4月23日，韩国蔚山科学技术学院（UNIST）宣布核工程系教授Eisung Yoon和他的研究团队已成功开发出一种碰撞检测算法，能够快速识别虚拟聚变装置内高速粒子的碰撞点。相关成果已发表在《Computer Physics Communications》上，标题为《Development of novel collision detection algorithms for the estimation of fast ion losses in tokamak fusion device》。
一、研究背景
随着数字孪生技术（Digital Twin Technology）在核聚变领域的应用兴起，如何构建高保真、实时的虚拟反应堆成为关键挑战。聚变装置（如KSTAR托卡马克）的复杂三维结构对等离子体加热优化与设备安全评估提出更高要求。现有诊断系统难以适应未来反应堆的恶劣环境，需依赖间接监测方法。
本研究聚焦于中性束注入（NBI）诱导的快速离子损失问题，旨在开发高效碰撞检测算法与真实壁面建模方法，以提升热负荷评估的准确性与实时性，推动数字孪生技术在聚变能开发中的应用。
二、研究方法
1.三维网格生成与集成
CAD去特征化：移除KSTAR第一壁CAD模型中无关细节（如圆角、孔洞），保留关键几何特征。
网格生成：使用SimModeler工具生成约4cm网格尺寸的非结构化网格，适配第一壁热流分析需求，并通过PUMI库集成至蒙特卡洛NuBDeC并行计算环境。
2.碰撞检测算法开发
a.宽相筛选：
绕数轮廓法：利用快速多重方法近似计算绕数，构建闭合曲面筛选无碰撞轨迹。
三椭圆解析法：通过四次方程定义轴对称等值面，减少浮点运算量。
b.空间划分：
八叉树：递归分割空间至叶节点，检测线段穿过的叶节点内三角元。
均匀网格哈希表：直接索引网格单元，快速定位覆盖区。
c.窄相验证：采用Möller-Trumbore算法精确检测射线-三角元交点。
3.性能测试与可视化
算法组合：对比六种算法组合（仅八叉树、绕数+八叉树、三椭圆+八叉树、仅均匀网格、绕数+均匀网格、三椭圆+均匀网格）的执行时间。
热通量计算：根据碰撞事件统计粒子能量沉积，生成网格单元级热流分布。
三、研究成果
研究团队将该算法应用于KSTAR的虚拟数字孪生系统V-KSTAR。结果显示，该算法检测粒子碰撞的速度较此前方法提升了15倍。具体而言，新算法智能跳过99.9%的非必要计算，同时精确锁定了7万个三角网格中的风险区域，且通过色彩可视化热力集中区域。其他成果包括：
1.算法性能对比
最优组合：三椭圆轮廓+均匀网格组合的宽阶段筛选效率最高，整体模拟时间较其他组合显著减少。八叉树瓶颈：八叉树构建与搜索成本高于均匀网格，导致绕数+八叉树组合额外耗时增加。
2.热负荷预测精度
通过4cm网格分辨率与蒙特卡罗采样，成功捕捉KSTAR第一壁的热流分布，满足实时性需求。
3.可视化效果
Unity引擎实现热流梯度与空间分布的直观展示，支持聚变装置安全评估决策。
四、不足
科研团队坦言实验也存在一些不足，包括：
- 在磁场扰动（如波纹或共振磁场扰动（RMPs））显著影响粒子轨迹的情况下，引导中心近似可能无法产生准确的结果。
- 模拟具有大回旋半径的高能离子或捕捉局部在更小区域的热峰可能需要比该近似支持的更细的网格。未来将会探索使用完整的洛伦兹轨道轨迹。
五、未来展望
下一步，研究团队计划基于GPU超级计算机对算法作进一步研究，以实现更高效的实时模拟计算，为核聚变反应堆的全面数字化建模与性能优化奠定基础。
参考资料：
- https://news.unist.ac.kr/breakthrough-algorithm-detects-collisions-of-high-energy-particles-in-nuclear-fusion-reactors/
- https://phys.org/news/2025-04-video-game-algorithm-rapidly-high.html