Привет, друзья!
Хотим рассказать вам сегодня об опыте создания серии из двух VR лабораторных работ, которые мы разработали в Институте ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ. В 2018 году в ИЯФиТ была создана Лаборатория виртуальной реальности, в рамках которой мы фактически первыми в мире объединили возможности ядерно-физического моделирования и инструментарий виртуальной и дополненной реальности. Уже за первый год работы на движке Unreal Engine 4 нам удалось создать первый виртуальный аналог уран-графитовой подкритической сборки, реальный прототип которой расположен на территории Университета. А в 2019 мы уже опробовали новые подходы к визуализации излучения с помощью Unreal Engine 4 при создании второго виртуального аналога – уран-водной сборки.
Наши коллеги из Института интеллектуальных кибернетических систем НИЯУ МИФИ уже рассказали о своём свежем опыте создания подобных работ в области лазерной физики. Передавая им привет, мы в серии публикаций покажем, что получилось у нас, какие трудности нам удалось преодолеть, как прошла апробация работ на живых студентах. В целом мы планируем рассказать об опыте разработки приложений, связанных как с реакторными экспериментами, так и с физикой элементарных частиц, космическими лучами и ускорителями.
Многую информацию о лаборатории и проектах, которые не вошли в эту статью, но о которых мы обязательно расскажем впоследствии, вы можете уже посмотреть на нашем сайте vr.mephi.ru.
Немного истории про МИФИ
В этой части мы расскажем немного про историю МИФИ и суть физических процессов, которые нам предстояло промоделировать и визуализировать. Если вы не фанат истории и вам интересен только процесс разработки VR, можете смело переходить к соответствующему разделу, там мы живым языком расписали наш тернистый путь, какие лайфхаки мы открыли для себя и которые могут быть полезны вам.
Как многие из вас знают, МИФИ это Национальный исследовательский ядерный университет (НИЯУ). И хотя фактически в Университете подготовка ведется по очень широкому кругу специальностей: от физики элементарных частиц (на большом адронном коллайдере из представителей России большинство мифисты) до IT-специальностей, плазменной и лазерной физики (нобелевскую премию за изобретение мазера получил мифист Басов), главным образом МИФИ знают именно за подготовку кадров для Средмаша, который со временем, путем многих преобразований, сегодня представляет РОСАТОМ. Наши выпускники принимали активное участие в создании ядерной отрасли и внесли ключевой вклад в современное доминирование России в атомных технологиях. Не удивительно, что на территории Университета располагается исследовательский ядерный реактор ИРТ-2000, а также множество ядерно-физических исследовательских установок. В том числе предназначенных для выполнения лабораторных работ студентами старших курсов.
Уран-графитовый подкритический стенд МИФИ
Изначально перед нашей командой встала задача создать виртуальный аналог уран-графитовой подкритической сборки, доступ к которой из-за регулярных профилактических работ ограничивался, а значит, у студентов не выполнялся учебный план.
Установка была собрана в 1960-ых годах для проведения исследований размножающих свойств уран-графитовых конструкций, которые на заре атомной энергетики активно использовались в реакторостроении. Самый простой и в то же время достаточно точный способ определить размножающие свойства среды -- провести экспоненциальный опыт. Его суть заключается в измерении экспоненциально спадающей плотности нейтронов вдоль центральной оси сборки достаточных размеров, при которых на измерения не оказывают влияние утечка нейтронов из ее объема и прямопрострельные нейтроны от размещенного в основании инициирующего цепную реакцию источника.
Сейчас этот эксперимент - часть учебного курса "экспериментальная физика ядерных реакторов", в рамках которого студенты осваивают базовые навыки детектирования частиц и проведения ядерно-физических экспериментов.
Уран-водный подкритический стенд МИФИ
По своей сути аналогичен предыдущей установке. Представляет собой заполненный водой цилиндрический бак, установленный на графитовом пьедестале. Внутри подвешен 161 стержень (канал), заполненный природным ураном, фактически формируется решетка аналогичная размещению ТВЭЛ в реакторе. Дополнительный центральный канал используется для размещения и перемещения детектора нейтронов. Все 162 канала крепятся сверху к «лучевому щиту», который позволяет быстро перемешать их и точно фиксировать шаг гексагональной решетки 45, 50, 55 или 60 мм. При этом отношение объема воды к урану в элементарной ячейке изменяется от 0,4 до 2,5. В работе так же используется источник нейтронов, студентами определяется оптимальный шаг решетки.
