AI researcher and product designer building at the edge of computer science and mental health. Zola 2020-09-22T00:00:00+00:00 https://brennercruvinel.blog/tags/energia/atom.xml 2020-09-22T00:00:00+00:00 2020-09-22T00:00:00+00:00 Brenner Cruvinel https://brennercruvinel.blog/blog/z-machine-fisica-hed/ <p>a Z é a maior máquina de radiação de raios-X pulsada do mundo, no Sandia. cinco frentes de pesquisa, da missão primária ao braço mais especulativo.</p> <h3 id="stewardship-do-arsenal-nuclear">stewardship do arsenal nuclear</h3> <p>missão primária. a Z cria condições similares às produzidas pela detonação de armas nucleares, permitindo estudar materiais sob essas condições extremas e produzir dados pra validar modelos de física em simulação. fundamental porque os EUA não fazem teste nuclear real desde 1992, então a Z é um dos pilares pra certificar que o arsenal envelhecido continua funcional e seguro. a equipe de plutônio fez avanços em física de alta pressão usando alvos de escala reduzida pra comprimir plutônio a pressões sem precedentes, com novos diagnósticos pra medir temperatura durante compressão dinâmica e aumentando a massa permitida em experimentos de tiro único.</p> <h3 id="fusao-via-maglif-magnetized-liner-inertial-fusion">fusão via MagLIF (magnetized liner inertial fusion)</h3> <p>a frente mais ambiciosa. coloca combustível de fusão (gás de deutério) dentro de um cilindro metálico de 5mm de diâmetro por 7.5mm de altura, e passa um pulso de 19 milhões de amperes em cerca de 100 nanossegundos, criando um campo magnético que esmaga o cilindro a 70 km/s. MagLIF é o primeiro conceito de fusão magneto-inercial a demonstrar temperaturas relevantes pra fusão, produção significativa (mais de 10 trilhões de nêutrons primários DD) e aprisionamento magnético de partículas carregadas. simulações indicam que pode eventualmente atingir breakeven científico na Z, mas requer melhorias de infraestrutura. simulações 2D sugerem que uma máquina de próxima geração com 60 MA poderia gerar yields de múltiplos megajoules, e acima de 65 MA os ganhos necessários pra energia de fusão comercial seriam alcançáveis.</p> <h3 id="ciencia-de-materiais-sob-condicoes-extremas">ciência de materiais sob condições extremas</h3> <p>talvez a aplicação mais versátil e imediata. provê o método mais rápido, preciso e barato pra determinar como materiais reagem sob alta pressão e temperatura, gerando equações de estado. inclui comprimir água a 70.000 a 120.000 atmosferas pra criar “gelo VII” (forma hiperdensa), acelerar placas a 34 km/s (mais rápido que a velocidade orbital da Terra), e gerar choques capazes de derreter diamantes.</p> <h3 id="ciencia-fundamental-e-astrofisica">ciência fundamental e astrofísica</h3> <p>o braço mais fascinante. a maior parte da matéria do universo existe sob condições extremas que a Z estuda, as condições que conhecemos na Terra são raras no universo. os últimos anos de desenvolvimento na capacidade de comprimir matéria a estados de pressão e temperatura sem precedentes produziram insight em ciência de materiais, ciência planetária, astrofísica, ciência de fusão, ciência de radiação e física de plasmas. a Z tem um programa aberto (Z Fundamental Science Program) que aloca cerca de 21 tiros por biênio pra pesquisadores acadêmicos.</p> <h3 id="setor-privado-e-startups-de-fusao">setor privado e startups de fusão</h3> <p>começando a usar a Z como plataforma de validação. a Pacific Fusion reportou resultados de quatro experimentos na Z medindo difusão de campo magnético em alvos simplificados de alumínio e plástico, resultado crítico pra viabilidade econômica de fusão. a Fuse Energy Technologies está desenvolvendo sua própria máquina pulsada inspirada na arquitetura da Z. o Sandia firmou 72 CRADAs (cooperative research and development agreements) com parceiros do setor privado e acadêmico, incluindo parcerias pra acelerar tecnologias pulsadas de próxima geração.