|
Визуализация воплощает ядерный синтез в жизнь
|
|
|
|
Когда речь заходит о перспективных видах энергии, ядерный синтез отвечает всем требованиям: он чистый, обильный, непрерывный и безопасный. Он образуется, когда легкие ядра двух атомов соединяются вместе, образуя более тяжелое ядро, при этом высвобождается большое количество энергии.
|
|
|
|
Чтобы термоядерные реакции протекали контролируемым образом, необходимы огромные реакторы в форме гигантских колец, которые заполнены магнитами для создания магнитных полей, в которых атомные частицы жужжат и танцуют, как пчелиный рой. Трудно представить? Хорошей новостью является то, что теперь вы можете увидеть живую симуляцию такого рода реакторов, называемых токамаками, благодаря потрясающе реалистичной технологии 3D—визуализации.
|
|
|
|
В EPFL Лаборатория экспериментальной музеологии (EM+) специализируется на этой технологии и разработала программу, которая превращает терабайты данных, полученных в результате моделирования токамака и тестирования, проведенного Швейцарским плазменным центром EPFL (SPC), в захватывающий опыт 3D-визуализации.
|
|
|
|
Для широкой публики визуализация - это путешествие в мир фейерверков, иллюстрирующих возможный будущий источник энергии; для ученых это ценный инструмент, который делает сложные явления квантовой физики осязаемыми и помогает им понять результаты своих расчетов.
|
 |
|
|
|
Трехмерная визуализация — панорама высотой 4 метра и диаметром 10 метров — представляет собой точное воспроизведение интерьера токамака переменной конфигурации (TCV) компании EPFL, выполненное с такой потрясающей детализацией, что оно не уступает даже игровым процессорам самого высокого качества. Экспериментальный реактор [CS1] был построен более 30 лет назад и до сих пор остается единственным в своем роде в мире.
|
|
|
|
"Мы использовали робота для создания сверхточных снимков внутренней части реактора, которые затем скомпилировали для создания 3D-модели, воспроизводящей все компоненты вплоть до их текстуры", - говорит Сами Маннане, специалист по информатике в EM+. "Мы даже смогли зафиксировать износ графитовых плит, облицовывающих стенки реактора, которые подвергаются воздействию чрезвычайно высоких температур во время тестовых запусков TCV".
|
|
|
|
Инженеры SPC представили уравнения для точного расчета того, как движутся квантовые частицы в данный момент времени. Затем исследователи EM+ включили эти уравнения вместе с данными о реакторе в свою систему 3D-визуализации. Загвоздка в том, что все расчеты должны выполняться в режиме реального времени.
|
|
|
|
"Чтобы получить всего одно изображение, система должна рассчитать траектории тысяч движущихся частиц со скоростью 60 раз в секунду для каждого глаза", - говорит Маннане. Это масштабное вычисление выполняется пятью компьютерами с 2 графическими процессорами на каждом, которые компания EM+ приобрела для этого проекта.
|
|
|
|
Данные с компьютеров передаются на пять проекторов panorama с разрешением 4k. "Мы смогли создать нашу систему благодаря достижениям в области инфографики", - говорит Сара Кендердин, профессор, возглавляющая EM+. "Еще пять лет назад это было бы невозможно".
|
|
|
|
В результате получаются реалистичные изображения потрясающего качества. Вы можете увидеть инжекционное устройство, которое помещает частицы в токамак, а также графитовые пластины, способные выдерживать температуру более 100 миллионов градусов Цельсия.
|
|
|
|
И масштабы всего этого впечатляют. Чтобы дать зрителям представление, в визуализацию включено изображение человека — реактор примерно в два раза больше, чем они сами. По мере увеличения скорости моделирования зритель чувствует себя совсем маленьким, когда тысячи частиц проносятся мимо, вращаясь и гоняясь друг за другом. Электроны выделены красным цветом, протоны - зеленым, а синие линии обозначают магнитное поле. Пользователи могут настроить любой из параметров для просмотра определенной части реактора под выбранным углом с почти идеальной визуализацией.
|
|
|
|
Директор SPC Паоло Риччи (Paolo Ricci) объясняет: "Методы визуализации в астрофизике достаточно развиты, во многом благодаря планетариям. Но в области ядерного синтеза мы только начинаем использовать эту технологию — в частности, благодаря работе, которую мы проводим с EM+".
|
|
|
|
Опираясь на опыт SPC в этой области, EPFL принимает участие в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) и является ключевым членом консорциума EUROfusion. Фактически, EPFL был выбран для размещения одного из пяти передовых вычислительных центров консорциума, что дало исследователям, участвующим в этом проекте, продвинутый инструмент для визуализации их работы.
|
|
Сочетание результатов и искусства
|
|
|
|
Кендердайн говорит, что самой большой проблемой было "извлечь осязаемую информацию из такой огромной базы данных, чтобы создать точную, последовательную и "реальную" визуализацию, даже если она виртуальная. Результат получился экстраординарным и, я бы даже сказал, прекрасным, и это дает ученым полезный инструмент, который открывает целый ряд возможностей".
|
|
|
|
"Физика, лежащая в основе процесса визуализации, чрезвычайно сложна", - говорит Риччи. "Токамаки имеют множество различных движущихся частей: частицы с неоднородным поведением, магнитные поля, волны для нагрева плазмы, частицы, вводимые извне, газы и многое другое. Даже физикам трудно разобраться во всем этом.
|
|
|
|
"Визуализация, разработанная EM+, сочетает в себе стандартные результаты программ моделирования — в основном таблицы чисел — с методами визуализации в реальном времени, которые лаборатория использует для создания атмосферы, подобной видеоиграм".
|
|
|
|
Источник
|
