Горизонты науки
НАУКА / #7_2022
Фото: Unsplash.com, Росатом
Симбиоз смелых научных идей и возможностей для их инженерного воплощения — ключ к реализации крупнейших научных проектов. О том, где может применяться термоядерный синтез, как развивается национальная инфраструктура мегасайенс-исследований, какие вопросы предстоит решить в области суперкомпьютерных вычислений, эксперты рассказали на летних «Академических слушаниях», прошедших в Росатоме. «Атомный эксперт» приводит расшифровки самых интересных выступлений.
Виктор ИЛЬГИСОНИС
директор направления научно-технических исследований и разработок Росатома
Где место термояду?
Человечество не оставляет желания и усилий овладеть реакциями термоядерного синтеза как практически безграничного источника энергии. Несмотря на семидесятилетнюю историю этих усилий и регулярно появляющуюся критику, в последние годы интерес общества к этой проблеме не только не угас, а даже усилился под влиянием роста общественной значимости вопросов низкоуглеродной трансформации экономики, нехватки сырьевых энергетических ресурсов, задач устойчивого развития и пр.
Индикатором развития этого направления может послужить резкий рост активности частных компаний, ведущих собственные (довольно затратные!) разработки в области управляемого термоядерного синтеза (УТС): в 2021 году в мире насчитывалось более двух десятков таких компаний (13 — в США), а объем их инвестиций в 2022 году увеличился более чем в два раза и, как ожидается, составит $ 2,8 млрд (по данным Fusion Industry Association).
Это свидетельствует о наличии и востребованности новых идей в этой области. Некоторые из них выглядят фантастическими, но, как мне представляется, вполне могут стать основой для будущих экспериментов. Вкратце: я считаю, что естественное место термояда — в космосе. Для этого утверждения есть следующие основания.
Ядерные реакции синтеза энергетически выгодны для легких ядер, в первую очередь для изотопов водорода и ближайших к нему элементов Периодической таблицы Менделеева. Поскольку между ядрами действует сила отталкивания, для того чтобы их столкнуть, нужна большая энергия. В стационарных условиях это требует высокой температуры: на уровне сотен миллионов градусов — для самой благоприятной реакции между ядрами дейтерия и трития, а для более «хитрых», но отчасти и более перспективных безнейтронных реакций температура должна быть еще выше. Поэтому ясно, что мы должны иметь дело с плазменным состоянием вещества.
Сильно нагретое вещество разлетается под действием внутреннего газокинетического давления и остывает, а разлет заряженных частиц плазмы можно ограничить наложением магнитного поля. При этом ограничивается лишь разлет в поперечном по отношению к магнитному полю направлении, а в продольном частицы движутся свободно. Для того чтобы они не улетали, необходимо замкнуть силовые линии. Отсюда естественная для установок термоядерного синтеза тороидальная геометрия и желание конструкторов создать как можно бóльшее магнитное поле, чтобы обеспечить магнитную термоизоляцию плазмы.
Тем не менее в лабораторных установках наличие стенки и поперечного магнитного поля критично, потому что частота вращения частиц в магнитном поле определяется исключительно зарядом и массой частиц, она не зависит от энергии. Это означает, что в плазме вблизи стенки могут находиться только «холодные» частицы, более энергичные просто попадут на стенку. Так что высоких температур можно ожидать, лишь отойдя от стенки довольно далеко. Следовательно, необходимо иметь достаточно большие установки. Поэтому попытки компактизировать термоядерные системы малопродуктивны.
Негативная роль стенки проявляется еще в нескольких проблемах. Во-первых, существующие материалы подвергаются высочайшим тепловым (2−3 МВт/м2 — на стенку и внутрикорпусные элементы, около 10 МВт/м2 — на диверторные пластины) и нейтронным (в среднем 0,5−1,2 МВт/м2) нагрузкам и оказываются на пределе работоспособности: происходят их охрупчивание, растрескивание, распыление. Во-вторых, возникает обратный поток вещества со стенки в плазму, что приводит к дополнительным потерям на излучение, остыванию плазмы, диссипации тока, деградации разряда, электрическим пробоям. В-третьих, изотопы водорода, служащие компонентами топлива, легко абсорбируются и диффундируют вглубь стенки.
Термоядерное сообщество пытается решить эти проблемы, порой успешно. Например, в международном проекте ИТЭР упор сделан на максимально термостойкие материалы: бо́льшая часть стенки будет изготовлена из бериллия и вольфрама; также изобретаются новые материалы. Мы придумали оригинальную литиевую защиту наиболее нагруженных элементов стенки: с помощью слоя жидкого или газообразного лития приходящие на стенку из плазмы потоки частиц купируются, энергия переизлучается, и тем самым снижается тепловая нагрузка на стенку.
Однако наилучший способ реализации термояда -отказ от стенки. Для этого термоядерное устройство нужно разместить в космосе. Это сразу решит большое количество инженерных проблем: можно будет избавиться от тяжеловесной вакуумной системы, от необходимости создания дорогостоящей вакуумной камеры. Автоматически решается и проблема рециклинга.
Вопрос заключается в том, можно ли запустить токамак в космос. Ответ: скорее всего, нет. Токамак — это сложная система, оснащенная многочисленными тяжелыми конструктивными элементами, которые в космосе необязательны, и целым набором сопутствующих систем, обеспечивающих его работоспособность. Вес одной только установки ИТЭР — 23 тыс. тонн, а комплекс вспомогательных систем напоминает небольшой город.
Следовательно, токамак не годится. Нужна система, отвечающая требованиям компактности, обеспечивая при этом стационарность. Эта система должна быть сверхпроводящей, низкоэнергетической и использующей прямое преобразование энергии, чтобы не тратить ее на тепловой цикл. Таким требованиям могут удовлетворять относительно простые системы, изобретенные в ходе термоядерных исследований, но не получившие большого распространения из-за прогресса токамаков, успешно эксплуатировавшихся в нашей стране. Такими системами могут стать гофрированный тор и сверхпроводящий диполь.
Человечество не оставляет желания и усилий овладеть реакциями термоядерного синтеза как практически безграничного источника энергии. Несмотря на семидесятилетнюю историю этих усилий и регулярно появляющуюся критику, в последние годы интерес общества к этой проблеме не только не угас, а даже усилился под влиянием роста общественной значимости вопросов низкоуглеродной трансформации экономики, нехватки сырьевых энергетических ресурсов, задач устойчивого развития и пр.
Индикатором развития этого направления может послужить резкий рост активности частных компаний, ведущих собственные (довольно затратные!) разработки в области управляемого термоядерного синтеза (УТС): в 2021 году в мире насчитывалось более двух десятков таких компаний (13 — в США), а объем их инвестиций в 2022 году увеличился более чем в два раза и, как ожидается, составит $ 2,8 млрд (по данным Fusion Industry Association).
Это свидетельствует о наличии и востребованности новых идей в этой области. Некоторые из них выглядят фантастическими, но, как мне представляется, вполне могут стать основой для будущих экспериментов. Вкратце: я считаю, что естественное место термояда — в космосе. Для этого утверждения есть следующие основания.
