Поиск - новости науки и техники

Ныряем в плазму! Уникальная технология ускорит создание термоядерного реактора.

На компьютерном мониторе – известная по многочисленным проспектам красочная картинка: переплетение непонятного назначения “железа”, а в центре – две камеры наподобие несколько вытянутых бубликов, скорее “ушей”. Так выглядит в разрезе Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЕР). Напомним, что ИТЕР базируется на концепции токамаков и первая такая установка была построена в России в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова еще в 1956 году.
На экране реактор кажется небольшим. На самом деле его высота  около 20 метров, примерно с семиэтажный дом. Грандиозная эта установка – практически неисчерпаемый и безопасный источник энергии. Неисчерпаемый, поскольку для термоядерной реакции нужны лишь миллиграммы изотопов водорода – дейтерия и трития. При синтезе они дают огромный выброс энергии. Нескольких десятков килограммов дейтерия и трития достаточно, чтобы обеспечить Россию энергией в течение года. Фактически в реакторе при температуре более 100 миллионов градусов происходят те же процессы, что на Солнце. И в то же время реактор-токамак безопасен, поскольку термоядерный взрыв исключен. Это атомные станции дают сотни тысяч тонн радиоактивных отходов, а в термоядерной энергетике такой проблемы нет – она почти “безотходная”. (В результате реакции образуются атомы инертного газа гелия – им наполняют воздушные шары на праздниках).
Но это плюсы. А минусы? Энергия, вырабатываемая токамаком, в первое время будет в несколько раз дороже обычной. Да и когда это может случиться? Ведь идея суперэнергетики родилась примерно в середине ХХ века. Лет 15, как существует международный проект по строительству реактора ИТЕР. И лишь недавно Евросоюз, Россия, Япония, Корея, Китай, Индия и США (в одиночку проект не “потянуть” ни одной стране мира) начали наконец на юге Франции строительство реактора. Пустить его планируется примерно к 2020 году. Стоимость проекта постоянно растет и на сегодня составляет около 15 миллиардов евро. И все же развитой мир идет на расходы, потому что без термоядерной энергетики будущее человечества и нашей планеты на сегодняшний день выглядит несколько проблематично. Потому и исследования, связанные с термоядерной энергетикой, ведутся более чем в 45 странах – членах МАГАТЭ.
Вернемся, однако, к компьютеру. Стоило профессору факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, доктору физико-математических наук Федору Зайцеву “кликнуть” мышкой, как картинка на мониторе ожила. Пришли в движение, стали меняться “мертвые”, казалось бы, детали реактора. Подали признаки жизни и оба “уха” – образовалась плазма, началась термоядерная реакция. Так, буквально на глазах, возникла виртуальная модель действующего токамака. Осталось лишь узнать: с какой целью разрабатывается эта уникальная технология, какие задачи будут решать с ее помощью?
– Для начала представьте пятидесятитомное издание, – объясняет Ф.Зайцев, один из разработчиков виртуального токамака. – Оно содержит ни много ни мало до полутора миллиона строк печатного текста. Так выглядели бы полтора десятка больших прикладных кодов – компьютерных программ, моделирующих работу токамака и содержащих теорию, методы расчетов, управления, параметры. (Они описаны в моей книге “Математическое моделирование эволюции тороидальной плазмы” (www.zone-x.ru). Без преувеличения, разработать этот колоссальный программный продукт не менее сложно, чем сам токамак (создание кода занимает лет семь работы группы высококвалифицированных специалистов). Но вся беда в том, что сделать программное обеспечение, как говорится, “настольной книгой” для исследователей и инженеров, которым предстоит работать на установке, практически невозможно. Пользоваться этим чрезвычайно сложным, громоздким “собранием”, пожалуй, под силу лишь самим разработчикам, а потребность в нем огромная.
Чтобы сделать коды доступными для многочисленных пользователей, мы и задумали виртуальный токамак. Нам не нужно было разрабатывать новые программы. Основу созданной нами “оболочки” составили известные, хорошо апробированные коды участников проекта. Благодаря “оболочке” ученые, разрабатывающие термоядерную установку, получают возможность еще до начала строительства выбрать оптимальные режимы ее работы, рассчитать, понять и отладить основные процессы не на дорогостоящем уникальном оборудовании, а на компьютере. Главное, пользователь избавится от необходимости устанавливать и настраивать сложное  программное обеспечение и сможет работать с виртуальным токамаком посредством стандартного web-браузера.
Математические компьютерные модели позволят, например, выбрать наиболее эффективную систему управления плазмой. Как бы “нырнув” в нее, рассчитать процессы, в ней происходящие. Установить системы контроля за движением потоков частиц, чтобы они не вышли за рамки дозволенного. Или решить: где лучше расположить измерительные детекторы, устройства управления, как оперативно обрабатывать получаемую ими информацию и передавать ее, чтобы эффективно управлять термоядерной установкой? Благодаря пакету наших программ можно будет производить моделирование до 100 различных диагностических систем плазмы. Мало того, что в реальности каждая из них чрезвычайно сложна, так еще и стоит дорого – сотни тысяч евро.
