Учёные из Южной Кореи добились пятнадцатикратного увеличения скорости прогнозирования столкновений высокоэнергетических частиц внутри термоядерных реакторов. Прорыв был достигнут благодаря исследователям из Национального института науки и технологий в Ульсане (UNIST), которые разработали инновационный алгоритм, сокративший объём необходимых вычислений на 99,9%.
По словам команды, внедрение нового алгоритма позволило исключить почти все расчёты за счёт простейших арифметических операций. Что особенно интересно, в основе разработки лежит методика обнаружения столкновений, применяемая в видеоиграх. Это открытие может заметно ускорить проектирование и повысить надёжность будущих термоядерных реакторов.
Новый подход оказался принципиально иным по сравнению с традиционными методами. Профессор Эйсан Юн и его команда из кафедры ядерной инженерии UNIST успешно применили алгоритм на виртуальной модели реактора KSTAR (V-KSTAR), цифровой копии южнокорейского экспериментального термоядерного реактора. По словам профессора, это достижение значительно улучшает визуализацию распределения световых путей в диагностическом оборудовании и помогает анализировать возмущения магнитного поля.
Разработанный алгоритм обнаружения столкновений стал важнейшим технологическим шагом, обеспечив полноценное трёхмерное расширение виртуального реактора, выходящее за рамки отслеживания лишь нейтральных пучков частиц. Новый алгоритм позволил выявлять потенциальные столкновения частиц в 15 раз быстрее, чем применявшийся ранее метод Octree.
Термоядерная энергия, рассматриваемая как чистый и устойчивый источник энергии будущего, требует нагрева плазмы до миллионов градусов Цельсия с помощью нейтральных высокоэнергетических частиц. Однако если частицы отклоняются от заданной траектории и сталкиваются со стенками реактора, это может вызвать повреждения или нарушить сам процесс синтеза.
Чтобы решить эту проблему, команда UNIST адаптировала алгоритмы из игровой индустрии. В отличие от метода Octree, который постоянно пересчитывает всю пространство реактора, новый алгоритм активируется только тогда, когда вероятность столкновения становится существенной. Это позволяет пропускать около 99,9% вычислений, необходимых для отслеживания порядка 300 000 частиц, взаимодействующих с 70 000 треугольников, формирующих стенки реактора.
Разделение треугольников зоны столкновения дополнительно упрощает вычисление точек пересечения траекторий частиц со стенками, даже в условиях сложной трёхмерной геометрии реактора. Благодаря этому алгоритму можно интуитивно определить зоны повышенной тепловой нагрузки на внутренней поверхности реактора в виртуальной модели V-KSTAR, даже без специальных знаний в этой области.
Повышенная скорость и эффективность обнаружения столкновений напрямую ускоряют процесс проектирования термоядерных установок. Кроме того, более точный прогноз и предотвращение столкновений частиц значительно увеличивают безопасность и стабильность работы этих сложных машин.
В дальнейшем команда планирует использовать суперкомпьютеры на базе графических процессоров (GPU), которые обеспечивают ещё более высокую скорость вычислений, чем традиционные процессоры. Это должно дополнительно усилить производительность алгоритма в будущих проектах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Computer Physics Communications.