CC BY
36
ИНТЕРВЬЮ
С ДОКТОРОМ ФИЗ.-МАТ. НАУК, ПРОФЕССОРОМ, АКАДЕМИКОМ РАЕН ДНЕСТРОВСКИМ ЮРИЕМ НИКОЛАЕВИЧЕМ1
К семидесятилетию профессора А.М. Попова
Юрий Николаевич Днестровский2 - ученый, который стоял у истоков становления задач математического моделирования горячей плазмы, результаты решения которых являются общепризнанными и используются на всех крупных термоядерных установках. Юрий Николаевич расскажет об истории становления российской научной школы магнитного термоядерного синтеза и появлении научной школы профессора Попова А.М., важнейшим результатом работы которого стало создание численного МГД кода для моделирования нелинейной трехмерной эволюции плазмы в реальной тороидальной геометрии, а также формирование нового для России направления - вычислительных нанотехнологий.
Расскажите, пожалуйста, о становлении российской научной школы магнитного термоядерного синтеза.
Я в 1950-70 годы преподавал в МГУ им. М.В. Ломоносова на Физическом факультете, читал лекции по математике на 1 курсе, включающие математический анализ, линейную алгебру, аналитическую геометрию, и параллельно вел семинары в одной из групп. В 1964 г. у меня была группа, в которой учился Саша Попов3 и он тогда уже отличался активностью на занятиях. С ним рядом за одной партой сидел Андрей Кукушкин, они до сих пор поддерживают дружбу со студенческой скамьи.
Александр Михайлович Попов пришел ко мне на 3 курсе в 1967 году для подготовки и выполнения дипломной работы. Мы в тот период разрабатывали много научных направлений. Александр Михайлович выбрал магнитно-гидродинамическое описание плазмы. И в этом направлении начал работать.
1 Интервью было проведено Ястребевой Е.В., канд. физ.-мат. наук, главным редактором журнала «Сотр^айопа! папсЛесИпо1о§у», Издательский дом «Юр-ВАК».
2 Днестровский Юрий Николаевич - доктор физ.-мат. наук, профессор, академик РАЕН, ведущий научный сотрудник Национального Исследовательского центра «Курчатовский институт» (Институт ядерного синтеза), лауреат Государственной премии СССР (1981), лауреат Ломоносовской премии МГУ !-ой степени (1976), лауреат Курчатовской премии РНЦ «Курчатовский институт» (2001).
3 Попов Александр Михайлович - доктор физ.-мат. наук, Заслуженный профессор, профессор МГУ им. М.В. Ломоносова, действительный член РАЕН по отделению «Прикладная математика и управление», член Американского Физического общества, Лауреат Ломоносовской премии первой степени.
Научными работами А.М. Попова под руководством профессоров Ю.Н. Днестровского и Д.П. Костомарова были, в частности:
1. А.Ф. Данилов, Ю.Н. Днестровский, Д.П. Костомаров, А.М. Попов, Нелинейные винтовые волны в плазме с учетом конечной проводимости, Физика плазмы, 1976, т. 2, вып. 1, с. 167.
2. А.Ф. Данилов, Ю.Н. Днестровский, Д.П. Костомаров, А.М. Попов, Трехмерный код для изучения МГД - движения плазмы в токамаке, Труды 8-й Европейской Конференции по УТС и физике плазмы, Прага, 1977.
3. Ю.Н. Днестровский, Д.П. Костомаров, А.М. Попов, Динамика магнитных островов при немонотонном профиле тока в токамаке, Физика плазмы, 1979, т. 5, вып. 3, с. 519.
Отметим, что в 60-х годах XX века очень успешно развивались советские научные исследования по управляемому термоядерному синтезу, особенно в Институте Атомной Энергии (ИАЭ). В 1968 году состоялась Третья Международная конференция в Новосибирске по физике плазмы и управляемому ядерному синтезу4. Руководителем наших научных исследований был академик Л. А. Арцимович5. В тот период и я, и Дмитрий Павлович Костомаров6 работали в МГУ под руководством Льва Андреевича. После конференции в Новосибирске академик Арцимович Л.А. договорился, что будет организован «международный контроль» над нашей установкой Токамак-37, которая работала в тот момент в ИАЭ (ныне НИЦ Курчатовский институт). В 1968 году приехала делегация ученых из Великобритании в составе 4-5 человек. Они привезли свою лазерную диагностическую
4 Первая Международная конференция по физике плазмы и управляемому ядерному синтезу состоялась в 1962 г. в г. Зальцбурге (Австрия), вторая в 1965 г. в Калэме (Англия)).
