令人惊叹的核聚变 3D 可视化带您进入托卡马克

当谈到有前途的能源形式时，核聚变满足所有条件：干净、丰富、连续且安全。

它是当两个原子的轻质原子核融合在一起形成一个较重的原子核时产生的，在此过程中释放出大量的能量。

为了使聚变反应以可控的方式发生，需要以巨环的形式建造巨大的反应堆，这些反应堆充满了磁铁以产生磁场，原子粒子在周围嗡嗡作响，像一群蜜蜂一样跳舞。

很难想象？好消息是，您现在可以观看这种反应堆（称为托卡马克）的实时模拟，这要归功于令人惊叹的逼真 3D 可视化技术。

在洛桑联邦理工学院，实验博物馆学实验室（EM+）专门研究这项技术，并开发了一个程序，将洛桑联邦理工学院瑞士等离子体中心（SPC）进行的托卡马克模拟和测试产生的数TB数据转化为沉浸式3D可视化体验。

对于普通大众来说，可视化是进入烟花环的旅程，展示了未来可能的能源来源;对于科学家来说，它是一种有价值的工具，可以使量子物理学的复杂现象变得有形，并帮助他们掌握计算结果。

图像如此精确，以至于显示出磨损

3D可视化 - 高4米，直径10米的全景图--忠实再现了EPFL可变配置托卡马克（TCV）的内部，以惊人的细节呈现，甚至可与最高质量的游戏体验相媲美。

该实验反应堆建于30多年前，至今仍是世界上唯一的此类反应堆。

EM+的计算机科学家Samy Mannane说：“我们使用机器人生成反应堆内部的超高精度扫描，然后我们对其进行编译以生成一个3D模型，该模型可以复制其组件直至其纹理。

“我们甚至能够捕捉到反应堆壁衬里石墨瓦的磨损，这些石墨瓦在TCV试运行期间会受到极高的温度影响。”

SPC工程师提供了方程，用于准确计算量子粒子在给定时间点的运动方式。然后，EM+研究人员将这些方程以及反应器数据整合到他们的3D可视化系统中。问题是所有的计算都必须实时进行。

“为了只生成单个图像，系统必须以每秒 60 次的速度计算每只眼睛的数千个移动粒子的轨迹，”Mannane 说。

这种繁重的数字运算是由五台计算机执行的，每台计算机都有 2 个 GPU，EM+ 为这个项目购买了这些计算机。计算机的输出被馈送到全景图的五个 4k 投影仪中。

“由于信息图表技术的进步，我们能够构建我们的系统，”负责 EM+ 的教授 Sarah Kenderdine 说。“即使在五年前，这也是不可能的。”

其结果是具有令人振奋的逼真质量的图像。您可以看到将颗粒沉积到托卡马克中的注射装置，以及能够承受超过 1 亿摄氏度温度的石墨瓦。

这一切的规模令人印象深刻。为了给观众一个想法，可视化包括一个人类的图像——反应堆大约是他们的两倍大。随着模拟的进行，当成千上万的粒子飞驰而过，旋转、旋转和相互追逐时，观众会感到自己非常渺小。

电子是红色的;质子是绿色的;蓝线表示磁场。用户可以调整任何参数，以选定的角度查看反应器的特定部分，并具有几乎完美的渲染效果。

SPC主任保罗·里奇（Paolo Ricci）解释说：“天体物理学的可视化技术相当先进，这在很大程度上要归功于天文馆。但在核聚变方面，我们才刚刚开始使用这项技术——这尤其要归功于我们在EM+方面所做的工作。

利用SPC在这一领域的卓越表现，洛桑联邦理工学院参与了国际热核聚变实验堆（ITER）项目，并且是欧洲聚变联盟的重要成员。

事实上，洛桑联邦理工学院（EPFL）被选为该联盟的五个高级计算中心之一，为参与这个欧盟资助项目的研究人员提供了一个先进的工具，可以可视化他们的工作。

将输出与艺术相结合

Kenderdine说，最大的挑战是“从如此庞大的数据库中提取有形信息，以产生准确、连贯和'真实'的可视化效果——即使是虚拟的。

“结果是非凡的，我什至会说美丽，它为科学家提供了一个有用的工具，开辟了一系列的可能性。

“可视化过程背后的物理原理非常复杂，”Ricci 说。

“托卡马克有许多不同的运动部件：具有异质行为的粒子、磁场、加热等离子体的波、从外部注入的粒子、气体等等。

“即使是物理学家也很难理清所有东西。EM+开发的可视化技术将模拟程序的标准输出（基本上是数字表）与实验室用来营造类似视频游戏氛围的实时可视化技术相结合。

除了SPC和EM+之外，其他三个EPFL小组也参与了高级计算中心：瑞士数据科学中心，数学研究所和科学IT与应用支持部门（SCITAS）。

本文最初由洛桑联邦理工学院.

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