Ядерные реакции синтеза энергетически выгодны для легких ядер, в первую очередь для изотопов водорода и ближайших к нему элементов Периодической таблицы Менделеева. Поскольку между ядрами действует сила отталкивания, для того чтобы их столкнуть, нужна большая энергия. В стационарных условиях это требует высокой температуры: на уровне сотен миллионов градусов — для самой благоприятной реакции между ядрами дейтерия и трития, а для более «хитрых», но отчасти и более перспективных безнейтронных реакций температура должна быть еще выше. Поэтому ясно, что мы должны иметь дело с плазменным состоянием вещества.
Сильно нагретое вещество разлетается под действием внутреннего газокинетического давления и остывает, а разлет заряженных частиц плазмы можно ограничить наложением магнитного поля. При этом ограничивается лишь разлет в поперечном по отношению к магнитному полю направлении, а в продольном частицы движутся свободно. Для того чтобы они не улетали, необходимо замкнуть силовые линии. Отсюда естественная для установок термоядерного синтеза тороидальная геометрия и желание конструкторов создать как можно бóльшее магнитное поле, чтобы обеспечить магнитную термоизоляцию плазмы.
Тем не менее в лабораторных установках наличие стенки и поперечного магнитного поля критично, потому что частота вращения частиц в магнитном поле определяется исключительно зарядом и массой частиц, она не зависит от энергии. Это означает, что в плазме вблизи стенки могут находиться только «холодные» частицы, более энергичные просто попадут на стенку. Так что высоких температур можно ожидать, лишь отойдя от стенки довольно далеко. Следовательно, необходимо иметь достаточно большие установки. Поэтому попытки компактизировать термоядерные системы малопродуктивны.
Негативная роль стенки проявляется еще в нескольких проблемах. Во-первых, существующие материалы подвергаются высочайшим тепловым (2−3 МВт/м2 — на стенку и внутрикорпусные элементы, около 10 МВт/м2 — на диверторные пластины) и нейтронным (в среднем 0,5−1,2 МВт/м2) нагрузкам и оказываются на пределе работоспособности: происходят их охрупчивание, растрескивание, распыление. Во-вторых, возникает обратный поток вещества со стенки в плазму, что приводит к дополнительным потерям на излучение, остыванию плазмы, диссипации тока, деградации разряда, электрическим пробоям. В-третьих, изотопы водорода, служащие компонентами топлива, легко абсорбируются и диффундируют вглубь стенки.
Термоядерное сообщество пытается решить эти проблемы, порой успешно. Например, в международном проекте ИТЭР упор сделан на максимально термостойкие материалы: бо́льшая часть стенки будет изготовлена из бериллия и вольфрама; также изобретаются новые материалы. Мы придумали оригинальную литиевую защиту наиболее нагруженных элементов стенки: с помощью слоя жидкого или газообразного лития приходящие на стенку из плазмы потоки частиц купируются, энергия переизлучается, и тем самым снижается тепловая нагрузка на стенку.
Однако наилучший способ реализации термояда -отказ от стенки. Для этого термоядерное устройство нужно разместить в космосе. Это сразу решит большое количество инженерных проблем: можно будет избавиться от тяжеловесной вакуумной системы, от необходимости создания дорогостоящей вакуумной камеры. Автоматически решается и проблема рециклинга.
Вопрос заключается в том, можно ли запустить токамак в космос. Ответ: скорее всего, нет. Токамак — это сложная система, оснащенная многочисленными тяжелыми конструктивными элементами, которые в космосе необязательны, и целым набором сопутствующих систем, обеспечивающих его работоспособность. Вес одной только установки ИТЭР — 23 тыс. тонн, а комплекс вспомогательных систем напоминает небольшой город.
Следовательно, токамак не годится. Нужна система, отвечающая требованиям компактности, обеспечивая при этом стационарность. Эта система должна быть сверхпроводящей, низкоэнергетической и использующей прямое преобразование энергии, чтобы не тратить ее на тепловой цикл. Таким требованиям могут удовлетворять относительно простые системы, изобретенные в ходе термоядерных исследований, но не получившие большого распространения из-за прогресса токамаков, успешно эксплуатировавшихся в нашей стране. Такими системами могут стать гофрированный тор и сверхпроводящий диполь.
Гофрированный тор
Токовое кольцо — магнитный диполь
Гофрированный тор — это относительно простая магнитная конфигурация, образованная кольцевыми проводниками, специальным образом юстированными. Теоретически доказаны возможность равновесия в такой системе плазмы без тороидального тока, а также возможность ее стабилизации. Недостаток этой системы в том, что она тоже не очень компактная, поэтому до сих пор экспериментально на Земле она реализована не была, хотя для космоса может оказаться вполне приемлемой.
Можно предложить и более простую систему — кольцо с током без дополнительных магнитных катушек и без систем, корректирующих магнитную конфигурацию. Понятно, что такая система может быть легко масштабирована в бо́льшую или меньшую сторону. Важно, что некоторые возможности этой системы — в частности, ее равновесие и устойчивость — уже экспериментально проверены.
Термоядерные исследования в таких системах не велись, так как плазма в них потенциально неустойчива. Были изобретены более сложные системы, заведомо обеспечивающие ее устойчивость. Однако более поздние исследования показали, что эта неустойчивость не всеобъемлющая: она связана с определенными радиальными профилями характеристик плазмы. Грубо говоря, возникающая неустойчивость приводит систему в состояние так называемой граничной устойчивости, которое вполне стабильно.
Это было продемонстрировано в двух экспериментах со сверхпроводящими токовыми кольцами (диполями), американском и японском, в ходе которых в лабораторных условиях удалось симулировать управляемую левитацию. Американский эксперимент LDX (Массачусетский технологический институт) был более масштабным: там было достигнуто бóльшее значение тока, текущего по сверхпроводнику, и время существования разряда составило несколько часов. Японский эксперимент RT‑1 (Токийский университет) позволял подвешивать сверхпроводник на период до восьми часов, хотя при физических параметрах, достигнутых в этом эксперименте, ток был меньше, чем в американском. Но главное, оба этих эксперимента продемонстрировали возможность различного возбуждения тока в проводнике, его устойчивое положение даже в условиях гравитации и решили ту самую физическую парадигму, о которой я говорил выше — о возможности стационарного удержания плазмы в режиме ограниченной устойчивости.
Все вышесказанное доказывает, что соответствующий модельный эксперимент было бы весьма целесообразно провести в космосе уже на данном этапе развития космической программы, при формировании которой планируется создание новой орбитальной станции. Конечно, надо начать с мелкомасштабного эксперимента, и в первую очередь проанализировать возможности нахождения и эксплуатации сверхпроводника в открытом космосе. Насколько мне известно, такие возможности никем в мире до сих пор в полной мере не исследовались. Предстоит решить много интересных технических задач, связанных с существованием сверхпроводимости в космическом пространстве, с необходимостью оптимизировать конструкции проводника, с использованием криогенных систем, которые не должны быть громоздкими. Можно использовать наличие вакуума. И в ходе такого мелкомасштабного космического эксперимента можно было бы продемонстрировать создание и захват плазмы в магнитном поле сверхпроводника в открытом пространстве. Некоторые эксперименты нужно проводить на Земле: оптимизировать конструкции кольцевого проводника; изготовить компактный гиротрон, чтобы наиболее эффективным образом создавать плазму. Если к подготовке таких экспериментов приступить немедленно, лидерские позиции нашей страны в столь интересном направлении будут обеспечены.
