Как это работает
Когда речь идет о перспективных формах энергии, ядерный синтез отвечает всем критериям: он чистый, доступный, непрерывный и безопасный. Он происходит, когда легкие ядра двух атомов сливаются вместе, образуя более тяжелое ядро, высвобождая при этом большое количество энергии.
Смотрите также Крупнейший в мире термоядерный реактор ITER наконец завершен, но есть проблема
Чтобы реакция синтеза происходила контролируемо, нужны реакторы в виде больших колец, которые заполнены магнитами для создания магнитных полей, где атомные частицы "танцуют", как рой пчел.
Лаборатория EPFL специализируется на этой технологии реалистичной 3D-визуализации. Она разработала программу, которая превращает терабайты данных, полученных в результате моделирований и испытаний токамака, проводимых Швейцарским плазменным центром, в захватывающую 3D-визуализацию.
Для широкой публики визуализация — это путешествие в кольцо фейерверков, иллюстрирующее возможный будущий источник энергии. Для ученых это ценный инструмент, который делает сложные явления квантовой физики ощутимыми и помогает им понять результаты своих расчетов.
Очень точные изображения
3D-визуализация в этом случае – это панорама размером 4 метра в высоту и 10 метров в диаметре. Она является точной копией интерьера реального токамака, выполненной с такой потрясающей детализацией, что не уступает даже самому качественному игровому опыту.
Мы использовали робота для сверхточного сканирования внутреннего пространства реактора, которое затем скомпилировали для создания 3D-модели, воспроизводящей его компоненты вплоть до текстуры,
– рассказывает компьютерный ученый Сами Маннане.
Ученые даже смогли зафиксировать износ графитовых плиток, которыми облицованы стены реактора, подвергающихся воздействию чрезвычайно высоких температур во время тестовых запусков реактора.
Затем инженеры предоставили уравнения для расчета точного движения квантовых частиц в определенный момент времени. Затем исследователи соединили эти уравнения с данными реактора, добавив их в систему 3D-визуализации. Сложность заключается в том, что все расчеты должны проводиться в режиме реального времени. Чтобы создать только одно изображение, система должна вычислить траектории тысяч движущихся частиц со скоростью 60 раз в секунду для каждого глаза. Эти тяжелые вычисления выполняют пять компьютеров с 2 графическими процессорами каждый. Выходные данные компьютеров подаются на пять 4K-проекторов панорамы.
"Мы смогли создать нашу систему благодаря развитию технологий инфографики. Еще пять лет назад это было бы невозможно", – говорит профессор Сара Кендердин.
Результат — реалистичные изображения потрясающего качества. Вы можете увидеть инжекторное устройство, которое впрыскивает частицы в токамак, а также графитовые плитки, способные выдерживать температуру более 100 миллионов градусов по Цельсию.
Визуализация процессов, происходящих внутри термоядерного реактора / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)
Визуализация процессов, происходящих внутри термоядерного реактора / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)
Масштабы всего этого поражают. Чтобы дать зрителям лучшее понимание, визуализация включает изображение человека и позволяет увидеть, что реактор примерно вдвое больше него. Когда симуляция увеличивается, зритель чувствует себя совсем маленьким, поскольку тысячи частиц пролетают мимо него, вращаясь, крутясь и гоняясь друг за другом.
Электроны обозначены красным цветом, протоны — зеленым, а синие линии указывают на магнитное поле. Пользователи могут настроить любой из параметров, чтобы увидеть определенную часть реактора под выбранным углом, с почти идеальной визуализацией.
Визуализация процессов, происходящих внутри термоядерного реактора, под другим углом / Фото EPFL / Laboratory for Experimental Museology (EM+)
Смотрите также Британцы показали работу термоядерного реактора изнутри: исключительное видео
Самым большим вызовом, говорят ученые, было "извлечь ощутимую информацию из такой огромной базы данных, чтобы создать визуализацию, которая является точной, последовательной и настоящей – даже если она виртуальная". Физика, лежащая в основе процесса визуализации, чрезвычайно сложная.
Токамаки имеют много разных движущихся частей: частицы с гетерогенным поведением, магнитные поля, волны для нагрева плазмы, частицы, инжектируемые извне, газы и прочее. Даже физикам трудно разобраться во всем этом. Визуализация сочетает в себе стандартный выход программ для моделирования с методами визуализации в реальном времени, которые лаборатория использует для создания атмосферы, похожей на видеоигры.