Установка представляет собой сборку из графитовых блоков с центральными отверстиями, в которые закладываются стержни из металлического урана природного изотопного состава. Блоки образуют квадратную решетку, шаг которой равен 20 см – оптимальное с точки зрения размножающих свойств среды значение. При этом общие размеры установки составляют 180х180х320 см. Также в сборке имеются дополнительные каналы для установки детекторов нейтронного излучения, а также для размещения источника нейтронов в центре основания установки.
Порядок проведения работы на установке следующий:
Измерение фонового излучения – детектор поочередно помещается во все измерительные каналы.
Помещение источника нейтронов в специальный канал в основании установки.
Измерение плотности нейтронов в измерительных каналах с размещенным источником.
Измерение плотности быстрых нейтронов, для этого на детектор надевается чехол из материала, хорошо поглощающего тепловые нейтроны – в нашем случае это кадмий.
Эксперимент достаточно несложный, количество действий и используемого оборудования невелико – это и было одним из решающих факторов при выборе именно этой установки для отработки технологии создания виртуальных аналогов.
Ранее наши коллеги уже создавали приложение, позволяющее провести виртуальные измерения, выбирая мышкой нужный измерительный канал на схеме установки. Это приложение активно использовалось в учебном процессе и даже было выложено на сайте МАГАТЭ. Посмотреть на его описание можно по следующей ссылке: https://vlr.mephi.ru/labs/index.php?id=14
Разработка VR решения
Выбор движка
В самом начале разработки мы оказались перед выбором игрового движка. На тот момент, самыми популярными решениями были Unity и Unreal Engine 4. Вообще, споры насчет того, который из двух движков лучше, не утихают до сих пор, но мы считаем, что с помощью каждого из этих инструментов можно сделать качественный продукт. В конце концов выбор был сделан в пользу UE4, скорее всего из-за того, что программисты из нашей команды были знакомы с C++ и рассчитывали писать на нем расчетные модули. Стоит сказать, что опыта разработки игр ни у кого из нас на момент начал работ не было, и все что мы сделали, делалось путем проб и ошибок.
VR механики
Итак, мы открыли VR Template в Unreal Engine 4, где-то неделю игрались с физикой кубиков, экспериментировали с физическими возможностями движка. Так как первоначально мы хотели как можно ближе приблизиться к реальным экспериментам, нас категорически не устраивало, что у предметов в руке не было коллизии и они проходили сквозь стену, хотелось как-то решить эту проблему. Тогда мы начали исследовать, как это работает в VR играх. Было скачано огромное количество бесплатных игр со Steam и даже куплена пара дорогих. Оказалось, что в большинстве проектов коллизии предметов в руке пользователя либо не обрабатываются или заскриптованы, либо вокруг пользователя нет ничего кроме предметов, которые он может брать.
В итоге, после некоторых экспериментов, было придумано использовать Physics Constraint. Это позволило вешать предмет на что-то вроде «резинки», которая становилась эластичной только в момент обработки коллизий. Немного переработали класс для поднимаемых объектов и теперь наш детектор нейтронов не проходит сквозь стену! Physics Constraint был также использован для механики размещения детектора нейтронов и их источника в каналы сборки. Когда получилось сделать так, чтобы детектор плавно входил и выходил из канала, мы испытали поистине эстетическое наслаждение.
Визуализация нейтронного потока и радиационного фона
Когда мы закончили делать первую работу с уран-графитовой сборкой, и во всю кипела работа над уран-водной, мы задумались над тем, а не добавить ли в проект трехмерную визуализацию нейтронных потоков и радиационного фона. Это те вещи, которые невозможно увидеть, но виртуальная реальность в этом отношении дает больше возможностей, чем реальный мир. Фактически это привнесло ключевую фишку в проект, наполнило применение VR вполне практическим смыслом. Визуализация нейтронных полей была сделана сначала с помощью встроенного редактора частиц, а недавно переработана с помощью Niagara. Важно то, что плотность генерации частиц пропорциональна логарифму нейтронного потока, поэтому это распределение соответствует физике процесса. Сами потоки были рассчитаны с помощью узко-специализированного научного ПО.
Распределение радиационного фона визуализировано с помощью Volumetric Fog, внешне выглядит как туман, изменяющий цвет от красного к синему через фиолетовый. Красный цвет сигнализирует о высоком уровне радиации, синий соответственно о низком. Данные, по которым осуществлена визуализация, получены с помощью измерений в реальном помещении.
На этом мы заканчиваем первую часть нашего повествования, в следующем разделе мы расскажем о том, что и как получилось у нас в итоге, значительно больше внимания уделим непосредственно разработке, в том числе материалов, окружения, как мы моделировали и измеряли реальные физические характеристики установок, «вшивали» их в VR, а также немного о специфике разработки таких проектов командой ядерщиков.