5 Арцимович Лев Андреевич - советский физик, академик АН СССР (1953), Герой Социалистического Труда (1969). Труды по атомной и ядерной физике. Под руководством Арцимовича впервые в СССР разработан электромагнитный метод разделения изотопов. Л. А. Арцимович был непосредственным участником советского атомного проекта.[1] С 1951 бессменный руководитель исследований по физике высокотемпературной плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. Под руководством Арцимовича впервые в мире в лабораторных условиях осуществлена термоядерная реакция. Сталинская премия 1-й степени (1953). Ленинская премия (1958). Государственная премия СССР (1971).
6 Костомаров Дмитрий Павлович — советский и российский учёный в области математики и педагог высшей школы, академик РАН, декан факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (1990-1999).
7 Первый токамак был построен в 1954 году, и долгое время токамаки существовали только в СССР.
аппаратуру для измерения температуры электронов. В Советском Союзе на тот момент такой высокоточной аппаратуры для локальных измерений не было, мы обходились усредненными по пространству показателями.
На Новосибирской конференции советские специалисты докладывали, что температура электронов в тока-маке составляет 800 эВ. Но никто в мире не верил нашим заявлениям. А в результате измерений английскими специалистами было получено даже 1000 эВ. Так что после такого «международного контроля» установилось полное доверие к разработкам советских ученых, а академик Л.А. Арцимович получил широкое международное признание. Он ездил с докладами во многие страны, в результате чего наши токамаки стали очень привлекательны. Они стали строится в других лабораториях и притянули в свою орбиту много талантливых студентов и молодых ученых у нас и за рубежом.
Кроме Саши Попова у меня было много еще отличных студентов - дипломников: Гриша Переверзев, Андрей Кукушкин, Саша Смирнов, Валерий Стрижов, Саша Мельников, Дима Сычугов и группа более молодых людей. Из этой компании в Университете остались Саша Попов, который продолжил многие годы работать в области магнитной гидродинамики, Саша Смирнов, работающий до сих пор в области распространения волн в плазме и Дмитрий Сычугов, который занимается равновесием плазмы. Андрей Кукушкин и Саша Мельников работают у нас в Курчатовке, Валерий Стрижов перешел в ядерную энергетику, работает по безопасности АЭС.
В 1974 году я ушел из МГУ и поступил в Курчатовский институт. Но у нас долгие годы продолжался научный семинар по термоядерному синтезу уже на факультете ВМК МГУ, куда перешел Д.П. Костомаров. На этом семинаре рассматривались вопросы энергобаланса и баланса частиц в горячей плазме, магнитно-гидродинамическое описание различных процессов, отличающихся свойствами неустойчивости. Одним из руководителей семинара был Д.П. Костомаров, который впоследствии стал деканом факультета ВМК. Мы собирались на семинар в его кабинете, где докладывались научные работы. Участниками семинара были Александр Михайлович Попов, А.П. Смирнов. Д.Ю. Сычугов, А.В Мельников и многие другие сотрудники факультета ВМК.
В 50-60-е годы минувшего века многие ученые физики высказывали оптимистические прогнозы на быстрое решение задачи управляемого термоядерного синтеза (УТС). Такие выводы в некотором роде были подкреплены достаточно быстрым созданием водородной бомбы. Однако, большие трудности по созданию термоядерного реактора тогда еще не просматривались.
По ходу развития тематики управляемого термоядерного синтеза возникло достаточно много научных центров; так появился Новосибирский центр, где активно велись работы по термоядерному синтезу8, параллель-
но сформировалась Ленинградская научная школа, также работающая по тематике УТС. Аналогичные центры открылись в г. Харькове, г. Сухуми, которые раньше входили в единый Советский Союз. Проводились активно научные конференции, где ученые из образовавшихся научных центров, обсуждали достигнутые результаты, делились научными идеями.