Виртуальный токамак – полномасштабная, детализированная, интерактивная компьютерная модель реального термоядерного реактора. Она позволит  существенно сэкономить средства на проектирование, строительство и отладку установки, планирование и проведение экспериментов. Подробная имитация эксперимента значительно сэкономит дорогое время, которое на действующих крупных токамаках оценивается в 100 тысяч USD в день, а на проектируемом токамаке ИТЕР в 1 миллион USD в день. В создании виртуальной копии токамака помимо факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ участвуют НИИ системных исследований РАН, Курчатовский институт, Институт проблем управления РАН, Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, другие организации.
– Сложно ли работать с  виртуальным токамаком?
– Эта современная информационная интернет-технология содержит тысячи файлов программного обеспечения и данных. Понятно, что все сразу они исследователю не понадобятся. Но чтобы выбрать нужные в данный момент, ему не придется тратить время и силы. К его услугам наша “оболочка” – она и позволит найти искомое. Это может быть код, модель физических процессов, метод расчета, график, картинка, формула, текстовое описание, таблица… В ответ на запрос система выберет данные, которые нужны пользователю, чтобы, скажем, рассчитать характеристики плазмы, способы управления ею. Когда все параметры будут заданы, достаточно нажать кнопку “пуск” – компьютер “произведет” термоядерную реакцию и ученые получат возможность следить за превращениями плазмы, ее эволюцией. И все эти сложнейшие операции осуществить легче простого – щелчком компьютерной мышки в окне web-браузера.
– Есть ли подобные программы на Западе?
– Да, нечто аналогичное разрабатывается и в Европе, и в Америке. Ведь в мире существуют различные  конструкции токамаков (в том числе и в России). Какому из них отдать предпочтение в преддверии начинающегося строительства? Или взять у каждого лучшее и “собрать” оптимальную конструкцию? Чтобы решить эту дилемму, избежать неминуемых ошибок, которые очень дорого бы обошлись мировому сообществу, и в кратчайшие сроки построить термоядерный реактор, и необходим виртуальный токамак. Понимание этого пришло практически одновременно во многих странах.
Сегодня отдельные элементы виртуальной установки есть и у нас, и за рубежом. Ознакомиться с нашими разработками можно на информационно-вычислительном портале leader.ic.msu.su/~fusion. В теоретических вопросах, вычислительных методах и программном обеспечении мы впереди. Но чтобы реализовать проект “Виртуальный токамак”, потребуется еще несколько лет. И я не удивлюсь, если наши иностранные коллеги догонят и перегонят нас. За рубежом на эти исследования выделяют весьма весомые гранты, не сравнимые с отечественными. А наши научные организации в основном предоставлены сами себе и вынуждены изыскивать собственные, весьма скудные средства. Сегодня разработка виртуального токамака поддерживается лишь двумя небольшими грантами РФФИ. Средств явно не хватает, хотя деньги нужны не такие и большие, главным образом на зарплату, чтобы ученые могли сосредоточиться на основной работе.
Объясняется это, на мой взгляд, недопониманием значения этих исследований лицами, принимающими решения. В результате Россия отстает от мировых инновационных технологий управляемого термоядерного синтеза. Пока лишь ученые, некоторые дальновидные политики да журналисты понимают важность термо­ядерной энергетики. Мы в очередной раз привлекли внимание общественности к данной проблеме на V Петербургской встрече лауреатов Нобелевской премии “Наука и социология в XXI веке” (доклад “Виртуальный токамак” – необходимый этап на пути к прорывным технологиям управляемого термоядерного синтеза”), а также на ХII Международном семинаре “Супервычисления и математическое моделирование” (Российский федеральный ядерный центр, г. Саров).
Заметим, что математическим моделированием плазмы Федор Зайцев начал заниматься еще в МГУ, когда студентом-третьекурсником пришел на семинар к профессору (ныне члену-корреспонденту РАН) Дмитрию Павловичу Костомарову. Попытки переключиться на что-нибудь другое (в кризисные 1990-е годы) ни к чему не привели – он упорно возвращался к плазме. За эти годы ему удалось получить значительные результаты, продвинуть вперед теорию, численные методы, разработать целый массив программного обеспечения. Эти работы  известны зарубежным коллегам Ф.Зайцева, с которыми  у него немало общих проектов. Первоклассные совместные исследования выполнены с учеными Великобритании, Италии, Швеции, Германии.
– Уверен, – говорит Федор Сергеевич, – что такое сверхперспективное направление, как термоядерная энергетика, должно вызывать все большую заинтересованность общества и понимание со стороны исполнительной власти. Будь надлежащее финансирование, возможно, ведущие специалисты вернулись бы в Россию, а молодежь бы не уезжала. А пока дело, как это часто у нас бывает, держится на энтузиастах. А ведь наши интернет-технология и методы управления сложными динамическими объектами могли бы найти применение при разработке не только токамаков, но и разнообразных систем моделирования и управления наиболее сложными процессами. Например, при проектировании самолетов, кораблей, лазерном преобразовании наноструктур, управлении первичной переработкой нефти, процессами выращивания монокристаллов и получения биоактивных материалов в сверхкритической среде… Наш проект стимулирует создание петафлопных и экза­флопных суперЭВМ.
На мой взгляд, прорывная интернет-технология “Виртуальный токамак” идеально вписывается в концепцию “Сколково”. Хочется верить, что Россия, имеющая признанные теоретическую и вычислительную школы, станет мировым лидером в имитационном моделировании токамака, других сложнейших устройств.

Юрий Дризе

Нет комментариев