令人驚嘆的核聚變 3D 可視化帶您進(jìn)入托卡馬克

當(dāng)談到有前途的能源形式時(shí)，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(gè)原子的輕質(zhì)原子核融合在一起形成一個(gè)較重的原子核時(shí)產(chǎn)生的，在此過(guò)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(chǎng)，原子粒子在周?chē)宋俗黜懀褚蝗好鄯湟粯犹琛?/p>

很難想象？好消息是，您現(xiàn)在可以觀看這種反應(yīng)堆（稱(chēng)為托卡馬克）的實(shí)時(shí)模擬，這要?dú)w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(shí)驗(yàn)博物館學(xué)實(shí)驗(yàn)室（EM+）專(zhuān)門(mén)研究這項(xiàng)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)程序，將洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院瑞士等離子體中心（SPC）進(jìn)行的托卡馬克模擬和測(cè)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(yàn)。

對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)，可視化是進(jìn)入煙花環(huán)的旅程，展示了未來(lái)可能的能源來(lái)源;對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，它是一種有價(jià)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(jì)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(shí)再現(xiàn)了EPFL可變配置托卡馬克（TCV）的內(nèi)部，以驚人的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)，甚至可與最高質(zhì)量的游戲體驗(yàn)相媲美。

該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆建于30多年前，至今仍是世界上唯一的此類(lèi)反應(yīng)堆。

EM+的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Samy Mannane說(shuō)：“我們使用機(jī)器人生成反應(yīng)堆內(nèi)部的超高精度掃描，然后我們對(duì)其進(jìn)行編譯以生成一個(gè)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(yùn)行期間會(huì)受到極高的溫度影響?！?/p>

SPC工程師提供了方程，用于準(zhǔn)確計(jì)算量子粒子在給定時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題是所有的計(jì)算都必須實(shí)時(shí)進(jìn)行。

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

這種繁重的數(shù)字運(yùn)算是由五臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行的，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有 2 個(gè) GPU，EM+ 為這個(gè)項(xiàng)目購(gòu)買(mǎi)了這些計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)的輸出被饋送到全景圖的五個(gè) 4k 投影儀中。

“由于信息圖表技術(shù)的進(jìn)步，我們能夠構(gòu)建我們的系統(tǒng)，”負(fù)責(zé) EM+ 的教授 Sarah Kenderdine 說(shuō)?！凹词乖谖迥昵埃@也是不可能的。”

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(guò) 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(gè)想法，可視化包括一個(gè)人類(lèi)的圖像——反應(yīng)堆大約是他們的兩倍大。隨著模擬的進(jìn)行，當(dāng)成千上萬(wàn)的粒子飛馳而過(guò)，旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和相互追逐時(shí)，觀眾會(huì)感到自己非常渺小。

電子是紅色的;質(zhì)子是綠色的;藍(lán)線表示磁場(chǎng)。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(shuō)：“天體物理學(xué)的可視化技術(shù)相當(dāng)先進(jìn)，這在很大程度上要?dú)w功于天文館。但在核聚變方面，我們才剛剛開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)——這尤其要?dú)w功于我們?cè)贓M+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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目，并且是歐洲聚變聯(lián)盟的重要成員。

事實(shí)上，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）被選為該聯(lián)盟的五個(gè)高級(jí)計(jì)算中心之一，為參與這個(gè)歐盟資助項(xiàng)目的研究人員提供了一個(gè)先進(jìn)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(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是“從如此龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有形信息，以產(chǎn)生準(zhǔn)確、連貫和'真實(shí)'的可視化效果——即使是虛擬的。

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

“可視化過(guò)程背后的物理原理非常復(fù)雜，”Ricci 說(shuō)。

“托卡馬克有許多不同的運(yùn)動(dòng)部件：具有異質(zhì)行為的粒子、磁場(chǎng)、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(kāi)發(fā)的可視化技術(shù)將模擬程序的標(biāo)準(zhǔn)輸出（基本上是數(shù)字表）與實(shí)驗(yàn)室用來(lái)營(yíng)造類(lèi)似視頻游戲氛圍的實(shí)時(shí)可視化技術(shù)相結(jié)合。

除了SPC和EM+之外，其他三個(gè)EPFL小組也參與了高級(jí)計(jì)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(mén)（SCITAS）。

本文最初由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院.

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