У меня на столе стоит фотография молодых ученых, принимавших участие в конференции в г. Сухуми в 1985 г., проводившейся на базе Сухумского физико-технического института.
Новосибирский Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера (ИЯФ). 10
Среди этих молодых (тогда 40-летних) талантливых ученых в первом ряду сидят (справа налево) Валерий Стрижов, Леонид Захаров (ученик академика Шафрано-ва), Саша Попов. Многие из них стали известными учеными, некоторые разъехались по разным странам, но есть и те, которые продолжили свою научную карьеру здесь и успешно работают в России.
Александр Михайлович Попов занимался вопросами МГД описания плазмы, а по мере бурного развития вычислительных технологий в 70-е годы, он увлекся задачами численного описания процессов в плазме. Так появился интерес к созданию численного МГД кода для моделирования нелинейной трехмерной эволюции плазмы в реальной тороидальной геометрии. Над созданием и развитием этого кода Александр Михайлович работал порядка 20 лет, а созданный им код является одним из лидирующих в мире и получил широкое международное признание. В этой связи А.М. Попов успешно защитил докторскую диссертацию по теме «Математическое моделирование МГД процессов в токамаках».
Однако, с приходом нового времени, с середины 90-х годов, вектор научных интересов пришлось корректировать с учетом востребованности научных разработок для заключения контрактов и получения финансирования научных исследований. В этот период времени Александр Михайлович частично отходит от задач трехмерной эволюции плазмы и начинает активно развивать новые задачи по информационным технологиям на основе нейросетей и генетических алгоритмов для анализа данных, формирует направление вычислительных нанотехнологий. Работая над этой темой, Александр Михайлович читает спец. курс на факультете ВМК и издает учебное пособие «Вычислительные нанотехноло-гии». После ухода проф. Д.П. Костомарова Александр
Михайлович становится заведующим кафедрой Автоматизации научных исследований факультета ВМК МГУ, избирается действительным членом РАЕН по отделению «Прикладная математика и управление» (2004), членом Американского Физического общества (1996), членом диссертационного Совета факультета ВМК МГУ.
Какие сейчас новые задачи управляемого термоядерного синтеза Вы рассматриваете?
Задача получения управляемого термоядерного синтеза, а конкретно строительство работающего реактора, по мере накопления экспериментального материала оказалась не такой простой, как представлялось изначально, и стало понятно, что быстрого решения проблема УТС не имеет в силу сложности технических проблем. И связано это в первую очередь с тем, что строительство малых установок не позволяет решить глобальную задачу создания термоядерного реактора. Размеры установки являются существенным параметром, позволяющим обеспечить, как нужный уровень температур, так и достаточное удержание плазмы. За прошедшие полвека для решения задачи были задействованы большие научные силы. В результате те установки, которые появились сначала у нас в Советском Союзе, затем распространились на развитые страны, такие как США, Франция, Англия, затем подключилась Япония в 70-е годы. Примерно с 75-го года началась эпоха строительства установок Токамак нового поколения. Так в семидеся-тые-восьмидесятые годы были построены токамаки: Т-7, Т-10, Т-15 в СССР, PLT, TFTR и DIII-D в США, JET в Англии, ASDEX в Германии, TORE-SUPRA во Франции, JT-60 в Японии и др. Эти токамаки были построены к середине восьмидесятых годов.
Курчатовский институт был ограничен по энергетике, поэтому новая большая установка Т-15 должна была быть построена со сверхпроводящими обмотками. Возможность этого была подтверждена строительством первого в мире токамака с криогенной магнитной системой Т-7 (1976 г.) на основе сверхпроводника ниобий-титан. Дальнейшее развитие технологий создания обмоток со сверхпроводником ниобий - олово стала безусловным достижением советской науки и техники. Однако, разработка новых технологий потребовала много времени и установка смогла начать работу лишь к концу 80-х.