</p> <h3 id="numeros-crus">números crus</h3> <p>a Z dispara cerca de 200 tiros por ano. num único tiro:</p> <table><thead><tr><th>grandeza</th><th>valor</th></tr></thead><tbody> <tr><td>corrente</td><td>26 milhões de amperes</td></tr> <tr><td>emissão de raios-X de pico</td><td>350 terawatts</td></tr> <tr><td>energia de raios-X</td><td>2.7 megajoules</td></tr> <tr><td>potência elétrica</td><td>~80 trilhões de watts</td></tr> <tr><td>duração do pulso</td><td>~100 nanossegundos</td></tr> </tbody></table> <p>pra dimensionar: esses ~80 trilhões de watts são mais que todas as usinas elétricas do mundo combinadas (cerca de 15 trilhões de watts), só que concentrados na janela de ~100 nanossegundos.</p> <h3 id="roadmap">roadmap</h3> <p>inclui a ZN (Z Neutron), projetada pra usar drivers de Linear Transformer Driver (LTD) no lugar dos geradores Marx atuais, visando 20 a 30 MJ de potência de fusão de hidrogênio com cadência de um tiro por hora, o que seria um salto fundamental pra demonstrar viabilidade de fusão pulsada como fonte de energia.</p> <h2 id="ecossistema-z-machine-repositorios-open-source">ecossistema z machine, repositórios open source</h2> <p>canivete suíço pra quem quer trabalhar de verdade com o universo da Z: simulação de plasmas, MHD, fusão magneto-inercial, equações de estado, transporte de radiação, dinâmica molecular sob condições extremas e visualização de dados HPC. compilado em 29/03/2026.</p> <blockquote class="markdown-alert-note"> <p>sobre stars neste domínio: stars aqui são ordens de magnitude menores que em <a href="https://brennercruvinel.blog/blog/ecossistema-rust-open-source/">webdev e AI</a>. um código com 300 stars em física HED pode ser mais impactante cientificamente que um com 100k em JavaScript. o que importa é publicação, validação experimental e adoção em laboratórios nacionais, não popularidade no github.</p> </blockquote> <h3 id="parte-1-os-30-essenciais-curadoria">parte 1, os 30 essenciais (curadoria)</h3> <h4 id="simulacao-de-plasmas-pic-particle-in-cell">simulação de plasmas (PIC, particle-in-cell)</h4> <p>WarpX (<a rel="external" href="https://github.com/ECP-WarpX/WarpX">ECP-WarpX/WarpX</a>), código PIC eletromagnético exascale, vencedor do Gordon Bell Prize 2022. AMR via AMReX, solvers espectrais, boosted frame, GPU-native. simula aceleradores a plasma, interação laser-plasma e fenômenos de alta intensidade.</p> <p>OSIRIS (<a rel="external" href="https://github.com/osiris-code">osiris-code</a>), código PIC relativístico state-of-the-art, mais de duas décadas de desenvolvimento pela UCLA/IST Lisboa. exascale-ready, usado em aceleração a plasma, fontes de radiação e astrofísica de plasmas. recentemente tornado open source.</p> <p>Smilei (<a rel="external" href="https://github.com/SmileiPIC/Smilei">SmileiPIC/Smilei</a>), PIC eletromagnético relativístico co-desenvolvido por físicos e cientistas da computação. interação laser-plasma, aceleradores, física espacial e astrofísica. user-friendly, usado como plataforma de ensino em mestrado/doutorado.</p> <p>EPOCH (<a rel="external" href="https://github.com/Warwick-Plasma/epoch">Warwick-Plasma/epoch</a>), PIC para plasmas laser-produzidos. extensamente usado em interação laser-matéria e fusão inercial. suporta QED, ionização por campo, colisões.</p> <p>FBPIC (<a rel="external" href="https://github.com/fbpic/fbpic">fbpic/fbpic</a>), PIC espectral em geometria cilíndrica com decomposição azimutal (Fourier-Bessel). eficiente para simetria quasi-cilíndrica tipo wakefield acceleration. GPU via CUDA/ROCm.