Вчені візуалізували те, що відбувається всередині термоядерного реактора під час синтезу

Як це працює

Коли йдеться про перспективні форми енергії, ядерний синтез відповідає всім критеріям: він чистий, доступний, безперервний і безпечний. Він відбувається, коли легкі ядра двох атомів зливаються разом, утворюючи важче ядро, вивільняючи при цьому велику кількість енергії.

Дивіться також Найбільший у світі термоядерний реактор ITER нарешті завершено, але є проблема

Щоб реакція синтезу відбувалася контрольовано, потрібні реактори у вигляді великих кілець, які заповнені магнітами для створення магнітних полів, де атомні частинки "танцюють", наче рій бджіл.

Лабораторія EPFL спеціалізується на цій технології реалістичної 3D-візуалізації. Вона розробила програму, яка перетворює терабайти даних, отриманих в результаті моделювань і випробувань токамака, що проводяться Швейцарським плазмовим центром, в захоплюючу 3D-візуалізацію.

Для широкої публіки візуалізація — це подорож у кільце феєрверків, що ілюструє можливе майбутнє джерело енергії. Для науковців натомість це цінний інструмент, який робить складні явища квантової фізики відчутними й допомагає їм зрозуміти результати своїх розрахунків.

Дуже точні зображення

3D-візуалізація в цьому випадку – це панорама розміром 4 метри заввишки і 10 метрів у діаметрі. Вона є точною копією інтер'єру реального токамака, виконаною з такою приголомшливою деталізацією, що не поступається навіть найякіснішому ігровому досвіду.

Ми використовували робота для надточного сканування внутрішнього простору реактора, яке потім скомпілювали для створення 3D-моделі, що відтворює його компоненти аж до текстури,
– розповідає комп'ютерний науковець Самі Маннане.

Вчені навіть змогли зафіксувати знос графітових плиток, якими облицьовані стіни реактора, що піддаються впливу надзвичайно високих температур під час тестових запусків реактора.

Потім інженери надали рівняння для розрахунку точного руху квантових частинок у певний момент часу. Потім дослідники поєднали ці рівняння з даними реактора, додавши їх у систему 3D-візуалізації. Складність полягає в тому, що всі розрахунки повинні проводитися в режимі реального часу. Щоб створити лише одне зображення, система повинна обчислити траєкторії тисяч рухомих частинок зі швидкістю 60 разів на секунду для кожного ока. Ці важкі обчислення виконують п'ять комп'ютерів з 2 графічними процесорами кожен. Вихідні дані комп'ютерів подаються на п'ять 4K-проєкторів панорами.

"Ми змогли створити нашу систему завдяки розвитку технологій інфографіки. Ще п'ять років тому це було б неможливо", – каже професорка Сара Кендердін.

Результат — реалістичні зображення приголомшливої якості. Ви можете побачити інжекторний пристрій, який впорскує частинки в токамак, а також графітові плитки, здатні витримувати температуру понад 100 мільйонів градусів за Цельсієм.

Візуалізація процесів, що відбуваються всередині термоядерного реактора / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)

Візуалізація процесів, що відбуваються всередині термоядерного реактора / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)

Масштаби всього цього вражають. Щоб дати глядачам краще розуміння, візуалізація включає зображення людини й дозволяє побачити, що реактор приблизно вдвічі більший за неї. Коли симуляція збільшується, глядач відчуває себе зовсім маленьким, оскільки тисячі частинок пролітають повз нього, обертаючись, крутячись і ганяючись одна за одною.

Електрони позначені червоним кольором, протони — зеленим, а сині лінії вказують на магнітне поле. Користувачі можуть налаштувати будь-який з параметрів, щоб побачити певну частину реактора під обраним кутом, з майже ідеальною візуалізацією.

Візуалізація процесів, що відбуваються всередині термоядерного реактора, під іншим кутом / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)

Дивіться також Британці показали роботу термоядерного реактора зсередини: виняткове відео

Найбільшим викликом, кажуть учені, було "витягти відчутну інформацію з такої величезної бази даних, щоб створити візуалізацію, яка є точною, послідовною і справжньою – навіть якщо вона віртуальна". Фізика, що лежить в основі процесу візуалізації, надзвичайно складна. 

Токамаки мають багато різних рухомих частин: частинки з гетерогенною поведінкою, магнітні поля, хвилі для нагрівання плазми, частинки, що інжектуються ззовні, гази та інше. Навіть фізикам важко розібратися у всьому цьому. Візуалізація поєднує в собі стандартний вихід програм для моделювання з методами візуалізації в реальному часі, які лабораторія використовує для створення атмосфери, схожої на відеоігри.