令人驚嘆的核聚變 3D 可視化帶您進入托卡馬克

當談到有前途的能源形式時，核聚變滿足所有條件：干凈、豐富、連續且安全。

它是當兩個原子的輕質原子核融合在一起形成一個較重的原子核時產生的，在此過程中釋放出大量的能量。

為了使聚變反應以可控的方式發生，需要以巨環的形式建造巨大的反應堆，這些反應堆充滿了磁鐵以產生磁場，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，您現在可以觀看這種反應堆（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。

在洛桑聯邦理工學院，實驗博物館學實驗室（EM+）專門研究這項技術，并開發了一個程序，將洛桑聯邦理工學院瑞士等離子體中心（SPC）進行的托卡馬克模擬和測試產生的數TB數據轉化為沉浸式3D可視化體驗。

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

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--忠實再現了EPFL可變配置托卡馬克（TCV）的內部，以驚人的細節呈現，甚至可與最高質量的游戲體驗相媲美。

該實驗反應堆建于30多年前，至今仍是世界上唯一的此類反應堆。

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

“我們甚至能夠捕捉到反應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器數據整合到他們的3D可視化系統中。問題是所有的計算都必須實時進行。

“為了只生成單個圖像，系統必須以每秒 60 次的速度計算每只眼睛的數千個移動粒子的軌跡，”Mannane 說。

這種繁重的數字運算是由五臺計算機執行的，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。

“由于信息圖表技術的進步，我們能夠構建我們的系統，”負責 EM+ 的教授 Sarah Kenderdine 說。“即使在五年前，這也是不可能的。”

其結果是具有令人振奮的逼真質量的圖像。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——反應堆大約是他們的兩倍大。隨著模擬的進行，當成千上萬的粒子飛馳而過，旋轉、旋轉和相互追逐時，觀眾會感到自己非常渺小。

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

SPC主任保羅·里奇（Paolo Ricci）解釋說：“天體物理學的可視化技術相當先進，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——這尤其要歸功于我們在EM+方面所做的工作。

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

事實上，洛桑聯邦理工學院（EPFL）被選為該聯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。

將輸出與藝術相結合

Kenderdine說，最大的挑戰是“從如此龐大的數據庫中提取有形信息，以產生準確、連貫和'真實'的可視化效果——即使是虛擬的。

“結果是非凡的，我什至會說美麗，它為科學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雜，”Ricci 說。

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

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

除了SPC和EM+之外，其他三個EPFL小組也參與了高級計算中心：瑞士數據科學中心，數學研究所和科學IT與應用支持部門（SCITAS）。

本文最初由洛桑聯邦理工學院.

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