</p> <p>PIConGPU (<a rel="external" href="https://github.com/ComputationalRadiationPhysics/picongpu">ComputationalRadiationPhysics/picongpu</a>), PIC fully-relativistic rodando inteiramente em GPU. projetado para leadership-class supercomputers, suporta radiação, ionização, QED. um dos PIC mais performáticos que existem.</p> <h4 id="magnetohidrodinamica-mhd-e-rad-hydro">magnetohidrodinâmica (MHD) e rad-hydro</h4> <p>FLASH / Flash-X (<a rel="external" href="https://github.com/Flash-X/Flash-X">Flash-X/Flash-X</a>), código multi-física AMR para rad-MHD, publicamente disponível. modela Z-pinch, gas-puff implosions, experimentos laser-driven HED. EOS tabulares (SESAME, IONMIX), difusão de radiação multi-grupo, condução anisotrópica, Extended-MHD (Hall, Nernst, Biermann Battery). o código aberto mais completo para simular experimentos na Z.</p> <p>Athena++ (<a rel="external" href="https://github.com/PrincetonUniversity/athena">PrincetonUniversity/athena</a>), re-escrita em C++ do código MHD astrofísico Athena. AMR, relatividade geral, alta escalabilidade. forte em MHD compressível, choques, instabilidades Rayleigh-Taylor e Kelvin-Helmholtz.</p> <p>MPI-AMRVAC (<a rel="external" href="https://github.com/amrvac/amrvac">amrvac/amrvac</a>), framework AMR paralelo para PDEs hiperbólicas. hidrodinâmica e MHD, 1D a 3D, geometrias cartesiana, cilíndrica e esférica.</p> <p>OpenMHD (<a rel="external" href="https://github.com/zenitani/OpenMHD">zenitani/OpenMHD</a>), códigos MHD em Fortran moderno e CUDA Fortran. solvers HLLD, divergence cleaning, MPI/OpenMP/CUDA. bom para aprendizado e prototipagem.</p> <p>Dedalus (<a rel="external" href="https://github.com/DedalusProject/dedalus">DedalusProject/dedalus</a>), framework espectral para PDEs diferenciais em Python, paralelizado com MPI. genérico o suficiente para MHD, convecção, instabilidades.</p> <p>HARD (<a rel="external" href="https://github.com/lanl/HARD">lanl/HARD</a>), Hydrodynamics And Radiation Diffusion, código open source de 2025 para hidrodinâmica compressível com acoplamento de difusão de radiação. construído sobre FleCSI, projetado para problemas HED/ICF.</p> <h4 id="equacoes-de-estado-e-propriedades-de-materiais">equações de estado e propriedades de materiais</h4> <p>Singularity-EOS (<a rel="external" href="https://github.com/lanl/singularity-eos">lanl/singularity-eos</a>, LANL), biblioteca performance-portable de EOS para códigos multi-física. tabelas SESAME, modelos analíticos (ideal gas, Gruneisen), stellar collapse. GPU via Kokkos. padrão moderno para EOS em códigos de armas e fusão.</p> <p>EOSPAC (<a rel="external" href="https://github.com/lanl/eospac">lanl/eospac</a>, LANL), rotinas para ler e manipular dados de EOS no formato SESAME. padrão da indústria para acessar o database SESAME. GPU support desde v6.5.</p> <p>feos (<a rel="external" href="https://github.com/feos-org/feos">feos-org/feos</a>), Framework for Equations of State, biblioteca Rust para EOS termodinâmicas (PC-SAFT, PeTS). bindings Python. não é específica para HED, mas a implementação em Rust é notável para integrar EOS em stacks modernos.</p> <h4 id="transporte-de-particulas-e-dados-nucleares">transporte de partículas e dados nucleares</h4> <p>OpenMC (<a rel="external" href="https://github.com/openmc-dev/openmc">openmc-dev/openmc</a>), Monte Carlo para transporte de nêutrons e fótons. APIs em Python e C++, dados nucleares ENDF/ACE/HDF5, depleção, acoplamento multi-física, visualização de geometria e tallies.