Можно предложить и более простую систему — кольцо с током без дополнительных магнитных катушек и без систем, корректирующих магнитную конфигурацию. Понятно, что такая система может быть легко масштабирована в бо́льшую или меньшую сторону. Важно, что некоторые возможности этой системы — в частности, ее равновесие и устойчивость — уже экспериментально проверены.
Термоядерные исследования в таких системах не велись, так как плазма в них потенциально неустойчива. Были изобретены более сложные системы, заведомо обеспечивающие ее устойчивость. Однако более поздние исследования показали, что эта неустойчивость не всеобъемлющая: она связана с определенными радиальными профилями характеристик плазмы. Грубо говоря, возникающая неустойчивость приводит систему в состояние так называемой граничной устойчивости, которое вполне стабильно.
Это было продемонстрировано в двух экспериментах со сверхпроводящими токовыми кольцами (диполями), американском и японском, в ходе которых в лабораторных условиях удалось симулировать управляемую левитацию. Американский эксперимент LDX (Массачусетский технологический институт) был более масштабным: там было достигнуто бóльшее значение тока, текущего по сверхпроводнику, и время существования разряда составило несколько часов. Японский эксперимент RT‑1 (Токийский университет) позволял подвешивать сверхпроводник на период до восьми часов, хотя при физических параметрах, достигнутых в этом эксперименте, ток был меньше, чем в американском. Но главное, оба этих эксперимента продемонстрировали возможность различного возбуждения тока в проводнике, его устойчивое положение даже в условиях гравитации и решили ту самую физическую парадигму, о которой я говорил выше — о возможности стационарного удержания плазмы в режиме ограниченной устойчивости.
Все вышесказанное доказывает, что соответствующий модельный эксперимент было бы весьма целесообразно провести в космосе уже на данном этапе развития космической программы, при формировании которой планируется создание новой орбитальной станции. Конечно, надо начать с мелкомасштабного эксперимента, и в первую очередь проанализировать возможности нахождения и эксплуатации сверхпроводника в открытом космосе. Насколько мне известно, такие возможности никем в мире до сих пор в полной мере не исследовались. Предстоит решить много интересных технических задач, связанных с существованием сверхпроводимости в космическом пространстве, с необходимостью оптимизировать конструкции проводника, с использованием криогенных систем, которые не должны быть громоздкими. Можно использовать наличие вакуума. И в ходе такого мелкомасштабного космического эксперимента можно было бы продемонстрировать создание и захват плазмы в магнитном поле сверхпроводника в открытом пространстве. Некоторые эксперименты нужно проводить на Земле: оптимизировать конструкции кольцевого проводника; изготовить компактный гиротрон, чтобы наиболее эффективным образом создавать плазму. Если к подготовке таких экспериментов приступить немедленно, лидерские позиции нашей страны в столь интересном направлении будут обеспечены.
Александр БЛАГОВ
вице-президент НИЦ «Курчатовский институт»
Национальная инфраструктура синхротронно-нейтронных исследований
Ускорительные технологии, как и реакторные, стали неотъемлемой частью атомного проекта, начиная с запуска И. В. Курчатовым в Лаборатории № 2 первого циклотрона, на котором было получено первое микроколичество критически важного тогда плутония, и заканчивая строительством самых мощных в мире установок (таких как У‑70). Был реализован эффективный механизм взаимодействия науки и промышленности — институт научного руководства крупными проектами; сформирован колоссальный научный блок для развития атомных ускорительных технологий.
Начиная с середины 1960‑х годов ускорители элементарных частиц, изначально предназначенные для исследований в области физики высоких энергий, стали применяться для структурных исследований как специализированные источники синхротронного излучения — сверхъяркие источники фотонов в рентгеновском диапазоне.
Сегодня рентгеновская структурная диагностика, так же как и нейтронные ее методы, стала базовым метрологическим инструментом нанотехнологий, позволяющим исследовать различные объекты в широчайших пределах — от нано- до макроуровня. Классический рентгеновский эксперимент — это «фотография» расположения атомов в пространстве. На ней мы видим, как расположены атомы, как формируются те или иные свойства твердых тел, можем даже управлять этими свойствами, меняя атомный состав и структуру. Но для того, чтобы «оживить» эту «фотографию», то есть изучать природу на всех уровнях организации, динамики и взаимодействий, нужно еще одно измерение — время.
Современные источники поколения IV+, лазеры на свободных электронах, дают такую возможность, причем в широчайших временны́х масштабах: от фемтосекунд (такими временны́ми параметрами характеризуются образования химических связей) до более высокого уровня, на котором работают живые системы, молекулярные механизмы и так далее.
По сути, сейчас в науке наметился качественный переход. С появлением когерентных источников появилась возможность на принципиально новом уровне оперировать структурой диагностики материалов: для рентгеноструктурного анализа не нужен упорядоченный (кристаллический) объект, мы можем исследовать любые объекты, сколь угодно малые, с атомарным разрешением, во временно́м диапазоне от десятков фемтосекунд. Все это в совокупности дает возможность реализовать столь желанную в ХХ веке 4D-кристаллографию.
Все действующие и строящиеся синхротроны можно разделить на два типа: флагманские машины мощностью от 6 ГэВ и базовые мощностью 1,5−3 ГэВ, необходимые для поддержания существующих технологий. К первым относятся APS (США), Spring‑8 (8 ГэВ, Япония), ESRF-EBS (6 ГэВ, Франция), Petra-III + XFL (Германия). Ко вторым — более 70 установок, в России, например, Курчатов (2,5 ГэВ).
В 2011 году президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук и руководители ведущих мировых синхротронных центров DESY (Германия), Spring‑8 (Япония), ESRF (Франция) подписали документ о создании на территории России источника поколения IV. За последние несколько лет в НИЦ «Курчатовский институт» была разработана концепция принципиально новой сетевой распределенной мегасайенс-инфраструктуры для синхротронных и нейтронных исследований. Концепция стала основой для Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019−2027 годы, утвержденной постановлением Правительства России в 2019 году.
Инфраструктурная часть программы включает создание национальной сети мегаустановок — синхротронных источников, источников нейтронов и распределенного центра ядерной медицины. Она охватывает ключевые научные регионы от Дальнего Востока до Новосибирска, от Москвы до Санкт-Петербурга. Научный руководитель программы — НИЦ «Курчатовский институт».
Основная задача — интеграция взаимодополняющих исследовательских установок с распределением (оркестровкой) научных задач, с учетом специфики и потребностей науки и промышленности тех регионов, где они будут располагаться. По сути, будет создан единый механизм, который обеспечит развитие науки, создание новых прорывных технологий в горизонте многих десятилетий. Он поддержит связи территорий нашей страны.
