在核聚變商業化的道路上，計算密集型軟件模擬使得研究人員能夠在不構建實體模型的情況下嘗試新思路。然而，有時軟件開發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鍵作用，以及模擬軟件在設計和測試新配置中的重要性。

在任何新技術變得實用之前，它都會經歷一個被稱為“發酵期”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計。這一現象在5月27日至29日于法國卡達拉什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。

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部通過極少量物質產生巨大能量的過程。無論采取何種方法，要實現核聚變，物質首先必須轉化為等離子體狀態，這種狀態以大量帶電粒子(離子和電子)為特征。

通常情況下，等離子體需要達到超過1億攝氏度的高溫，并且在大多數情況下，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器之前，通過軟件測試新想法。復雜的軟件模擬使他們能夠進行數十萬次迭代，以精確找到最佳的設計方案。面對廣泛的創意和想法，開發更多、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在這一領域走得最遠，已經構建了三臺主要的演示裝置。盡管已經超越了最初的模擬階段，該公司仍然在實際應用到機器之前使用軟件來測試新的配置。每一代的機器都為研究人員提供了關于核聚變的新見解，并據此調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，只要操作員持續施加外部中性束，等離子體就能保持穩定。目前，TAE正在設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，將開發一個商用聚變反應堆的完整原型。

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，而是通過快速、多步驟過程中的短暫聚變爆發來實現。一個裝滿液態鋰的大鼓，旋轉速度足夠快，使得離心力將鋰推向鼓壁。等離子體被注入中心，然后數百個活塞對液態鋰施加壓力，使等離子體在大約一毫秒內發生聚變。中子被釋放并被液態鋰捕獲，鋰變得非常熱并迅速被泵出，其熱量用于驅動渦輪機。隨后，冷卻的液態鋰被重新注入鼓中，開始下一個循環。這個過程大約每秒發生一次。

Novatron依賴于其聯合創始人兼首席技術官Jan Jäderberg的創新，他改進了磁鏡的設計，這是一種1955年首次展示的聚變方法。傳統上，通過定位兩個大型磁鐵，使帶電粒子在磁場區域之間來回反射。Novatron的創新之一是增加一對雙錐形尖端，以改善等離子體的穩定性和約束，這些尖端產生的磁場與對稱平面相切。

最后，LPP Fusion基于20世紀60年代的一個概念：密集等離子體聚焦。該公司計劃使用質子硼燃料，這是最清潔的燃料，并希望創建一個緊湊型的5兆瓦發電機，每秒能夠產生200個脈沖。LPP Fusion的總裁兼首席科學家Eric Lerner表示，他們的目標是制造出一種可以大規模生產的機器，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——遠低于當前任何可用的技術。如果一切順利，該公司的反應堆將提供分散式能源，這無疑將徹底改變我們對計算和數據存儲的看法。反應堆可以放置在超級計算機旁邊，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，都必須在制造機器之前進行模擬，以驗證其基礎物理原理。不同的軟件被用來測試不同的物理現象，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，它可以模擬反應堆內部的等離子體動態。有時，為了方便不同項目的物理學家根據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計中從等離子體中輸出。

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

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家合作，創造新代碼或調整現有代碼，收集或合成輸入數據，并分析模擬結果。基于這些學習成果，他們會調整自己的方法，并且可能還會修改軟件以反映新的動態。

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

Novatron的工程師還利用模擬來優化他們目前正在建造的原型機。他們根據模擬結果來改變設計和配置。

Holmberg說：“根據計算方式的不同，我們已經進行了數百萬次磁場模擬。”“我們利用這些結果來微調一些小參數，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計進行了模擬，每一代都有不同的特征。我們從這些設計中選出了有前景的候選設計，并對其進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，包括用于機械設計的工業標準工具，如SolidWorks。但模擬支撐公司獨特核聚變方法背后的物理現象已被證明是一個挑戰。

LPP Fusion的Eric Lerner對《EE Times Europe》表示：“我們嘗試開發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盟來承擔這項重大任務。特別是，我們需要能夠處理磁化等離子體的模擬，現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象。”

雖然LPP Fusion正在與合作伙伴合作開發所需的模擬器，但這需要時間。與此同時，公司將不得不采用傳統方法——利用分析預測來指導實驗和新設計。