在核聚變商業(yè)化的道路上，計算密集型軟件模擬使得研究人員能夠在不構(gòu)建實體模型的情況下嘗試新思路。然而，有時軟件開發(fā)的步伐跟不上需求的增長。9月17日，EE Times Europe 報道了《The Crucial Role of Computer-Driven Simulation in Nuclear Fusion》一文，討論了高性能計算在核聚變研究中的關(guān)鍵作用，以及模擬軟件在設(shè)計和測試新配置中的重要性。

在任何新技術(shù)變得實用之前，它都會經(jīng)歷一個被稱為“發(fā)酵期”的階段，在此階段，不同的參與者會嘗試多種方法，直至其中一種成為主流設(shè)計。這一現(xiàn)象在5月27日至29日于法國卡達(dá)拉什ITER組織總部舉辦的“首屆私營部門核聚變研討會”上得到了體現(xiàn)。

超過30家私營核聚變公司參與了此次研討會，每家公司都帶來了其獨特的核聚變解決方案——核聚變是一種在恒星內(nèi)部通過極少量物質(zhì)產(chǎn)生巨大能量的過程。無論采取何種方法，要實現(xiàn)核聚變，物質(zhì)首先必須轉(zhuǎn)化為等離子體狀態(tài)，這種狀態(tài)以大量帶電粒子(離子和電子)為特征。

通常情況下，等離子體需要達(dá)到超過1億攝氏度的高溫，并且在大多數(shù)情況下，熱等離子體必須被限制(保持在一定位置)超過一個小時，以產(chǎn)生比投入更多的能量。在聚變過程中，會移除熱量和其他副產(chǎn)品，并添加更多的等離子體燃料。

得益于高性能計算，研究人員可以在制造實際機(jī)器之前，通過軟件測試新想法。復(fù)雜的軟件模擬使他們能夠進(jìn)行數(shù)十萬次迭代，以精確找到最佳的設(shè)計方案。面對廣泛的創(chuàng)意和想法，開發(fā)更多、更高效的模擬工具變得尤為迫切。

一、四種聚變方法示例

在研討會上，30家核聚變公司中的4家展示了他們的解決方案：TAE、General Fusion、Novatron和LPP Fusion。TAE在這一領(lǐng)域走得最遠(yuǎn)，已經(jīng)構(gòu)建了三臺主要的演示裝置。盡管已經(jīng)超越了最初的模擬階段，該公司仍然在實際應(yīng)用到機(jī)器之前使用軟件來測試新的配置。每一代的機(jī)器都為研究人員提供了關(guān)于核聚變的新見解，并據(jù)此調(diào)整了他們的模型和模擬器。

TAE Technologies 控制室(圖片來源：TAE Technologies)

TAE最新的演示裝置名為Norman，于2022年建成，運行溫度約為7500萬攝氏度，只要操作員持續(xù)施加外部中性束，等離子體就能保持穩(wěn)定。目前，TAE正在設(shè)計和建造下一臺名為Copernicus的裝置，它將在1.5億攝氏度(比太陽核心還要熱10倍)下運行。Copernicus之后，將開發(fā)一個商用聚變反應(yīng)堆的完整原型。

TAE Technologies 的 Norman 演示器外部視圖(來源：TAE Technologies)

General Fusion采取了完全不同的方法。它不試圖長時間維持聚變反應(yīng)，而是通過快速、多步驟過程中的短暫聚變爆發(fā)來實現(xiàn)。一個裝滿液態(tài)鋰的大鼓，旋轉(zhuǎn)速度足夠快，使得離心力將鋰推向鼓壁。等離子體被注入中心，然后數(shù)百個活塞對液態(tài)鋰施加壓力，使等離子體在大約一毫秒內(nèi)發(fā)生聚變。中子被釋放并被液態(tài)鋰捕獲，鋰變得非常熱并迅速被泵出，其熱量用于驅(qū)動渦輪機(jī)。隨后，冷卻的液態(tài)鋰被重新注入鼓中，開始下一個循環(huán)。這個過程大約每秒發(fā)生一次。

Novatron依賴于其聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Jan Jäderberg的創(chuàng)新，他改進(jìn)了磁鏡的設(shè)計，這是一種1955年首次展示的聚變方法。傳統(tǒng)上，通過定位兩個大型磁鐵，使帶電粒子在磁場區(qū)域之間來回反射。Novatron的創(chuàng)新之一是增加一對雙錐形尖端，以改善等離子體的穩(wěn)定性和約束，這些尖端產(chǎn)生的磁場與對稱平面相切。