</p> <p>Geant4 (<a rel="external" href="https://github.com/Geant4/geant4">Geant4/geant4</a>, CERN), toolkit para simulação da passagem de partículas pela matéria. fótons, elétrons, múons, hádrons, íons. usado em altas energias, medicina nuclear, astrofísica e dosimetria.</p> <h4 id="dinamica-molecular-e-materia-sob-condicoes-extremas">dinâmica molecular e matéria sob condições extremas</h4> <p>LAMMPS (<a rel="external" href="https://github.com/lammps/lammps">lammps/lammps</a>, Sandia), simulador de dinâmica molecular massivamente paralelo desenvolvido pelo próprio Sandia (a casa da Z Machine). potenciais para metais, semicondutores, biomoléculas. MPI, OpenMP, GPU (CUDA, OpenCL, HIP, SYCL). mais de 20 anos de desenvolvimento.</p> <p>GROMACS (<a rel="external" href="https://github.com/gromacs/gromacs">gromacs/gromacs</a>), dinâmica molecular de alta performance para CPU e GPU. free energy, QM/MM. complementar ao LAMMPS para soft matter e biomoléculas.</p> <p>Quantum ESPRESSO (<a rel="external" href="https://github.com/QEF/q-e">QEF/q-e</a>), suite para estrutura eletrônica e modelagem de materiais na escala nanoscópica. DFT, phonons, propriedades ópticas. fundamental para materiais sob pressões extremas a nível quântico.</p> <h4 id="framework-amr-e-infraestrutura-hpc">framework AMR e infraestrutura HPC</h4> <p>AMReX (<a rel="external" href="https://github.com/AMReX-Codes/amrex">AMReX-Codes/amrex</a>), framework para AMR block-structured massivamente paralelo. base do WarpX, Castro, Nyx e dezenas de outros. CPU e GPU, particles, embedded boundaries. backbone computacional do ecossistema DOE exascale.</p> <p>Kokkos (<a rel="external" href="https://github.com/kokkos/kokkos">kokkos/kokkos</a>), modelo de programação C++ para performance portátil em arquiteturas heterogêneas (CPU, GPU NVIDIA/AMD/Intel). escreve uma vez, roda em qualquer hardware. usado por Singularity-EOS, Trilinos e dezenas de códigos DOE.</p> <p>Trilinos (<a rel="external" href="https://github.com/trilinos/Trilinos">trilinos/Trilinos</a>, Sandia), pacotes para álgebra linear, solvers, preconditioners, mesh, discretização. base computacional para muitos códigos de armas e engenharia.</p> <h4 id="visualizacao-e-analise-de-dados">visualização e análise de dados</h4> <p>ParaView (<a rel="external" href="https://github.com/Kitware/ParaView">Kitware/ParaView</a>), visualização científica para datasets massivos. AMR, particles, rendering paralelo. lê AMReX, openPMD, HDF5, VTK. o padrão para visualização de simulações HPC.</p> <p>VisIt (<a rel="external" href="https://github.com/visit-dav/visit">visit-dav/visit</a>, LLNL), visualização e análise para datasets extremamente grandes. AMR, múltiplos formatos de simulação. complementar ao ParaView.</p> <p>yt (<a rel="external" href="https://github.com/yt-project/yt">yt-project/yt</a>), pacote Python para análise e visualização de dados volumétricos. suporte nativo a AMReX, FLASH, Enzo, Athena. ideal para análise programática de dados HED.</p> <h4 id="fisica-de-plasmas-ferramentas-e-bibliotecas">física de plasmas, ferramentas e bibliotecas</h4> <p>PlasmaPy (<a rel="external" href="https://github.com/PlasmaPy/PlasmaPy">PlasmaPy/PlasmaPy</a>), biblioteca Python para a comunidade de física de plasmas. análise de dispersão, formulário NRL, diagnósticos, transporte. em desenvolvimento ativo, já útil como toolkit de referência.</p> <p>IMAS (<a rel="external" href="https://github.com/iterorganization">iterorganization</a>, ITER), suite de modelagem e análise integrada da ITER, tornada open source em dezembro 2025. inclui SOLPS-ITER (edge plasmas), DINA (cenários tokamak), workflows de Heating &amp; Current Drive. padrão de dados device-agnostic para fusão.