当谈到有前途的能源形式时，满足所有条件：干净、丰富、持续且安全。
当两个原子的轻原子核融合在一起形成较重的原子核时，就会产生它，并在此过程中释放大量能量。
为了以受控方式发生聚变反应，需要巨型环形式的巨大反应堆，其中充满磁铁以产生磁场，使原子粒子像一群蜜蜂一样嗡嗡作响并跳舞。
很难想象吗？好消息是，借助极其逼真的 3D 可视化技术，您现在可以观看此类反应堆（称为托卡马克）的实时模拟。
在洛桑联邦理工学院 (EPFL)，实验博物馆学实验室(EM+) 专注于这项技术，并开发了一个程序，可以将 EPFL 瑞士等离子体中心 (SPC) 进行的托卡马克模拟和测试生成的 TB 数据转化为身临其境的 3D 可视化体验。
对于普通公众来说，可视化是一段烟花之旅，展示了未来可能的能源来源；对于科学家来说，它是一个有价值的工具，可以使量子物理的复杂现象变得有形，并帮助他们掌握计算结果。
图像非常精确，可以看出磨损情况
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，其渲染细节令人惊叹，甚至可以与最优质的游戏体验相媲美。
该实验反应堆建于 30 多年前，至今仍是世界上唯一的此类实验反应堆。
EM+ 的计算机科学家 Samy Mannane 表示：“我们使用机器人对反应堆内部进行超高精度扫描，然后将其编译生成 3D 模型，将其组件精确复制到纹理。”
“我们甚至能够捕捉到反应堆壁内衬石墨瓦的磨损情况，这些石墨瓦在 TCV 测试运行期间会承受极高的温度。”
SPC 工程师提供了用于精确计算量子粒子在给定时间点如何移动的方程。然后，EM+ 研究人员将这些方程以及反应器数据合并到他们的 3D 可视化系统中。问题是所有计算都必须实时进行。
“为了生成单个图像，系统必须为每只眼睛以每秒 60 次的速度计算数千个移动粒子的轨迹，”Mannane 说。
这种繁重的数字运算由 EM+ 为本项目购买的五台计算机执行，每台计算机配备 2 个 GPU。计算机的输出被输入到全景图的五台 4k 投影仪中。
EM+ 负责人 Sarah Kenderdine 教授表示：“得益于信息图表技术的进步，我们能够构建我们的系统。” “即使在五年前，这也是不可能的。”
结果是质量令人惊叹的逼真图像。您可以看到将颗粒沉积到托卡马克中的注入装置以及能够承受超过一亿摄氏度温度的石墨瓦。
这一切的规模令人印象深刻。为了让观众有一个想法，可视化中包含了一个人类的图像——反应堆的大小大约是人类的两倍。随着模拟的加强，观看者会感觉自己非常渺小，因为数千个粒子快速掠过，旋转、旋转、互相追逐。
电子为红色；质子呈绿色；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，并获得近乎完美的渲染。
SPC 主任 Paolo Ricci 解释道：“可视化技术在天体物理学领域相当先进，这主要归功于天文馆。但在核聚变领域，我们才刚刚开始使用这项技术——尤其要感谢我们在 EM+ 方面所做的工作。”
凭借 SPC 在该领域的卓越表现，EPFL 正在参与国际热核实验反应堆 (ITER) 项目，并且是 EUROfusion 联盟的重要成员。
事实上，洛桑联邦理工学院被选为该联盟的五个高级计算中心之一的所在地，为参与这个欧盟资助项目的研究人员提供了一种先进的工具来可视化他们的工作。
输出与艺术的结合
Kenderdine 表示，最大的挑战是“从如此庞大的数据库中提取有形信息，以生成准确、连贯且‘真实’的可视化效果——即使它是虚拟的。”
“结果是非凡的，我什至可以说很漂亮，它为科学家提供了一个有用的工具，开辟了一系列可能性。”
“可视化过程背后的物理原理极其复杂，”里奇说。
“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事情。EM+ 开发的可视化将模拟程序的标准输出（基本上是数字表格）与实验室用来营造视频游戏般氛围的实时可视化技术相结合。 ”
除了 SPC 和 EM+ 之外，洛桑联邦理工学院的另外三个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 与应用支持单位 (SCITAS)。
本文最初发表于洛桑联邦理工学院。