Скажем так, запуск больших установок за рубежом пришелся на 83-87 годы ХХ века, а у нас старт состоялся лишь в 1989г. Но это небольшое, в общем, запаздывание стало критическим. Известно, что случилось у нас в стране в 1991 году. Установка была построена в социалистическом обществе, она была рассчитана на дешевое электричество, на дешевый жидкий водород и гелий, а когда СССР развалился, то все цены повысились в несметное количество раз. Поэтому встал вопрос: как можно поддерживать установку Токамак-15? В результате денег не хватило, и после 5-летней компании по наладке и работы в омическом режиме установка Т-15
была законсервирована и стояла 20 с лишним лет. Только в 2015г. ее решили разобрать и на ее месте построить новую, но теплую установку. Предполагается запустить ее в 2018-2019 годах.
В середине 90-х годов токамаки пришли на Восток сразу в Китай, Южную Корею и Индию. Сейчас в этих странах уже есть работающие сверхпроводящие установки. Японцы тоже на базе своей предыдущей установки JT-60 строят большую сверхпроводящую систему. Вследствие чего растет количество хорошо подготовленных научных кадров для работы на подобных установках. Помимо этого появляется много небольших почти университетских установок. Например, в Бразилии в г. Сан-Паулу есть небольшой научный центр по термоядерному синтезу. Имеется подобный центр и в Чехии.
Примечательным является тот факт, что примерно в 93-94 году прошлого столетия Курчатовским институтом была практически подарена первая в мире небольшая сверхпроводящая установка Т-7 китайским коллегам, (т.к. денег на ее эксплуатацию не было) в обмен на партию пуховых телогреек, как тогда их называли «пуховики». Это был тот товар, который в тот период времени с избытком производился в Китае. У меня до сих пор хранится на даче, как память, эта пуховая телогрейка. А сейчас ученые из Китая стали равноправными членами международного ученого сообщества9.
Тем временем, международное сотрудничество в области УТС развивалось. С 1988 года запущен проект создания международного экспериментального термоядерного реактора ITER. Стадия проекта длилась 14 лет с драматическими событиями. США в 1988 году выходили из проекта, и лишь твердая позиция России позволила его продолжить.
В конце концов, решено было строить реактор в Южной Франции возле исследовательского центра Кадараш (фр. Cadarache) в 100 км от Марселя. В 2006 г. было подписано международное соглашение между участниками консорциума о начале практической реализации проекта в 2007 году. Первоначально оцениваемое время строительства в 10 лет оказалось несостоятельным, и сейчас ясно, что пуск установки в водородном режиме состоится не ранее 2025 года, а тритий в установку будет запущен лишь к 2030 году.
На этой волне обновленной популярности тематики УТС в Курчатовский институт лет 5-7 назад начала приходить молодежь. А поскольку есть хотя и старая, но работающая, установка Т-10, вокруг нее стали собираться молодые ученые в возрасте 25-30 лет. Главным отличительным критерием молодых ученых 60-х годов прошлого века был тот факт, что они пальцем писали формулы на стенках при обсуждениях. Вот и сейчас тоже можно увидеть группы молодых ученых, стоящих в ко-
9 В настоящее время в Китае успешно проведены испытания термоядерного реактора, экспериментального сверхпроводящего токамака EAST. В 2030 г. в Китае будет построен CFETR, который по некоторым оценкам превзойдет ITER.
ридорах Курчатовского института и пишущих пальцем формулы на стенках.
Уже в конце 90-х годов прошлого века американцы начали закрывать от российских ученых свои открытые научные работы по управляемому термоядерному синтезу, введя ограничения на въезд и работу российских ученых на установках УТС.
В начале 90-х мы выделялись от американцев тем, что у нас были очень качественные генераторы СВЧ волн, которые производились в Нижнем Новгороде в Институте прикладной физики. Этот прибор называется Гиро-трон10. Гиротроны активно эксплуатируются в ведущих центрах УТС: в Сан-Диего (США), в Мюнхене (Германия). Еще Гиротроны производятся в Японии, но российские Гиротроны до сих пор продолжают лидировать на международном рынке. В настоящее время заказ по производству Гиротронов для ITER, а это порядка 30 генераторов, выполняется примерно 50 на 50% между Россией и Японией.
