РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Версия для печатиВерсия для печати

В тексте, приведенном ниже, описывается суть и назначение одного из научных направлений кафедры АНИ (работы ведутся совместно с кафедрами АЯ, НДС, а также с ведущими учеными из Российского Национального Ядерного Центра и Института Проблем Управления). Целью текста является привлечение студентов к участию в работе по данному направлению. Следует особо подчеркнуть, что работы по данному направлению не требуют знания физики и являются чисто программистскими (организация вычислений на удаленном сервере, обмен данными через Интернет, графика и прочее).

Назначение проекта.
Под единой программной средой здесь и ниже понимается набор программных средств, позволяющих интегрировать созданные в разные годы и разными коллективами физиков-вычислителей, работающих над проблемой управляемого термоядерного синтеза, большие вычислительные программы (коды) в единую систему. Концепция единой программной среды предполагает сосредоточение исполняемых частей кодов на едином сервере. Имеющиеся программные средства среды позволяют вызывать коды через Интернет, унифицируя при этом потоки входных и выходных данных, что позволяет кодам обмениваться информацией. Программная оболочка среды имеет значительный набор функций для интерпретации результатов счета, включая развитые графические средства.
Данный проект на протяжении ряда лет финансируется Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ), многое уже сделано. С примером вызова численного кода через Интернет можно ознакомиться, зайдя на сайт www.plasma-fusion.ru/equilibrium . Описание текущего состояния дел можно уяснить на сайте www.plasma-fusion.ru. Дальнейшее развитие проекта, по мнению его участников, должно привести к появлению полноценного виртуального аналога прообраза термоядерного реактора (установки токамак).

Современное состояние проблемы управляемого термоядерного синтеза. Современное состояние проблемы УТС лучше всего характеризует фраза «половина пути». С одной стороны, есть успехи, важнейшим из которых является осуществление управляемой термоядерной реакции синтеза с положительным выходом энергии (установка токамак JET, Евросоюз, Великобритания, вторая половина 1990-х годов.) Это, а также ряд других успехов, позволяет надеяться, что со временем человечество обретет практически неисчерпаемый и вдобавок экологически чистый источник энергии, что позволит избежать глобальной антропогенной катастрофы. С другой стороны, проблема УТС является, наверное, самой сложной технической проблемой, с которой столкнулось цивилизация. Работы в области управляемого термоядерного синтеза ведутся во всем мире уже более 60 лет, и только сейчас человечество подошло к важнейшей вехе на этом пути, а именно к созданию физического термоядерного реактора (токамак ITER). В настоящее время на юге Франции, вблизи города Кадараш идет строительство данной установки. Проект ITER является международным, и Россия принимает в нем самое активное участие. Чтобы понять, какое значение придает человечество проблеме УТС, достаточно сказать, что ITER является самым дорогим экспериментальным физическим устройством в мире, включая и адронный коллайдер. Пуск установки ITER, который планируется осуществить в середине 2020-х годов, позволит оптимизировать параметры управляемой термоядерной реакции.
В настоящее время предполагается, что после ITER от термоядерной электростанции нас отделяет два поколения установок. Сейчас уже ведется проработка проектов поколения токамаков, которые вступят в строй вслед за ITER. Речь идет о нейтронных источниках – машинах, которые постоянно будут работать в термоядерных режимах, и будут обладать значительно большим, чем ITER, эксплуатационным ресурсом. Первым примером подобных установок может служить токамак CTF, первая версия которого была разработана в Англии в конце 2000-х годов. Вторым примером является установка DEMO TIN, проработка проекта которой ведется в настоящее время в России. Эксперименты на нейтронных источниках позволят решить проблемы материалов для будущих термоядерных электростанций. Помимо крупных машин, в рамках национальных программ УТС будут строиться также и малые, назначение которых обычно состоит в поддержке более крупных установок, попутно решаются также проблемы подготовки научных кадров. В качестве примера приведем установку Т-15, которая строится в России и должна быть запущена в 2019 году. Наконец, страны с мощной экономикой могут позволить себе в рамках национальных программ строить крупные установки (токамак EAST, Китай).
Экспериментальный материал, полученный в ходе работ на токамаках ITER, нейтронных источниках и установках поддержки, даст обоснование проекту демонстрационного реактора DEMO следующего поколения, который, как представляется сейчас, будет последним этапом на пути к термоядерным электростанциям. Однако временной счет вступления в строй каждого нового поколения установок идет не менее чем на десятилетия. Дело в том, что, по мере продвижения к реактору, физико-технические требования к конструкции каждой из установок только нарастают. Поэтому, несмотря на огромные успехи в физике, технике, инженерии, проектирование подобных машин остается сверхсложной задачей. В этой ситуации неоценимую помощь оказывает применение методов математического моделирования.

Основные задачи проекта создания единой программной среды. Проект разрабатывается в рамках проблемы управляемого термоядерного синтеза. В настоящее началось строительство токамаков нового поколения (международный проект ITER, российский проект Т-15, и другие), пуск которых позволит решить задачу создания физического термоядерного реактора. Жесткие временные сроки пуска новых установок делают чрезвычайно важным создание эффективного программного обеспечения, позволяющего моделировать все основные процессы, протекающие как в плазме, так и в самих установках (магнитное удержание, эволюция плазмы, расчет ее температуры и плотности, расчет потоков нейтронов, тепловое и механическое воздействие на элементы конструкции, и другое). Для России, в которой новые установки типа токамак не вводились в строй уже более 20 лет, наличие подобного программного обеспечения, позволяющего детально моделировать весь сценарий разряда в целом, особенно актуально. Следует отметить, что такое программное обеспечение в значительной степени уже создано, однако имеющийся набор кодов (больших вычислительных программ) недостаточно полно описывает все детали процессов, протекающих в установках токамак, и потому нуждается в пополнении. Не менее важной является проблема интеграции имеющихся программных модулей в единую среду. Причины этому следующие. Прежде всего, создание «единого численного кода» невозможно по той причине, что характерные времена процессов, протекающих в плазме, различаются более чем на 10 порядков (от миллионных долей секунд при развитии неустойчивости плазмы до нескольких часов работы проектируемого физического реактора ITER). Никаким современным вычислительным средствам (а также тем, что появятся в обозримом будущем) не хватит ресурсов, чтобы провести детальные расчеты по единой модели. Далее, создание даже одного специализированного численного кода требует нескольких лет тяжелого труда квалифицированных специалистов, и тем самым, создание одной научной группой (и даже одной организацией) полного набора численных кодов невозможно. Поэтому приходится иметь дело с кодами, созданными в разное время различными научными коллективами, и, тем самым, создание единой программной среды, позволяющей взглянуть на процесс в целом, чрезвычайно актуально.

Авторский коллектив обладает значительными достижениями в данной области. К основным наработкам следует отнести созданную участниками заявки библиотеку стандартных программ «ВИРТУАЛЬНЫЙ ТОКАМАК», предназначенную для моделирования процессов в плазме, серию статей по описанию основных модулей этой библиотеки, а также ряд прикладных работ, выполненных с ее помощью. Члены коллектива принимали самое активное участие в разработке проектов ITER и Т-15. В 2012 году В.Э. Лукаш, Д.Ю. Сычугов и Р.Р. Хайрутдинов получили премию им. академика А.П. Александрова за оптимизацию конструкции установки Т-15, причем сама оптимизация была выполнена с помощью расчетов по кодам, являющихся модулями библиотеки программ "Виртуальный Токамак".