最后，LPP Fusion基于20世紀(jì)60年代的一個概念：密集等離子體聚焦。該公司計劃使用質(zhì)子硼燃料，這是最清潔的燃料，并希望創(chuàng)建一個緊湊型的5兆瓦發(fā)電機(jī)，每秒能夠產(chǎn)生200個脈沖。LPP Fusion的總裁兼首席科學(xué)家Eric Lerner表示，他們的目標(biāo)是制造出一種可以大規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)器，其資本成本約為每瓦特十分之一美元，電能成本為每千瓦時半美分——遠(yuǎn)低于當(dāng)前任何可用的技術(shù)。如果一切順利，該公司的反應(yīng)堆將提供分散式能源，這無疑將徹底改變我們對計算和數(shù)據(jù)存儲的看法。反應(yīng)堆可以放置在超級計算機(jī)旁邊，為其提供清潔、安全的能源。

二、模擬軟件和物理模型

在任何特定方法的初期階段，都必須在制造機(jī)器之前進(jìn)行模擬，以驗證其基礎(chǔ)物理原理。不同的軟件被用來測試不同的物理現(xiàn)象，這些軟件通常被稱為“代碼”。

有些代碼是公開共享的，例如JOREK等離子體模擬代碼就是開源的，它可以模擬反應(yīng)堆內(nèi)部的等離子體動態(tài)。有時，為了方便不同項目的物理學(xué)家根據(jù)自己的特定需求定制模型，整個工具包也會被共享，比如Geant4 Monte Carlo就是這樣一個工具包，它被用來開發(fā)定制的中子傳輸模擬，以便研究人員探索能量如何在其獨特的設(shè)計中從等離子體中輸出。

然而，通常單獨研究一個現(xiàn)象是不夠的，因為不同的現(xiàn)象會相互作用，所以需要同時研究兩個或更多的物理原理，這就要求進(jìn)行多物理場模擬。進(jìn)行多物理場研究的一種方法是分別模擬每個現(xiàn)象，并通過迭代的方式，將一個現(xiàn)象的輸出作為另一個現(xiàn)象的輸入。另一種方法是編寫新的代碼來同時模擬所有現(xiàn)象。

世界上眾多的核聚變項目各有特點，每個項目都獨特到需要全新或定制的模擬工具。軟件工程師和物理學(xué)家合作，創(chuàng)造新代碼或調(diào)整現(xiàn)有代碼，收集或合成輸入數(shù)據(jù)，并分析模擬結(jié)果。基于這些學(xué)習(xí)成果，他們會調(diào)整自己的方法，并且可能還會修改軟件以反映新的動態(tài)。

Novatron的計算物理學(xué)家和軟件工程師Rickard Holmberg表示，公司尚未進(jìn)行多物理場模擬。他對《EE Times Europe》說：“我們還在分別模擬等離子體動力學(xué)、用于加熱和電離的天線、線圈產(chǎn)生的靜磁場以及我們設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。”“我們分別模擬了多種物理現(xiàn)象，但還沒有以反映它們之間相互作用的方式來進(jìn)行模擬。”

Novatron的工程師還利用模擬來優(yōu)化他們目前正在建造的原型機(jī)。他們根據(jù)模擬結(jié)果來改變設(shè)計和配置。

Holmberg說：“根據(jù)計算方式的不同，我們已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)百萬次磁場模擬。”“我們利用這些結(jié)果來微調(diào)一些小參數(shù)，比如線圈中的電流，以及真空容器中特征的寬高和角度。我們對幾十代幾何設(shè)計進(jìn)行了模擬，每一代都有不同的特征。我們從這些設(shè)計中選出了有前景的候選設(shè)計，并對其進(jìn)行了大約一百次等離子體模擬。”

LPP Fusion在其項目的不同方面使用不同的模擬工具，包括用于機(jī)械設(shè)計的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，如SolidWorks。但模擬支撐公司獨特核聚變方法背后的物理現(xiàn)象已被證明是一個挑戰(zhàn)。

LPP Fusion的Eric Lerner對《EE Times Europe》表示：“我們嘗試開發(fā)自己的等離子體模擬軟件，但到目前為止還沒有取得太多成功。”“我們目前正在努力組建一個研究者聯(lián)盟來承擔(dān)這項重大任務(wù)。特別是，我們需要能夠處理磁化等離子體的模擬，現(xiàn)有的代碼實際上無法做到這一點。我們還需要在模擬中包含高密度、高場等離子體的量子現(xiàn)象。”

雖然LPP Fusion正在與合作伙伴合作開發(fā)所需的模擬器，但這需要時間。與此同時，公司將不得不采用傳統(tǒng)方法——利用分析預(yù)測來指導(dǎo)實驗和新設(shè)計。