Флагман программы — источник «Сила» (6 ГэВ, Протвино). Этот синхротрон-лазер — уникальная по совокупности решений машина, не имеющая аналогов в мире. Это многопользовательская установка, включающая два важнейших компонента: синхротрон и рентгеновский лазер на свободных электронах. Последний выдает фемтосекундные пучки, позволяющие исследовать малые молекулы, такие как вирусы и белки. На этой установке можно будет проводить передовые исследования по самым разным направлениям биологии, материаловедения, химии, физики, разрабатывать принципиально новые гибридные и биоподобные материалы, лекарства, электронные компоненты.
Исследовательский высокопоточный реактор «ПИК» (100 МВт, Гатчина) — самый мощный в мире нейтронный исследовательский реактор, результат успешного взаимодействия Курчатовского института и Росатома. На базе реакторного комплекса ПИК будет создан международный центр нейтронных исследований. В 2021 году был осуществлен первый этап энергетического пуска реактора, введены в эксплуатацию первые пять экспериментальных станций.
Прототип импульсного «безреакторного» источника нейтронов на основе реакции испарительно-скалывающего типа «Омега» с энергией нейтронов 1 кэВ — 20 мэВ будет создан в Протвино на базе ускорителя протонов У‑70.
Источник поколения IV ЦКП «СКИФ» (3 ГэВ) — пилотный проект программы, имеющий большое значение для отработки технологий создания ускорителей и накопителей с новым типом магнитно-оптической структуры. Он строится в г. Кольцово Новосибирской области.
Также в рамках программы будет модернизирован единственный в России действующий специализированный источник синхротронного излучения КИСИ «Курчатов» (2,5 ГэВ, Москва). За последнее десятилетие экспериментальная инфраструктура «Курчатова» была полностью обновлена. На текущем этапе модернизации предусмотрено полное обновление ускорительно-накопительного комплекса.
Многолетний опыт, полученный при эксплуатации КИСИ «Курчатов» и работе на пользователей, будет применен при создании источника синхротронного излучения «РИФ» (более 2,5 ГэВ) — установки, схожей по конфигурации с курчатовским синхротроном, которая будет расположена в кампусе Дальневосточного федерального университета и предназначена для решения широкого круга задач: от междисциплинарных, связанных с исследованиями уникальной природы Дальнего Востока, до образовательных и технологических.
В рамках реализации программы будут завершены работы по модернизации инженерных систем, экспериментальной инфраструктуры и вводу в эксплуатацию источника синхротронного излучения в Зеленограде (технологический накопительный комплекс «Зеленоград»). Он создавался как основной исследовательско-технологический элемент предприятий микроэлектронной промышленности города, что нашло отражение в ряде технических решений, не имеющих аналогов.
Также в рамках программы будет создан уникальный научно-образовательный центр ядерной медицины. Сегодня на площадках НИЦ «Курчатовский институт» в Протвино, Москве, Гатчине разрабатывается целый ряд различных медицинских комплексов на базе ускорителей для ионной и протонной терапии, онкоофтальмологический центр на базе циклотрона Ц‑80, а также радиоизотопный комплекс для диагностики и терапии.
Создаваемые установки — основа формирования принципиально нового научного ландшафта в нашей стране, центры притяжения ведущих ученых и талантливой молодежи — ключевые элементы разработки прорывных технологий XXI века и обеспечения опережающего развития отечественной науки по всем приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития России до 2032 года.
Ускорительные технологии, как и реакторные, стали неотъемлемой частью атомного проекта, начиная с запуска И. В. Курчатовым в Лаборатории № 2 первого циклотрона, на котором было получено первое микроколичество критически важного тогда плутония, и заканчивая строительством самых мощных в мире установок (таких как У‑70). Был реализован эффективный механизм взаимодействия науки и промышленности — институт научного руководства крупными проектами; сформирован колоссальный научный блок для развития атомных ускорительных технологий.
Начиная с середины 1960‑х годов ускорители элементарных частиц, изначально предназначенные для исследований в области физики высоких энергий, стали применяться для структурных исследований как специализированные источники синхротронного излучения — сверхъяркие источники фотонов в рентгеновском диапазоне.
Сегодня рентгеновская структурная диагностика, так же как и нейтронные ее методы, стала базовым метрологическим инструментом нанотехнологий, позволяющим исследовать различные объекты в широчайших пределах — от нано- до макроуровня. Классический рентгеновский эксперимент — это «фотография» расположения атомов в пространстве. На ней мы видим, как расположены атомы, как формируются те или иные свойства твердых тел, можем даже управлять этими свойствами, меняя атомный состав и структуру. Но для того, чтобы «оживить» эту «фотографию», то есть изучать природу на всех уровнях организации, динамики и взаимодействий, нужно еще одно измерение — время.
Современные источники поколения IV+, лазеры на свободных электронах, дают такую возможность, причем в широчайших временны́х масштабах: от фемтосекунд (такими временны́ми параметрами характеризуются образования химических связей) до более высокого уровня, на котором работают живые системы, молекулярные механизмы и так далее.
По сути, сейчас в науке наметился качественный переход. С появлением когерентных источников появилась возможность на принципиально новом уровне оперировать структурой диагностики материалов: для рентгеноструктурного анализа не нужен упорядоченный (кристаллический) объект, мы можем исследовать любые объекты, сколь угодно малые, с атомарным разрешением, во временно́м диапазоне от десятков фемтосекунд. Все это в совокупности дает возможность реализовать столь желанную в ХХ веке 4D-кристаллографию.
Все действующие и строящиеся синхротроны можно разделить на два типа: флагманские машины мощностью от 6 ГэВ и базовые мощностью 1,5−3 ГэВ, необходимые для поддержания существующих технологий. К первым относятся APS (США), Spring‑8 (8 ГэВ, Япония), ESRF-EBS (6 ГэВ, Франция), Petra-III + XFL (Германия). Ко вторым — более 70 установок, в России, например, Курчатов (2,5 ГэВ).
В 2011 году президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук и руководители ведущих мировых синхротронных центров DESY (Германия), Spring‑8 (Япония), ESRF (Франция) подписали документ о создании на территории России источника поколения IV. За последние несколько лет в НИЦ «Курчатовский институт» была разработана концепция принципиально новой сетевой распределенной мегасайенс-инфраструктуры для синхротронных и нейтронных исследований. Концепция стала основой для Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019−2027 годы, утвержденной постановлением Правительства России в 2019 году.
Инфраструктурная часть программы включает создание национальной сети мегаустановок — синхротронных источников, источников нейтронов и распределенного центра ядерной медицины. Она охватывает ключевые научные регионы от Дальнего Востока до Новосибирска, от Москвы до Санкт-Петербурга. Научный руководитель программы — НИЦ «Курчатовский институт».
Основная задача — интеграция взаимодополняющих исследовательских установок с распределением (оркестровкой) научных задач, с учетом специфики и потребностей науки и промышленности тех регионов, где они будут располагаться. По сути, будет создан единый механизм, который обеспечит развитие науки, создание новых прорывных технологий в горизонте многих десятилетий. Он поддержит связи территорий нашей страны.
