기 위한 온도가 1억 8천만 도 이상으로 훨씬 높아야 한다.

따라서 연구원들과 엔지니어들은 지구에서 태양의 힘을 복제하기 위해 핵융합로 설계 개발을 시작했다. 이를 위해 데이터 사이언스와 최대 규모 컴퓨팅의 최신 발전을 이용하고 있다. 여기서 엔비디아는 연구자들이 엔비디아 옴니버스를 통해 잠재적으로 충분히 작동하는 원자로의 디지털 트윈을 제작하게 하고, 가장 효율적인 설계가 건설용으로 선택되도록 돕고 있다.

디자인, 시뮬레이션, 실시간 협업 가속화

디지털 트윈 구축이 엄청난 도전인 이유는 모든 원자로 구성, 플라즈마, 제어, 유지 관리 시스템을 정확하게 나타내야 하기 때문이다. 이는 AI, 엑사급(Exascale) GPU 컴퓨팅, 물리적으로 정확한 시뮬레이션 소프트웨어에서 큰 이점을 얻을 수 있다.

이 모든 것은 핵융합로의 설계로부터 시작되는데, 여기서 엔지니어링, 설계와 연구 전문가들로 구성된 대규모 팀의 많은 부품과 투입이 필요하다. 멘체스터 대학교의 UKAEA 핵융합 디지털 엔지니어링 회장인 리 마게츠(Lee Margetts)는 “많은 다른 요소들이 있고, 우리는 물리학과 공학의 많은 다른 분야를 고려해야 한다. 한 시스템에서 설계를 바꾼다면 다른 시스템에 연쇄적으로 영향을 미칠 수 있다”라고 말했다.

이 프로젝트에는 다양한 분야의 전문가들이 참여하고 있다. 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 의존한다.

UKAEA팀은 옴니버스를 통해 실시간 시뮬레이션 환경에서 개별 일부 부품이 아닌 기계 전체 디자인을 보며 작업할 수 있도록 했다.

옴니버스는 모든 도구와 응용 프로그램을 연결할 수 있도록 함으로써 원자로 설계 작업을 하는 엔지니어들이 단일 소스에서 동시에 협업할 수 있도록 지원했다.

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 있다”라고 말했다.

오메르는 옴니버스에서 실험할 때 완전 충실도(full-fidelity) 3D 데이터를 가져올 수 있는 플랫폼의 핵심 기능을 통해 원자로 설계에서 사실주의를 달성했다고 설명했다. 더불어 RTX 렌더러를 사용해 실시간으로 시각화할 수 있어 구성 요소에 대한 다양한 설계 옵션을 쉽게 비교할 수 있다.

융합 플라즈마 시뮬레이션은 또 하나의 도전 과제인데, 팀은 산업 시뮬레이션 소프트웨어 몬테 카를로 뉴트로닉스 Geant4(Monte Carlo Neutronics Code Geant4)에서 데이터를 연결하고 수집하기 위해 옴니버스 키트와 함께 파이썬 기반 옴니버스 익스텐션(Omniverse Extensions)을 개발했다. 이를 통해 원자로에서 에너지를 운반하는 원자로 노심의 중성자 수송을 시뮬레이션 할 수 있다.

또한 옴니버스 익스텐션을 구축해 가시광 방출을 시뮬레이션 하는 JOREK 플라즈마 시뮬레이션 코드를 볼 수 있게 만들어 연구원들이 플라즈마 상태를 파악할 수 있도록 했다.

과학자들은 융합 플라즈마 시뮬레이션을 가속화하기 위한 AI 대리 모델(AI surrogate models)을 개발하기 위해 기존 시뮬레이션 데이터와 함께 사용할 엔비디아 모듈러스(Modulus) AI-물리(AI-physics) 프레임워크 탐색을 시작할 예정이다.

AI를 통한 설계 최적화 및 디지털 트윈 향상

옴니버스는 원자로의 설계, 작동과 제어를 돕는 것 외에도 미래의 AI 구동 또는 AI 증강 로봇 제어, 유지보수 시스템 훈련을 지원한다. 이는 원자로의 방사선 환경에서 발전소를 유지하는 데 필수적이다.

연구원은 맞춤형 합성 데이터 생성 도구와 데이터세트를 구축하기 위한 소프트웨어 개발 키트 옴니버스 레플리케이터(Omniverse Replicator) 사용으로 로봇 시스템 훈련을 위한 원자로와 플라즈마 동작에 대해 물리적으로 정확한 합성 데이터를 대량으로 생성할 수 있다. 또한 시뮬레이션 학습을 통해 로봇은 실제 세계에서의 작업을 보다 정확하게 처리해 예측 유지보수를 개선하고 가동 중지 시간을 줄일 수 있다.

미래에는 센서 모델이 옴니버스 디지털 트윈에 관측 데이터를 실시간 스트리밍해 가상 트윈을 원자로의 물리적 상태와 지속적으로 동기화할 수 있다. 연구자들은 물리적 원자로에 변경 사항을 적용하기 전, 가상 트윈에서 테스트를 통해 다양한 가상 시나리오를 탐색할 수 있다.

전반적으로 마게츠(Margetts)와 UKAEA의 팀은 옴니버스를 통해 핵융합로를 위한 디지털 트윈을 구축하는 데 있어 수많은 독특한 기회와 이점을 확인했다. 옴니버스는 연구자들이 최초의 원자로 기술을 개발하기 위해 사용할 수 있는 실시간 플랫폼의 가능성을 제공한다. 또한 이 플랫폼을 통해 엔지니어는 원자로 설계에 대해 원활하게 협력할 수 있고, 팀은 사용자들이 미래의 발전소를 최적화할 수 있도록 해주는 통합 AI 도구에 접근할 수 있다.

마게츠는 “옴니버스는 디지털 엔지니어링을 위한 플랫폼으로서 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿는다”라고 말했다.