令人驚嘆的核聚變 3D 可視化帶您進入托卡馬克

當(dāng)談到有前途的能源形式時，核聚變滿足所有條件：干凈、豐富、連續(xù)且安全。

它是當(dāng)兩個原子的輕質(zhì)原子核融合在一起形成一個較重的原子核時產(chǎn)生的，在此過程中釋放出大量的能量。

為了使聚變反應(yīng)以可控的方式發(fā)生，需要以巨環(huán)的形式建造巨大的反應(yīng)堆，這些反應(yīng)堆充滿了磁鐵以產(chǎn)生磁場，原子粒子在周圍嗡嗡作響，像一群蜜蜂一樣跳舞。

很難想象？好消息是，您現(xiàn)在可以觀看這種反應(yīng)堆（稱為托卡馬克）的實時模擬，這要歸功于令人驚嘆的逼真 3D 可視化技術(shù)。

在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，實驗博物館學(xué)實驗室（EM+）專門研究這項技術(shù)，并開發(fā)了一個程序，將洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院瑞士等離子體中心（SPC）進行的托卡馬克模擬和測試產(chǎn)生的數(shù)TB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沉浸式3D可視化體驗。

對于普通大眾來說，可視化是進入煙花環(huán)的旅程，展示了未來可能的能源來源;對于科學(xué)家來說，它是一種有價值的工具，可以使量子物理學(xué)的復(fù)雜現(xiàn)象變得有形，并幫助他們掌握計算結(jié)果。

圖像如此精確，以至于顯示出磨損

3D可視化 - 高4米，直徑10米的全景圖--忠實再現(xiàn)了EPFL可變配置托卡馬克（TCV）的內(nèi)部，以驚人的細節(jié)呈現(xiàn)，甚至可與最高質(zhì)量的游戲體驗相媲美。

該實驗反應(yīng)堆建于30多年前，至今仍是世界上唯一的此類反應(yīng)堆。

EM+的計算機科學(xué)家Samy Mannane說：“我們使用機器人生成反應(yīng)堆內(nèi)部的超高精度掃描，然后我們對其進行編譯以生成一個3D模型，該模型可以復(fù)制其組件直至其紋理。

“我們甚至能夠捕捉到反應(yīng)堆壁襯里石墨瓦的磨損，這些石墨瓦在TCV試運行期間會受到極高的溫度影響。”

SPC工程師提供了方程，用于準確計算量子粒子在給定時間點的運動方式。然后，EM+研究人員將這些方程以及反應(yīng)器數(shù)據(jù)整合到他們的3D可視化系統(tǒng)中。問題是所有的計算都必須實時進行。

“為了只生成單個圖像，系統(tǒng)必須以每秒 60 次的速度計算每只眼睛的數(shù)千個移動粒子的軌跡，”Mannane 說。

這種繁重的數(shù)字運算是由五臺計算機執(zhí)行的，每臺計算機都有 2 個 GPU，EM+ 為這個項目購買了這些計算機。計算機的輸出被饋送到全景圖的五個 4k 投影儀中。

“由于信息圖表技術(shù)的進步，我們能夠構(gòu)建我們的系統(tǒng)，”負責(zé) EM+ 的教授 Sarah Kenderdine 說?！凹词乖谖迥昵?，這也是不可能的?！?/p>

其結(jié)果是具有令人振奮的逼真質(zhì)量的圖像。您可以看到將顆粒沉積到托卡馬克中的注射裝置，以及能夠承受超過 1 億攝氏度溫度的石墨瓦。

這一切的規(guī)模令人印象深刻。為了給觀眾一個想法，可視化包括一個人類的圖像——反應(yīng)堆大約是他們的兩倍大。隨著模擬的進行，當(dāng)成千上萬的粒子飛馳而過，旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和相互追逐時，觀眾會感到自己非常渺小。

電子是紅色的;質(zhì)子是綠色的;藍線表示磁場。用戶可以調(diào)整任何參數(shù)，以選定的角度查看反應(yīng)器的特定部分，并具有幾乎完美的渲染效果。

SPC主任保羅·里奇（Paolo Ricci）解釋說：“天體物理學(xué)的可視化技術(shù)相當(dāng)先進，這在很大程度上要歸功于天文館。但在核聚變方面，我們才剛剛開始使用這項技術(shù)——這尤其要歸功于我們在EM+方面所做的工作。

利用SPC在這一領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院參與了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目，并且是歐洲聚變聯(lián)盟的重要成員。

事實上，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）被選為該聯(lián)盟的五個高級計算中心之一，為參與這個歐盟資助項目的研究人員提供了一個先進的工具，可以可視化他們的工作。

將輸出與藝術(shù)相結(jié)合

Kenderdine說，最大的挑戰(zhàn)是“從如此龐大的數(shù)據(jù)庫中提取有形信息，以產(chǎn)生準確、連貫和'真實'的可視化效果——即使是虛擬的。

“結(jié)果是非凡的，我什至?xí)f美麗，它為科學(xué)家提供了一個有用的工具，開辟了一系列的可能性。

“可視化過程背后的物理原理非常復(fù)雜，”Ricci 說。

“托卡馬克有許多不同的運動部件：具有異質(zhì)行為的粒子、磁場、加熱等離子體的波、從外部注入的粒子、氣體等等。

“即使是物理學(xué)家也很難理清所有東西。EM+開發(fā)的可視化技術(shù)將模擬程序的標準輸出（基本上是數(shù)字表）與實驗室用來營造類似視頻游戲氛圍的實時可視化技術(shù)相結(jié)合。

除了SPC和EM+之外，其他三個EPFL小組也參與了高級計算中心：瑞士數(shù)據(jù)科學(xué)中心，數(shù)學(xué)研究所和科學(xué)IT與應(yīng)用支持部門（SCITAS）。

本文最初由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院.

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