Πυρηνική Σύντηξη: Εκπληκτικές 3D αναπαραστάσεις δείχνουν τι συμβαίνει στο εσωτερικό ενός tokamak

Η ανάπτυξη ενός εμπορικής χρήσης αντιδραστήρα Πυρηνικής Σύντηξης είναι εξαιρετικά περίπλοκη, τόσο από την άποψη της Φυσικής του Πλάσματος όσο και από τη πλευρά των μηχανολογικών λύσεων που απαιτούνται. Για το λόγο αυτό,
όλες οι διαθέσιμες μηχανές αυτού του τύπου είναι πειραματικοί αντιδραστήρες, και ως εκ τούτου ο σκοπός τους είναι καθαρά ερευνητικού χαρακτήρα στην εποχή μας.

Παρόλα αυτά, οι Φυσικοί και οι Μηχανικοί που ασχολούνται με την ανάπτυξη της Πυρηνικής Σύντηξης έχουν σήμερα περισσότερα εργαλεία στη διάθεση τους από ποτέ. Η Τεχνητή Νοημοσύνη, οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές και η Ρομποτική είναι μόνο μερικά από αυτά, αλλά υπάρχει ένα που συχνά περνά απαρατήρητο και έχει επίσης μεγάλες δυνατότητες: προηγμένα συστήματα απεικόνισης που επιτρέπουν την τρισδιάστατη αναπαράσταση της δυναμικής του πλάσματος για την απόκτηση νέων γνώσεων.

Το EUROfusion, το όργανο που είναι υπεύθυνο για την προώθηση και την υποστήριξη της επιστημονικής έρευνας που απαιτείται για την υλοποίηση του ευρωπαϊκού σχεδίου για την πυρηνική σύντηξη, επέλεξε το εργαστήριο EM+ (Experimental Museology) του Swiss Federal Institute of Technology στη Λωζάνη για να αναπτύξει ένα προηγμένο σύστημα τρισδιάστατης απεικόνισης ικανό να επεξεργάζεται μεγάλο όγκο δεδομένων από προσομοιώσεις και δοκιμές και να παράγει γραφικά σε πραγματικό χρόνο. Η τεχνολογία αυτή είναι πολύ χρήσιμη όχι μόνο για την απόκτηση νέων γνώσεων σχετικά με τη δυναμική του πλάσματος, αλλά και για την καλύτερη κατανόηση της αλληλεπίδρασής του με τις περιοχές του θαλάμου κενού που εκτίθενται περισσότερο σε αυτό.

Το εργαστηριακό λογισμικό του EM+ είναι πλέον έτοιμο και παρέχει στους επιστήμονες θεαματικές εικόνες, ορισμένες εκ των οποίων βλέπετε σε αυτό το άρθρο. Οι επιστήμονες που ερευνούν την πυρηνική σύντηξη κατανοούν ήδη καλύτερα τα κβαντικά φαινόμενα που συμβαίνουν λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που περιέχονται στο πλάσμα χάρη σε αυτή την τεχνολογία, και, επιπλέον, το λογισμικό αυτό τους βοηθά να κατανοήσουν καλύτερα τα αποτελέσματα των υπολογισμών τους.

Χάριν στην εξαιρετική του ακρίβεια, το λογισμικό, αναπαριστά το εσωτερικό ενός αντιδραστήρα tokamak με εκπληκτική πιστότητα. Σε τέτοιο βαθμό, μάλιστα, ώστε να αντικατοπτρίζει ακόμη και τη φθορά που υφίστανται τα πλακίδια γραφίτη που επενδύουν τα εσωτερικά τοιχώματα του θαλάμου κενού του αντιδραστήρα. «Χρησιμοποιήσαμε ένα ρομπότ για να σαρώσουμε το εσωτερικό του αντιδραστήρα με μεγάλη ακρίβεια και στη συνέχεια το συνθέσαμε για να αναδημιουργήσουμε ένα τρισδιάστατο μοντέλο που αναπαράγει ακόμη και την υφή των εξαρτημάτων του», εξηγεί ο Samy Mannane , ένας από τους επιστήμονες του εργαστηρίου EM+.