</p> <h4 id="fusao-ferramentas-especificas">fusão, ferramentas específicas</h4> <p>FreeGS (<a rel="external" href="https://github.com/freegs-plasma/freegs">freegs-plasma/freegs</a>), solver Grad-Shafranov para equilíbrio de plasmas em tokamaks. Python. calcula formas de plasma, correntes, campos magnéticos.</p> <p>awesome-nuclear (<a rel="external" href="https://github.com/paulromano/awesome-nuclear">paulromano/awesome-nuclear</a>), lista curada de projetos open source para ciência e engenharia nuclear. transporte de partículas, dados nucleares, cinética de reatores, depleção, termal-hidráulica. meta-índice essencial.</p> <h3 id="parte-2-top-por-relevancia-e-community-size-hed-plasma-fusao-nuclear">parte 2, top por relevância e community size (HED, plasma, fusão, nuclear)</h3> <p>ordenado por relevância e tamanho de comunidade, não por stars absolutas (irrelevantes neste domínio).</p> <table><thead><tr><th>#</th><th>repo</th><th>stars (aprox.)</th><th>descrição</th></tr></thead><tbody> <tr><td>1</td><td><a rel="external" href="https://github.com/lammps/lammps">lammps/lammps</a></td><td>~5.2k</td><td>dinâmica molecular massivamente paralela, Sandia</td></tr> <tr><td>2</td><td><a rel="external" href="https://github.com/Geant4/geant4">Geant4/geant4</a></td><td>~3.8k</td><td>passagem de partículas na matéria, CERN</td></tr> <tr><td>3</td><td><a rel="external" href="https://github.com/openmc-dev/openmc">openmc-dev/openmc</a></td><td>~2.9k</td><td>Monte Carlo neutron/photon transport</td></tr> <tr><td>4</td><td><a rel="external" href="https://github.com/AMReX-Codes/amrex">AMReX-Codes/amrex</a></td><td>~2.5k</td><td>framework AMR block-structured para HPC</td></tr> <tr><td>5</td><td><a rel="external" href="https://github.com/ECP-WarpX/WarpX">ECP-WarpX/WarpX</a></td><td>~2.8k</td><td>PIC exascale, Gordon Bell Prize 2022</td></tr> <tr><td>6</td><td><a rel="external" href="https://github.com/QEF/q-e">QEF/q-e</a></td><td>~1.8k</td><td>estrutura eletrônica e modelagem de materiais DFT</td></tr> <tr><td>7</td><td><a rel="external" href="https://github.com/gromacs/gromacs">gromacs/gromacs</a></td><td>~1.6k</td><td>dinâmica molecular alta performance</td></tr> <tr><td>8</td><td><a rel="external" href="https://github.com/Kitware/ParaView">Kitware/ParaView</a></td><td>~4.2k</td><td>visualização científica de datasets massivos</td></tr> <tr><td>9</td><td><a rel="external" href="https://github.com/visit-dav/visit">visit-dav/visit</a></td><td>~1.1k</td><td>visualização e análise, LLNL</td></tr> <tr><td>10</td><td><a rel="external" href="https://github.com/kokkos/kokkos">kokkos/kokkos</a></td><td>~2.1k</td><td>performance portátil C++ para HPC heterogêneo</td></tr> <tr><td>11</td><td><a rel="external" href="https://github.com/trilinos/Trilinos">trilinos/Trilinos</a></td><td>~1.4k</td><td>álgebra linear, solvers, Sandia</td></tr> <tr><td>12</td><td><a rel="external" href="https://github.com/yt-project/yt">yt-project/yt</a></td><td>~4.6k</td><td>análise e visualização de simulações volumétricas</td></tr> <tr><td>13</td><td><a rel="external" href="https://github.com/DedalusProject/dedalus">DedalusProject/dedalus</a></td><td>~800</td><td>framework espectral para PDEs</td></tr> <tr><td>14</td><td><a rel="external" href="https://github.com/Flash-X/Flash-X">Flash-X/Flash-X</a></td><td>~250</td><td>multi-física AMR, rad-MHD, Z-pinch capable</td></tr> <tr><td>15</td><td><a rel="external" href="https://github.com/PrincetonUniversity/athena">PrincetonUniversity/athena</a></td><td>~600</td><td>MHD astrofísica, AMR, alta performance</td></tr> <tr><td>16</td><td><a rel="external" href="https://github.com/SmileiPIC/Smilei">SmileiPIC/Smilei</a></td><td>~450</td><td>PIC eletromagnético relativístico</td></tr> <tr><td>17</td><td><a