计算机驱动模拟在核聚变中的关键作用

在核聚变商业化的道路上，计算密集型软件模拟使得研究人员能够在不构建实体模型的情况下尝试新思路。然而，有时软件开发的步伐跟不上需求的增长。9月17日，EE Times Europe 报道了《The Crucial Role of Computer-Driven Simulation in Nuclear Fusion》一文，讨论了高性能计算在核聚变研究中的关键作用，以及模拟软件在设计和测试新配置中的重要性。

在任何新技术变得实用之前，它都会经历一个被称为“发酵期”的阶段，在此阶段，不同的参与者会尝试多种方法，直至其中一种成为主流设计。这一现象在5月27日至29日于法国卡达拉什ITER组织总部举办的“首届私营部门核聚变研讨会”上得到了体现。

超过30家私营核聚变公司参与了此次研讨会，每家公司都带来了其独特的核聚变解决方案——核聚变是一种在恒星内部通过极少量物质产生巨大能量的过程。无论采取何种方法，要实现核聚变，物质首先必须转化为等离子体状态，这种状态以大量带电粒子(离子和电子)为特征。

通常情况下，等离子体需要达到超过1亿摄氏度的高温，并且在大多数情况下，热等离子体必须被限制(保持在一定位置)超过一个小时，以产生比投入更多的能量。在聚变过程中，会移除热量和其他副产品，并添加更多的等离子体燃料。

得益于高性能计算，研究人员可以在制造实际机器之前，通过软件测试新想法。复杂的软件模拟使他们能够进行数十万次迭代，以精确找到最佳的设计方案。面对广泛的创意和想法，开发更多、更高效的模拟工具变得尤为迫切。

一、四种聚变方法示例

在研讨会上，30家核聚变公司中的4家展示了他们的解决方案：TAE、General Fusion、Novatron和LPP Fusion。TAE在这一领域走得最远，已经构建了三台主要的演示装置。尽管已经超越了最初的模拟阶段，该公司仍然在实际应用到机器之前使用软件来测试新的配置。每一代的机器都为研究人员提供了关于核聚变的新见解，并据此调整了他们的模型和模拟器。

TAE Technologies 控制室(图片来源：TAE Technologies)

TAE最新的演示装置名为Norman，于2022年建成，运行温度约为7500万摄氏度，只要操作员持续施加外部中性束，等离子体就能保持稳定。目前，TAE正在设计和建造下一台名为Copernicus的装置，它将在1.5亿摄氏度(比太阳核心还要热10倍)下运行。Copernicus之后，将开发一个商用聚变反应堆的完整原型。

TAE Technologies 的 Norman 演示器外部视图(来源：TAE Technologies)

General Fusion采取了完全不同的方法。它不试图长时间维持聚变反应，而是通过快速、多步骤过程中的短暂聚变爆发来实现。一个装满液态锂的大鼓，旋转速度足够快，使得离心力将锂推向鼓壁。等离子体被注入中心，然后数百个活塞对液态锂施加压力，使等离子体在大约一毫秒内发生聚变。中子被释放并被液态锂捕获，锂变得非常热并迅速被泵出，其热量用于驱动涡轮机。随后，冷却的液态锂被重新注入鼓中，开始下一个循环。这个过程大约每秒发生一次。

Novatron依赖于其联合创始人兼首席技术官Jan Jäderberg的创新，他改进了磁镜的设计，这是一种1955年首次展示的聚变方法。传统上，通过定位两个大型磁铁，使带电粒子在磁场区域之间来回反射。Novatron的创新之一是增加一对双锥形尖端，以改善等离子体的稳定性和约束，这些尖端产生的磁场与对称平面相切。

最后，LPP Fusion基于20世纪60年代的一个概念：密集等离子体聚焦。该公司计划使用质子硼燃料，这是最清洁的燃料，并希望创建一个紧凑型的5兆瓦发电机，每秒能够产生200个脉冲。LPP Fusion的总裁兼首席科学家Eric Lerner表示，他们的目标是制造出一种可以大规模生产的机器，其资本成本约为每瓦特十分之一美元，电能成本为每千瓦时半美分——远低于当前任何可用的技术。如果一切顺利，该公司的反应堆将提供分散式能源，这无疑将彻底改变我们对计算和数据存储的看法。反应堆可以放置在超级计算机旁边，为其提供清洁、安全的能源。

二、模拟软件和物理模型

在任何特定方法的初期阶段，都必须在制造机器之前进行模拟，以验证其基础物理原理。不同的软件被用来测试不同的物理现象，这些软件通常被称为“代码”。

有些代码是公开共享的，例如JOREK等离子体模拟代码就是开源的，它可以模拟反应堆内部的等离子体动态。有时，为了方便不同项目的物理学家根据自己的特定需求定制模型，整个工具包也会被共享，比如Geant4 Monte Carlo就是这样一个工具包，它被用来开发定制的中子传输模拟，以便研究人员探索能量如何在其独特的设计中从等离子体中输出。

然而，通常单独研究一个现象是不够的，因为不同的现象会相互作用，所以需要同时研究两个或更多的物理原理，这就要求进行多物理场模拟。进行多物理场研究的一种方法是分别模拟每个现象，并通过迭代的方式，将一个现象的输出作为另一个现象的输入。另一种方法是编写新的代码来同时模拟所有现象。

世界上众多的核聚变项目各有特点，每个项目都独特到需要全新或定制的模拟工具。软件工程师和物理学家合作，创造新代码或调整现有代码，收集或合成输入数据，并分析模拟结果。基于这些学习成果，他们会调整自己的方法，并且可能还会修改软件以反映新的动态。

Novatron的计算物理学家和软件工程师Rickard Holmberg表示，公司尚未进行多物理场模拟。他对《EE Times Europe》说：“我们还在分别模拟等离子体动力学、用于加热和电离的天线、线圈产生的静磁场以及我们设备的结构应力。”“我们分别模拟了多种物理现象，但还没有以反映它们之间相互作用的方式来进行模拟。”

Novatron的工程师还利用模拟来优化他们目前正在建造的原型机。他们根据模拟结果来改变设计和配置。

Holmberg说：“根据计算方式的不同，我们已经进行了数百万次磁场模拟。”“我们利用这些结果来微调一些小参数，比如线圈中的电流，以及真空容器中特征的宽高和角度。我们对几十代几何设计进行了模拟，每一代都有不同的特征。我们从这些设计中选出了有前景的候选设计，并对其进行了大约一百次等离子体模拟。”

LPP Fusion在其项目的不同方面使用不同的模拟工具，包括用于机械设计的工业标准工具，如SolidWorks。但模拟支撑公司独特核聚变方法背后的物理现象已被证明是一个挑战。

LPP Fusion的Eric Lerner对《EE Times Europe》表示：“我们尝试开发自己的等离子体模拟软件，但到目前为止还没有取得太多成功。”“我们目前正在努力组建一个研究者联盟来承担这项重大任务。特别是，我们需要能够处理磁化等离子体的模拟，现有的代码实际上无法做到这一点。我们还需要在模拟中包含高密度、高场等离子体的量子现象。”

虽然LPP Fusion正在与合作伙伴合作开发所需的模拟器，但这需要时间。与此同时，公司将不得不采用传统方法——利用分析预测来指导实验和新设计。