По условиям участия российской стороны в международном проекте ITER, ежегодно в бюджете России выделяется порядка 6 млрд руб. на строительство ITER. При этом часть денег направляется международному агентству проекта ИТЭР, а большая часть поставляется в виде материального вклада научного высокотехнологичного оборудования, а также основных систем реактора, производимых в России, что составляет 10% от стоимости сооружения реактора по техническому проекту. Подобные производства есть в Москве, Санкт-Петербурге и других городах. В частности, в Курчатовском институте разрабатывается диагностическое оборудование для ITER, которое должно работать в течение более 10-ти лет в огромных потоках нейтронов. Эта работа позволяет финансово поддержать наших ученых.
Какие новые задачи вычислительных экспериментов ставятся в настоящее время?
В Курчатовском институте создается большая вычислительная система по первичному приему и обработке информации для новой установки Токамак-15мд, предполагающей обработку физических данных в режиме реального времени. А.М. Попов работает в настоящее время в области задач устойчивости физики плазмы, которые следуют из полученных измерительных данных. В этой области мы продолжаем совместную работу. В свою очередь для обработки больших трехмерных задач с огромным потоком данных требуется многопроцессорные вычислительные машины. В МГУ для этих целей используется суперкомпьютер «Ломоносов»11 для решения многомерных задач вычислительных
10 Гиротрон был изобретён в Советском Союзе в НИРФИ в г. Горьком.
11 Суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в Московском университете в 2009 году, относится к уникальным системам высшего диапазона производительности и занимает 13-ое место в списке Тор500 самых мощных компьютеров мира. В настоящее время он содержит 6654 вычислительных узла, более 94000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлоп/с. Реальная производительность системы на тесте Упраск равна 674 Тфлоп/с.
нанотехнологий. Ученики Александра Михайловича успешно работают над этими задачами.
Возможно ли участие частного бизнеса в данной области?
Вовлеченность частного бизнеса в масштабные долгосрочные проекты напрямую зависит от общества. У нас пока нет активного вовлечения инвесторов в проекты УТС в силу отсутствия правильного рыночного механизма регулирования научно-технического менеджмента.
Приведу пример успешного включения частного бизнеса в работы по УТС. В Англии живет и работает мой коллега, питерский ученый Михаил Грязневич, специализирующийся в области физики плазмы. Он уехал в Англию в начале 90-х годов прошлого века, и долгое время работал в Национальной Лаборатории по термоядерному синтезу в Калэме. Затем он организовал собственную фирму, нашел инвесторов и строит маленькие токамаки. Конечно, они небольшие, но вполне востребованы на рынке. У него работают ученые с огромным опытом работы в возрасте 60-70 лет, и удачно развивается частный бизнес-проект. Но все-таки масштабные научные исследования должны финансироваться государством, как, например, это происходит в США в частной фирме General Atomics, где на государственные деньги работает установка DIII-D.
Были ли какие-либо курьезные случаи в такой серьезнейшей области как управляемый термоядерный синтез?
Однажды американские представители одной крупной компании обратились к Александру Литваку директору Института прикладной физики в Нижнем Новгороде, чтобы купить Гиротрон с техническим описанием. У них стояла задача наладить собственное производство Гиротронов. А поскольку это случилось в начале 2000-х годов, финансирование у наших научных организаций было незначительным, новгородские ученые согласились и отправили американцам техническое описание вместе с Гиротроном. Проходит полгода, от американской стороны приходит ответ, что они передумали покупать Гиротрон. В результате они вернули и Гиротрон, и описание.
Безусловно, последовал вопрос, почему же новгородцы допустили такую коммерческую ошибку. На что они ответили, что, конечно, есть проект и есть описание. Но в нем не указываются тонкости наладки, так называемых, «главных мест» в приборе, которые достигаются ручной наладкой опытных старых инженеров-мастеров. Поэтому и не получилось у американцев сделать копию новгородского Гиротрона. В результате они закупили наши надежно работающие Гиротроны, а также еще и японские.
Большое спасибо, Юрий Николаевич, за подробный и интересный рассказ.