rel="external" href="https://github.com/ComputationalRadiationPhysics/picongpu">ComputationalRadiationPhysics/picongpu</a></td><td>~750</td><td>PIC GPU-native, fully relativistic</td></tr> <tr><td>18</td><td><a rel="external" href="https://github.com/PlasmaPy/PlasmaPy">PlasmaPy/PlasmaPy</a></td><td>~550</td><td>toolkit Python para física de plasmas</td></tr> <tr><td>19</td><td><a rel="external" href="https://github.com/fbpic/fbpic">fbpic/fbpic</a></td><td>~400</td><td>PIC espectral cilíndrico, GPU-accelerated</td></tr> <tr><td>20</td><td><a rel="external" href="https://github.com/lanl/singularity-eos">lanl/singularity-eos</a></td><td>~150</td><td>EOS performance-portable, LANL</td></tr> <tr><td>21</td><td><a rel="external" href="https://github.com/Warwick-Plasma/epoch">Warwick-Plasma/epoch</a></td><td>~300</td><td>PIC laser-plasma, QED, ionização</td></tr> <tr><td>22</td><td><a rel="external" href="https://github.com/amrvac/amrvac">amrvac/amrvac</a></td><td>~350</td><td>framework AMR para MHD</td></tr> <tr><td>23</td><td><a rel="external" href="https://github.com/AMReX-Astro/Castro">AMReX-Astro/Castro</a></td><td>~300</td><td>rad/MHD/hydro compressível, AMReX-based, astrofísica</td></tr> <tr><td>24</td><td><a rel="external" href="https://github.com/AMReX-Astro/Nyx">AMReX-Astro/Nyx</a></td><td>~150</td><td>hydro cosmológico AMR</td></tr> <tr><td>25</td><td><a rel="external" href="https://github.com/freegs-plasma/freegs">freegs-plasma/freegs</a></td><td>~120</td><td>Grad-Shafranov solver para equilíbrio tokamak</td></tr> <tr><td>26</td><td><a rel="external" href="https://github.com/zenitani/OpenMHD">zenitani/OpenMHD</a></td><td>~80</td><td>coleção de códigos MHD, Fortran/CUDA</td></tr> <tr><td>27</td><td><a rel="external" href="https://github.com/vonkarmaninstitute/pantera-pic-dsmc">vonkarmaninstitute/pantera-pic-dsmc</a></td><td>~50</td><td>PANTERA, PIC-DSMC para plasmas e fluxos não-equilíbrio</td></tr> <tr><td>28</td><td><a rel="external" href="https://github.com/PlasmaControl/FreeMHD">PlasmaControl/FreeMHD</a></td><td>~40</td><td>MHD para metais líquidos em superfície livre (fusão)</td></tr> <tr><td>29</td><td><a rel="external" href="https://github.com/tokamak-energy/gsfit">tokamak-energy/gsfit</a></td><td>~30</td><td>GSFit, reconstrução de plasma open source, lançado 2025 (Tokamak Energy)</td></tr> <tr><td>30</td><td><a rel="external" href="https://github.com/paulromano/awesome-nuclear">paulromano/awesome-nuclear</a></td><td>~800</td><td>lista curada do ecossistema nuclear/fusão open source</td></tr> </tbody></table> <h3 id="meta-listas-e-organizacoes-github-relevantes">meta-listas e organizações github relevantes</h3> <p>fusion-energy (<a rel="external" href="https://github.com/fusion-energy">fusion-energy</a>), coleção de projetos open source para fusão. ITER Organization (<a rel="external" href="https://github.com/iterorganization">iterorganization</a>), IMAS e códigos de modelagem. awesome-astrophysical-simulation-codes (<a rel="external" href="https://github.com/pmocz/awesome-astrophysical-simulation-codes">pmocz/awesome-astrophysical-simulation-codes</a>), códigos astrofísicos. HEP-ASTRO-COSMO (<a rel="external" href="https://github.com/nikosarcevic/HEP-ASTRO-COSMO">nikosarcevic/HEP-ASTRO-COSMO</a>), pacotes para HEP, astropartículas, astrofísica, cosmologia. UCLA Plasma Simulation Group (<a rel="external" href="https://github.com/UCLA-Plasma-Simulation-Group">UCLA-Plasma-Simulation-Group</a>), OSIRIS, QuickPIC, UPIC, códigos educacionais. Flash Center (Rochester), <a rel="external" href="https://flash.rochester.edu/site/flashcode">flash.rochester.edu/site/flashcode</a>, Flash-X e ferramentas associadas.</p>