Οι μηχανικοί του SPC παρείχαν εξισώσεις για τον ακριβή υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο κινούνται τα κβαντικά σωματίδια σε μια δεδομένη χρονική στιγμή. Στη συνέχεια, οι ερευνητές του EM+ ενσωμάτωσαν αυτές τις εξισώσεις, μαζί με τα δεδομένα του αντιδραστήρα, στο σύστημα τρισδιάστατης απεικόνισης. Το πρόβλημα είναι ότι όλοι οι υπολογισμοί πρέπει να πραγματοποιούνται σε πραγματικό χρόνο. «Για την παραγωγή μιας μόνο εικόνας, το σύστημα πρέπει να υπολογίσει τις τροχιές χιλιάδων κινούμενων σωματιδίων με ταχύτητα 60 φορές ανά δευτερόλεπτο για κάθε μάτι», λέει ο Mannane. Αυτή η απαιτητική επεξεργασία των αριθμών πραγματοποιείται από πέντε υπολογιστές με 2 GPU ο καθένας που απέκτησε η EM+ για το project αυτό. Τα αποτελέσματα των υπολογιστών διοχετεύονται στους πέντε 4Κ πανοραμικούς βιντεοπροβολείς. «Καταφέραμε να κατασκευάσουμε το σύστημά μας χάρη στις εξελίξεις στην τεχνολογία των infographics», λέει η Sarah Kenderdine, η καθηγήτρια που είναι επικεφαλής του EM+. «Θα ήταν αδύνατο ακόμη και πριν από μόλις πέντε χρόνια».

Το αποτέλεσμα είναι ρεαλιστικές εικόνες εκπληκτικής ποιότητας. Μπορείτε να δείτε τη συσκευή έγχυσης που εναποθέτει σωματίδια στο tokamak, καθώς και τα πλακίδια γραφίτη που είναι ικανά να αντέχουν σε θερμοκρασίες άνω των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Και η κλίμακα όλων αυτών είναι εντυπωσιακή. Για να δώσετε στους θεατές μια ιδέα, η οπτικοποίηση περιλαμβάνει την εικόνα ενός ανθρώπου - ο αντιδραστήρας έχει περίπου το διπλάσιο μέγεθος. Καθώς η προσομοίωση ανεβαίνει, ο θεατής αισθάνεται αρκετά μικρός, καθώς χιλιάδες σωματίδια περνούν με ταχύτητα, περιστρέφονται και στροβιλίζονται και κυνηγούν το ένα το άλλο. Τα ηλεκτρόνια είναι με κόκκινο χρώμα, τα πρωτόνια με πράσινο και οι μπλε γραμμές υποδεικνύουν το μαγνητικό πεδίο. Οι χρήστες μπορούν να ρυθμίσουν οποιαδήποτε από τις παραμέτρους για να δουν ένα συγκεκριμένο τμήμα του αντιδραστήρα σε μια επιλεγμένη γωνία, με σχεδόν τέλεια απόδοση.

Ο διευθυντής του SPC, Paolo Ricci, εξηγεί: «Οι τεχνικές οπτικοποίησης είναι αρκετά προηγμένες στην αστροφυσική, χάρη κυρίως στα πλανητάρια. Αλλά στην πυρηνική σύντηξη, μόλις τώρα αρχίζουμε να χρησιμοποιούμε αυτή την τεχνολογία - κυρίως χάρη στη δουλειά που κάνουμε με το EM+». Αξιοποιώντας την αριστεία του SPC σε αυτόν τον τομέα, η EPFL συμμετέχει στο έργο του Διεθνούς Πειραματικού Θερμοπυρηνικού Αντιδραστήρα (ITER) και είναι βασικό μέλος της κοινοπραξίας EUROfusion. Μάλιστα, η EPFL επιλέχθηκε να στεγάσει ένα από τα πέντε Advanced Computing Hubs της κοινοπραξίας, παρέχοντας στους ερευνητές που συμμετέχουν σε αυτό το χρηματοδοτούμενο από την ΕΕ έργο ένα προηγμένο εργαλείο για την οπτικοποίηση της εργασίας τους.

[via]