Флагман программы — источник «Сила» (6 ГэВ, Протвино). Этот синхротрон-лазер — уникальная по совокупности решений машина, не имеющая аналогов в мире. Это многопользовательская установка, включающая два важнейших компонента: синхротрон и рентгеновский лазер на свободных электронах. Последний выдает фемтосекундные пучки, позволяющие исследовать малые молекулы, такие как вирусы и белки. На этой установке можно будет проводить передовые исследования по самым разным направлениям биологии, материаловедения, химии, физики, разрабатывать принципиально новые гибридные и биоподобные материалы, лекарства, электронные компоненты.
Исследовательский высокопоточный реактор «ПИК» (100 МВт, Гатчина) — самый мощный в мире нейтронный исследовательский реактор, результат успешного взаимодействия Курчатовского института и Росатома. На базе реакторного комплекса ПИК будет создан международный центр нейтронных исследований. В 2021 году был осуществлен первый этап энергетического пуска реактора, введены в эксплуатацию первые пять экспериментальных станций.
Прототип импульсного «безреакторного» источника нейтронов на основе реакции испарительно-скалывающего типа «Омега» с энергией нейтронов 1 кэВ — 20 мэВ будет создан в Протвино на базе ускорителя протонов У‑70.
Источник поколения IV ЦКП «СКИФ» (3 ГэВ) — пилотный проект программы, имеющий большое значение для отработки технологий создания ускорителей и накопителей с новым типом магнитно-оптической структуры. Он строится в г. Кольцово Новосибирской области.
Также в рамках программы будет модернизирован единственный в России действующий специализированный источник синхротронного излучения КИСИ «Курчатов» (2,5 ГэВ, Москва). За последнее десятилетие экспериментальная инфраструктура «Курчатова» была полностью обновлена. На текущем этапе модернизации предусмотрено полное обновление ускорительно-накопительного комплекса.
Многолетний опыт, полученный при эксплуатации КИСИ «Курчатов» и работе на пользователей, будет применен при создании источника синхротронного излучения «РИФ» (более 2,5 ГэВ) — установки, схожей по конфигурации с курчатовским синхротроном, которая будет расположена в кампусе Дальневосточного федерального университета и предназначена для решения широкого круга задач: от междисциплинарных, связанных с исследованиями уникальной природы Дальнего Востока, до образовательных и технологических.
В рамках реализации программы будут завершены работы по модернизации инженерных систем, экспериментальной инфраструктуры и вводу в эксплуатацию источника синхротронного излучения в Зеленограде (технологический накопительный комплекс «Зеленоград»). Он создавался как основной исследовательско-технологический элемент предприятий микроэлектронной промышленности города, что нашло отражение в ряде технических решений, не имеющих аналогов.
Также в рамках программы будет создан уникальный научно-образовательный центр ядерной медицины. Сегодня на площадках НИЦ «Курчатовский институт» в Протвино, Москве, Гатчине разрабатывается целый ряд различных медицинских комплексов на базе ускорителей для ионной и протонной терапии, онкоофтальмологический центр на базе циклотрона Ц‑80, а также радиоизотопный комплекс для диагностики и терапии.
Создаваемые установки — основа формирования принципиально нового научного ландшафта в нашей стране, центры притяжения ведущих ученых и талантливой молодежи — ключевые элементы разработки прорывных технологий XXI века и обеспечения опережающего развития отечественной науки по всем приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития России до 2032 года.
Николай ЗАВЬЯЛОВ
директор Института ядерной и радиационной физики ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
Фундаментальные и прикладные исследования в области ядерной и радиационной физики
В условиях действия договора о запрещении ядерных испытаний роль экспериментальной базы, основу которой образуют ускорители заряженных частиц и импульсные ядерные реакторы, многократно возрастает: именно с ее помощью можно получать новые экспериментальные данные и уточнять имеющиеся. Это очень важно для создания физических и расчетных моделей, а также для формирования фундаментальных и прикладных исследований, которые должны стать стартом создания и точкой роста прорывных технологий.
Радиационная физика начиналась в 1960‑х годах, когда в нашей стране создавались первые образцы ядерного оружия. Сегодня она стала системообразующей наукой о взаимодействии ионизирующего излучения с веществом.
Во ВНИИЭФе создана уникальная экспериментальная база для исследований в области ядерной и радиационной физики. Для полноты энергетического спектра излучателей необходимо было построить установку, моделирующую воздействие рентгеновского излучения, — тогда бы мы имели полный набор установок, методик, методологий. В начале 2000‑х годов в Росатоме было принято решение о создании полномасштабной установки «Гамма» мощностью 32 МВт. Сегодня установка, состоящая из четырех модулей, сдана в эксплуатацию и выведена на проектные параметры. Она не уступает лучшим мировым образцам своего класса: французской GEPI, китайской PTS, американской Z и другим.
С целью развития гамма-нейтронных исследований на базе реактора «Икар» был создан критический стенд для радиационных испытаний объектов с габаритами 0,5×0,5×2 метра. Также создается реактор «ВИР‑3» со сквозным облучательным каналом диаметром 400 мм.
Сегодня во всем мире большое внимание уделяется освоению космического пространства. Очевидно, что это направление стратегически значимо и для обороноспособности страны, решения народнохозяйственных задач, достижения технологического лидерства. Космическая аппаратура должна обладать высокой надежностью и иметь гарантированные длительные сроки активного существования в условиях воздействия комплекса дестабилизирующих факторов. Одно из важных требований при этом — радиационная стойкость.
Разработка отечественной функционально полной номенклатуры радиационно стойких ЭКБ, приборов и радиоэлектронной аппаратуры, включая космическую технику, стала сверхактуальной задачей.
В соответствии с этим в 2018 году на правительственном уровне было принято решение о создании в Сарове межведомственного распределенного Центра радиационных испытаний. Это предполагает переход экспериментального моделирования воздействий на новый уровень.
По своим характеристикам и возможностям методическая и экспериментально-испытательная база центра будет соответствовать характеристикам и возможностям ведущих зарубежных испытательных центров.
В прошлом году началось строительство центра, к 2025 году запланирован ввод в эксплуатацию первой очереди. В составе центра — кольцо основного синхротрона, инжекторы тяжелых ионов, бустер-синхротрон, гамма-установка, ускоритель электронов, участок подготовки образцов, зона испытаний ЭКБ и плат, центр обработки данных.
В условиях действия договора о запрещении ядерных испытаний роль экспериментальной базы, основу которой образуют ускорители заряженных частиц и импульсные ядерные реакторы, многократно возрастает: именно с ее помощью можно получать новые экспериментальные данные и уточнять имеющиеся. Это очень важно для создания физических и расчетных моделей, а также для формирования фундаментальных и прикладных исследований, которые должны стать стартом создания и точкой роста прорывных технологий.
Радиационная физика начиналась в 1960‑х годах, когда в нашей стране создавались первые образцы ядерного оружия. Сегодня она стала системообразующей наукой о взаимодействии ионизирующего излучения с веществом.
Во ВНИИЭФе создана уникальная экспериментальная база для исследований в области ядерной и радиационной физики. Для полноты энергетического спектра излучателей необходимо было построить установку, моделирующую воздействие рентгеновского излучения, — тогда бы мы имели полный набор установок, методик, методологий. В начале 2000‑х годов в Росатоме было принято решение о создании полномасштабной установки «Гамма» мощностью 32 МВт. Сегодня установка, состоящая из четырех модулей, сдана в эксплуатацию и выведена на проектные параметры. Она не уступает лучшим мировым образцам своего класса: французской GEPI, китайской PTS, американской Z и другим.
С целью развития гамма-нейтронных исследований на базе реактора «Икар» был создан критический стенд для радиационных испытаний объектов с габаритами 0,5×0,5×2 метра. Также создается реактор «ВИР‑3» со сквозным облучательным каналом диаметром 400 мм.
Сегодня во всем мире большое внимание уделяется освоению космического пространства. Очевидно, что это направление стратегически значимо и для обороноспособности страны, решения народнохозяйственных задач, достижения технологического лидерства. Космическая аппаратура должна обладать высокой надежностью и иметь гарантированные длительные сроки активного существования в условиях воздействия комплекса дестабилизирующих факторов. Одно из важных требований при этом — радиационная стойкость.
Разработка отечественной функционально полной номенклатуры радиационно стойких ЭКБ, приборов и радиоэлектронной аппаратуры, включая космическую технику, стала сверхактуальной задачей.
В соответствии с этим в 2018 году на правительственном уровне было принято решение о создании в Сарове межведомственного распределенного Центра радиационных испытаний. Это предполагает переход экспериментального моделирования воздействий на новый уровень.
По своим характеристикам и возможностям методическая и экспериментально-испытательная база центра будет соответствовать характеристикам и возможностям ведущих зарубежных испытательных центров.
В прошлом году началось строительство центра, к 2025 году запланирован ввод в эксплуатацию первой очереди. В составе центра — кольцо основного синхротрона, инжекторы тяжелых ионов, бустер-синхротрон, гамма-установка, ускоритель электронов, участок подготовки образцов, зона испытаний ЭКБ и плат, центр обработки данных.
Коротко расскажу еще об одном важном направлении нашей деятельности — импульсной радиографии для исследования быстропротекающих процессов. Такие исследования велись в атомной отрасли с начала реализации атомного проекта. В последние 15−20 лет Росатом отрабатывал проведение протонографических исследований с использованием принципа, открытого в конце прошлого века. На базе Института физики высоких энергий создан уникальный центр, не имеющий аналогов в мире.
Нельзя не вспомнить о работах группы предприятий (программа РТТН) по созданию отечественной технологии проведения фундаментальных исследований в области синтеза новых элементов. Сегодня Периодическая таблица Менделеева заканчивается 118‑м элементом. В ближайшее время мы должны выйти на экспериментальные исследования с целью получения 119‑го, 120‑го и, возможно, следующих ее элементов. В 2024 году необходимо полностью закончить создание соответствующей экспериментальной базы. В частности, во ВНИИЭФе должен быть создан уникальный сепаратор нового поколения, с помощью которого можно будет получить такие элементы, как, например, 251Cf, необходимый для синтеза 120‑го элемента. В Дубне создается фабрика сверхтяжелых элементов, а в НИИАРе должна быть налажена наработка всех необходимых изотопов, которые позволят создать единственный в мире банк изотопов.
Время требует разработки энергетических установок большой мощности. Во ВНИИЭФе созданы технологии проведения испытаний твэлов для повышения их эффективности и обеспечения безопасности при реактивностных авариях. В рамках научной программы Национального центра физики и математики предусмотрено создание петлевого устройства на базе импульсного реактора БИГР, которое позволит проводить такие испытания.
Ядерная физика имеет широкий спектр направлений исследований. Иногда вопросы помогает сформулировать природа: зарегистрирована неожиданная (на порядок выше, чем в звездах) распространенность лития, бериллия, бора в космических лучах. Таким образом, перед учеными поставлена большая задача: проведение экспериментальных исследований с целью уточнения, а в отдельных случаях — получения принципиально новых данных о так называемой реакции «на лету» на литии, на бериллии, на боре при воздействии протонов, дейтонов и тритонов. Эти эксперименты имеют важнейшее значение для исследований в области термоядерного синтеза.
В рамках НЦФМ принято решение о создании объекта класса мегасайенс — электрон-позитронного коллайдера «Супер с-тау фабрика». На нем будет проводиться широкий спектр исследований в области физики фундаментальных воздействий и построения новой физики за рамками Стандартной модели. Рассматривается вопрос объединения по крайней мере двух мегасайенс-установок: «Супер с-тау фабрики» и источника комптоновского излучения + XCELS. Сложно предсказать результаты такой синергии, но с уверенностью можно сказать, что это будут открытия мирового уровня.
И последнее, о чем надо упомянуть: в 2025 году, когда мы запустим первую очередь Центра радиационных испытаний, в рамках бустера будет создано все оборудование с характеристиками, не уступающими ни одному мировому специализированному центру в области адронной терапии. Так что есть все основания для создания центра адронной терапии, не имеющего аналогов в нашей стране.
Нельзя не вспомнить о работах группы предприятий (программа РТТН) по созданию отечественной технологии проведения фундаментальных исследований в области синтеза новых элементов. Сегодня Периодическая таблица Менделеева заканчивается 118‑м элементом. В ближайшее время мы должны выйти на экспериментальные исследования с целью получения 119‑го, 120‑го и, возможно, следующих ее элементов. В 2024 году необходимо полностью закончить создание соответствующей экспериментальной базы. В частности, во ВНИИЭФе должен быть создан уникальный сепаратор нового поколения, с помощью которого можно будет получить такие элементы, как, например, 251Cf, необходимый для синтеза 120‑го элемента. В Дубне создается фабрика сверхтяжелых элементов, а в НИИАРе должна быть налажена наработка всех необходимых изотопов, которые позволят создать единственный в мире банк изотопов.
Время требует разработки энергетических установок большой мощности. Во ВНИИЭФе созданы технологии проведения испытаний твэлов для повышения их эффективности и обеспечения безопасности при реактивностных авариях. В рамках научной программы Национального центра физики и математики предусмотрено создание петлевого устройства на базе импульсного реактора БИГР, которое позволит проводить такие испытания.
Ядерная физика имеет широкий спектр направлений исследований. Иногда вопросы помогает сформулировать природа: зарегистрирована неожиданная (на порядок выше, чем в звездах) распространенность лития, бериллия, бора в космических лучах. Таким образом, перед учеными поставлена большая задача: проведение экспериментальных исследований с целью уточнения, а в отдельных случаях — получения принципиально новых данных о так называемой реакции «на лету» на литии, на бериллии, на боре при воздействии протонов, дейтонов и тритонов. Эти эксперименты имеют важнейшее значение для исследований в области термоядерного синтеза.
В рамках НЦФМ принято решение о создании объекта класса мегасайенс — электрон-позитронного коллайдера «Супер с-тау фабрика». На нем будет проводиться широкий спектр исследований в области физики фундаментальных воздействий и построения новой физики за рамками Стандартной модели. Рассматривается вопрос объединения по крайней мере двух мегасайенс-установок: «Супер с-тау фабрики» и источника комптоновского излучения + XCELS. Сложно предсказать результаты такой синергии, но с уверенностью можно сказать, что это будут открытия мирового уровня.
И последнее, о чем надо упомянуть: в 2025 году, когда мы запустим первую очередь Центра радиационных испытаний, в рамках бустера будет создано все оборудование с характеристиками, не уступающими ни одному мировому специализированному центру в области адронной терапии. Так что есть все основания для создания центра адронной терапии, не имеющего аналогов в нашей стране.
Рашит ШАГАЛИЕВ
заместитель директора — заместитель научного руководителя ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», первый заместитель директора Института теоретической и математической физики (ИТМФ), руководитель приоритетного технологического направления «Технологии высокопроизводительных вычислений, включая суперкомпьютерные технологии», член-корреспондент РАН
Развитие технологий высокопроизводительных вычислений
Росатому и структурам, которые ему предшествовали, мы обязаны развитием новой области в математике — высшей математики. Сейчас эта область обросла новыми направлениями и успешно развивается.
В условиях запрещения ядерных испытаний задача создания методов моделирования нового поколения стояла очень остро. В этой области ВНИИЭФу удалось накопить достаточно большой опыт работы.
Я остановлюсь на двух ключевых направлениях: работах, связанных с созданием отечественных технологий суперкомпьютерного моделирования, и развитии с этой целью вычислительной базы.
Сегодня вопросы моделирования играют очень важную роль. С одной стороны, расширяется круг решаемых задач, возникают новые парадигмы организации вычислений. С другой стороны, работы становятся более комплексными, их невозможно осуществлять только силами специалистов в области физики и математики — необходимо привлекать экспертов из смежных областей.
В части суперкомпьютерного моделирования можно выделить три круга работ. Первый — наука: разработка моделей процессов, создание методов моделирования, их адаптация к особенностям современных суперкомпьютерных систем (а это мощности в сотни тысяч вычислительных ядер). Кроме того, создание современных сложных систем и экспериментальных установок требует не просто расчетов отдельных точек трехмерного моделирования, но принципиально новых подходов, способных предусмотреть наличие в системе огромного количества неопределенностей. Это сотни параметров, варьирующихся в определенных пределах. Современные технологии искусственного интеллекта, машинного вычисления, методы оптимизации начинают играть все бо́льшую роль в технологиях моделирования.
Второй круг работ связан с созданием нового поколения базы данных, ориентированной на высокоточное моделирование.
Третий круг работ: получение программных продуктов, впитывающих все эти знания и технологии и дающих инструменты для практического применения. Речь идет о создании интеграционной программной платформы промышленного уровня, ориентированной на вычислительные системы различной архитектуры, создание интерфейсной оболочки, системы графической обработки данных и т. д.
Росатому и структурам, которые ему предшествовали, мы обязаны развитием новой области в математике — высшей математики. Сейчас эта область обросла новыми направлениями и успешно развивается.
В условиях запрещения ядерных испытаний задача создания методов моделирования нового поколения стояла очень остро. В этой области ВНИИЭФу удалось накопить достаточно большой опыт работы.
Я остановлюсь на двух ключевых направлениях: работах, связанных с созданием отечественных технологий суперкомпьютерного моделирования, и развитии с этой целью вычислительной базы.
Сегодня вопросы моделирования играют очень важную роль. С одной стороны, расширяется круг решаемых задач, возникают новые парадигмы организации вычислений. С другой стороны, работы становятся более комплексными, их невозможно осуществлять только силами специалистов в области физики и математики — необходимо привлекать экспертов из смежных областей.
В части суперкомпьютерного моделирования можно выделить три круга работ. Первый — наука: разработка моделей процессов, создание методов моделирования, их адаптация к особенностям современных суперкомпьютерных систем (а это мощности в сотни тысяч вычислительных ядер). Кроме того, создание современных сложных систем и экспериментальных установок требует не просто расчетов отдельных точек трехмерного моделирования, но принципиально новых подходов, способных предусмотреть наличие в системе огромного количества неопределенностей. Это сотни параметров, варьирующихся в определенных пределах. Современные технологии искусственного интеллекта, машинного вычисления, методы оптимизации начинают играть все бо́льшую роль в технологиях моделирования.
Второй круг работ связан с созданием нового поколения базы данных, ориентированной на высокоточное моделирование.
Третий круг работ: получение программных продуктов, впитывающих все эти знания и технологии и дающих инструменты для практического применения. Речь идет о создании интеграционной программной платформы промышленного уровня, ориентированной на вычислительные системы различной архитектуры, создание интерфейсной оболочки, системы графической обработки данных и т. д.
Есть несколько задач, требующих скорейшего решения. Первая: импортозамещение и развитие импортонезависимости. Несмотря на то что у нас есть хорошие научные школы в разных областях, основная часть расчетов сейчас проводится по зарубежным программам — за исключением ядерных центров, где в основе расчетного обоснования принципиально всегда были отечественные программные продукты. Необходимо внедрение отечественных технологий и программного обеспечения в научные исследования и работы машиностроительных КБ, а также в другие отрасли.
Вторая задача: создание и внедрение в проектирование сложных технических систем и изделий новых технологий «виртуальных испытаний». Такие испытания проводятся наряду с натурными и экспериментальной отработкой. Это многосоставная задача, включающая не только создание программного обеспечения, баз данных для моделирования, нового поколения вычислительных технологий, но и развитие нормативной базы, систем комплексной валидации и аттестации, подтверждающих требуемое качество созданных технологий.
Наконец, третья задача: создание отечественных специализированных полнофункциональных программных комплексов для суперкомпьютерного моделирования и инженерного анализа, учитывающих специфику той или иной отрасли. Решение всех этих задач носит комплексный характер, требует кооперации различных организаций. С учетом этого работы организуются, как правило, на самом высоком уровне: издан ряд соответствующих постановлений, включая правительственные, постановления Коллегии Военно-промышленной комиссии РФ и внутриотраслевые организационные формы.
Что уже сделано? В основу инструментария для моделирования мы заложили пакет программ «Логос». Напомню, это многофункциональный, полностью отечественный комплекс. Им уже оснащено более 100 предприятий (более 1 тыс. рабочих мест). Возможность использования комплекса — от персональных ЭВМ и рабочих станций до сверхмощных супер-ЭВМ. С помощью «Логоса» можно моделировать процессы в области аэро-, гидро- и газодинамики, теплопереноса, турбулентности и т. д. И это только начало работ. Наша задача — обеспечить отечественным программным продуктом тысячи предприятий и научных организаций.
Помимо дальнейшего развития базовых компонентов «Логоса», на его основе создаются специализированные проблемно-ориентированные версии для разных отраслей. Таких версий уже 11, еще пять находятся в разработке. В этих версиях базовые компоненты в части гидро- и газодинамики дополняются модулями, описывающими процессы, характерные для работы конкретных образцов той или иной отрасли, с учетом их особенностей: кинетики горения и детонации, обледенения, деформации и т. п. При создании специализированных пакетов программ мы стремимся объединить опыт, накопленный в отраслевых научных институтах, в рамках единого продукта, доведенного до нужного уровня верификации и валидации.
Хороший пример — высокоточное моделирование системы пожаротушения по «Логосу» для беспилотного авиационного комплекса. Оно позволило отказаться от стендовой наземной отработки, подтвердив все нужные характеристики. Для системы пожаротушения получено положительное заключение только на базе расчетов.
Теперь коснусь вопросов перспективного развития. Во-первых, необходимо расширять области применения «Логоса»: в ближайшей перспективе (к 2024 году) запланирован переход организаций, входящих в Росатом, на преимущественное использование «Логоса»; в долгосрочной перспективе — использование «Логоса» в таких областях, как космическая индустрия, нефтегазодобыча, медицина и т. д. Уже создана широкая кооперация организаций, научных центров, занимающихся этой проблемой в тесной связи с конструкторскими бюро. Эта работа должна быть расширена.
Второе направление развития — совершенствование вычислительной базы. Здесь работы ведутся также широким фронтом. В современных условиях, когда жестко ограничены возможности зарубежных поставок микропроцессоров и программного обеспечения для ЭВМ, остро стоит задача обеспечения организаций страны вычислительными системами различного класса. Мы имеем неплохие результаты в части супер-ЭВМ среднего класса: созданы машины на базе микропроцессоров «Эльбрус». Эти вычислительные системы ориентированы на математическое моделирование физических процессов, а также на обработку больших объемов данных и использование технологий искусственного интеллекта. Одна из важнейших задач в данной области — обеспечение вычислительных систем полноценным отечественным системным и прикладным ПО. По эффективности вычислений на «Логосе» «Эльбрус» отставал от импортных аналогов примерно в пять раз. За три года нам удалось отставание ликвидировать. В целом ситуация понятна, перспективы видны.
Также необходимо создать современные компоненты для супер-ЭВМ. В состав любой супер-ЭВМ помимо процессора входят системы межпроцессорных обменов, операционная и, наконец, прикладное программное обеспечение. В нашем ядерном центре ведутся работы по созданию всех этих компонентов. Мы уже создали серийные образцы систем коммутации, работы по этому направлению продолжаются. Планируем к 2023−2024 годам выйти на новый коммутатор с пропускной способностью и другими характеристиками мирового уровня. Создана отечественная операционная система «Арамид», она уже установлена на более 200 супер-ЭВМ, работы в этой области также имеют значимое продолжение.
Помимо этого, в Национальном центре физики и математики проводятся исследования с целью создания высокопроизводительных фотонных вычислительных систем на новых физических принципах с получением характеристик производительности сверхмирового уровня.
Вторая задача: создание и внедрение в проектирование сложных технических систем и изделий новых технологий «виртуальных испытаний». Такие испытания проводятся наряду с натурными и экспериментальной отработкой. Это многосоставная задача, включающая не только создание программного обеспечения, баз данных для моделирования, нового поколения вычислительных технологий, но и развитие нормативной базы, систем комплексной валидации и аттестации, подтверждающих требуемое качество созданных технологий.
Наконец, третья задача: создание отечественных специализированных полнофункциональных программных комплексов для суперкомпьютерного моделирования и инженерного анализа, учитывающих специфику той или иной отрасли. Решение всех этих задач носит комплексный характер, требует кооперации различных организаций. С учетом этого работы организуются, как правило, на самом высоком уровне: издан ряд соответствующих постановлений, включая правительственные, постановления Коллегии Военно-промышленной комиссии РФ и внутриотраслевые организационные формы.
Что уже сделано? В основу инструментария для моделирования мы заложили пакет программ «Логос». Напомню, это многофункциональный, полностью отечественный комплекс. Им уже оснащено более 100 предприятий (более 1 тыс. рабочих мест). Возможность использования комплекса — от персональных ЭВМ и рабочих станций до сверхмощных супер-ЭВМ. С помощью «Логоса» можно моделировать процессы в области аэро-, гидро- и газодинамики, теплопереноса, турбулентности и т. д. И это только начало работ. Наша задача — обеспечить отечественным программным продуктом тысячи предприятий и научных организаций.
Помимо дальнейшего развития базовых компонентов «Логоса», на его основе создаются специализированные проблемно-ориентированные версии для разных отраслей. Таких версий уже 11, еще пять находятся в разработке. В этих версиях базовые компоненты в части гидро- и газодинамики дополняются модулями, описывающими процессы, характерные для работы конкретных образцов той или иной отрасли, с учетом их особенностей: кинетики горения и детонации, обледенения, деформации и т. п. При создании специализированных пакетов программ мы стремимся объединить опыт, накопленный в отраслевых научных институтах, в рамках единого продукта, доведенного до нужного уровня верификации и валидации.
Хороший пример — высокоточное моделирование системы пожаротушения по «Логосу» для беспилотного авиационного комплекса. Оно позволило отказаться от стендовой наземной отработки, подтвердив все нужные характеристики. Для системы пожаротушения получено положительное заключение только на базе расчетов.
Теперь коснусь вопросов перспективного развития. Во-первых, необходимо расширять области применения «Логоса»: в ближайшей перспективе (к 2024 году) запланирован переход организаций, входящих в Росатом, на преимущественное использование «Логоса»; в долгосрочной перспективе — использование «Логоса» в таких областях, как космическая индустрия, нефтегазодобыча, медицина и т. д. Уже создана широкая кооперация организаций, научных центров, занимающихся этой проблемой в тесной связи с конструкторскими бюро. Эта работа должна быть расширена.
Второе направление развития — совершенствование вычислительной базы. Здесь работы ведутся также широким фронтом. В современных условиях, когда жестко ограничены возможности зарубежных поставок микропроцессоров и программного обеспечения для ЭВМ, остро стоит задача обеспечения организаций страны вычислительными системами различного класса. Мы имеем неплохие результаты в части супер-ЭВМ среднего класса: созданы машины на базе микропроцессоров «Эльбрус». Эти вычислительные системы ориентированы на математическое моделирование физических процессов, а также на обработку больших объемов данных и использование технологий искусственного интеллекта. Одна из важнейших задач в данной области — обеспечение вычислительных систем полноценным отечественным системным и прикладным ПО. По эффективности вычислений на «Логосе» «Эльбрус» отставал от импортных аналогов примерно в пять раз. За три года нам удалось отставание ликвидировать. В целом ситуация понятна, перспективы видны.
Также необходимо создать современные компоненты для супер-ЭВМ. В состав любой супер-ЭВМ помимо процессора входят системы межпроцессорных обменов, операционная и, наконец, прикладное программное обеспечение. В нашем ядерном центре ведутся работы по созданию всех этих компонентов. Мы уже создали серийные образцы систем коммутации, работы по этому направлению продолжаются. Планируем к 2023−2024 годам выйти на новый коммутатор с пропускной способностью и другими характеристиками мирового уровня. Создана отечественная операционная система «Арамид», она уже установлена на более 200 супер-ЭВМ, работы в этой области также имеют значимое продолжение.
Помимо этого, в Национальном центре физики и математики проводятся исследования с целью создания высокопроизводительных фотонных вычислительных систем на новых физических принципах с получением характеристик производительности сверхмирового уровня.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2022