Дорогие абитуриенты!

В этом году вам предстоит сделать серьезный ответственный шаг в будущее, а ваше будущее это выбор той области современной физики, в которой вам предстоит проводить исследования. Ваш дальнейших успех будет зависеть от выбора вами института, факультета, базовой кафедры. Коллектив нашей базовой кафедры готов помочь вам сделать этот шаг и, мы уверены, ваш выбор не будет ошибочным.

Главная цель базовой кафедры «Моделирования ядерных процессов и технологий» состоит в подготовке физиков-исследователей новой генерации, владеющих современными методами суперкомпьютерного моделирования в фундаментальной и прикладной квантовой физике.

Перечислим основные направления исследований и подготовки студентов и аспирантов.

• Физика неравновесных газокинетических процессов в макро и микроструктурах.
• Физическая кинетика. Уравнение Больцмана.
• Суперкомпьютерное моделирование физических процессов.
• Вычислительные методы и алгоритмы решения уравнений математической физики на суперкомпьютерных системах.
• Физика переноса проникающих ядерных излучений в сложных средах и композициях.
• Экспериментальное и компьютерное бенчмарк-моделирование переноса ядерных излучений.
• Теория ядерных реакций (многоканальная теория, резонансные реакции) в приложении к физике переноса излучений.
• Фундаментальные физические проблемы гибридных ядерных энерготехнологий на основе синтеза и деления.

Сотрудники базовой кафедры Моделирования ядерных процессов и технологий НИЦ «Курчатовский институт»

ИСТОРИЯ

Краткая история НИЦ «Курчатовский институт»

Лаборатория № 2 АН СССР – ЛАН-2, ныне Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (НИЦ «КИ»), была основана в начале 1943 г. для решения важнейшей государственной задачи – создания урановой бомбы. Главой проблемы и руководителем Лаборатории был назначен профессор–ядерщик Ленинградского физико–технического института Игорь Васильевич Курчатов. Так родился крупнейший Научный Центр, ставший у истоков атомной промышленности страны. С первых дней, в обстановке Великой отечественной войны, И.В. Курчатов смог привлечь к решению поставленной задачи талантливых и наиболее готовых по своей предвоенной деятельности ученых: Я.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, Г.Н. Флёрова, И.К. Кикоина, Л.А. Арцимовича, А.И. Алиханова и др. Им предстояло конкурировать с лучшими физиками мира, собранными в США для решения аналогичной проблемы и уже около трех лет активно работающими над ней. Напряжённая и самоотверженная работа наших ученых и возглавляемых ими коллективов, всесторонняя правительственная поддержка, мобилизация необходимых ресурсов страны позволили в кратчайшие сроки решить поставленную задачу: декабрь 1946 – пуск в ЛАН-2 первого на нашем континенте ядерного реактора Ф-1, 1947 – 1949 гг. – создание на Урале первых предприятий атомной промышленности, август 1949г. и август 1953г. успешные испытания первых образцов ядерного и термоядерного оружия.

И.В. Курчатов использовал сложившуюся благоприятную обстановку подъема для развития фундаментальных физических исследований по широкому спектру направлений, так или иначе связанных с ядерной тематикой. В эти же годы возглавляемый им коллектив активно включился в подготовку научных кадров новых физических специальностей. Одним из основных учебных институтов становится МФТИ, основанный в 1946 году, с его уникальной базовой системой подготовки студентов, первые выпускники которого 1952–1953гг. по физическим специальностям практически полностью остались в Лаборатории №2. Одновременно с успешным завершением работ по созданию первых образцов ядерного оружия, по инициативе И.В. Курчатова в Институте Атомной Энергии АН СССР (переименованная ЛАН–2), начались интенсивные поиски различных областей практического использования ядерной энергии. В число первых попали исследования по разработке компактных источников энергии для транспортных систем с ядерно-энергетической установкой на борту сначала для нужд флота, затем для летательных аппаратов атмосферного и космического базирования, а также другие проблемы использования ядерных технологий в мирных целях.

Решение этих задач требовало значительно более глубокого по сравнению с существующим уровнем развития широкого спектра фундаментальных физических дисциплин, создание современной экспериментальной базы и организации теоретических исследований, отвечающих мировым стандартам.

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт») сегодня – один из ведущих научных центров мира, междисциплинарная национальная лаборатория, на базе которой проводятся научные исследования в самых разных областях современной физики.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Необходимость дальнейшего развития фундаментальных физических исследований в области ядерных технологий и их приложений, диктуется поворотным моментом, обусловленным рядом принципиальных причин.

Физические процессы, протекающие в современных ядерных системах различного типа, отличаются большим разнообразием, сложными многопараметрическими зависимостями и взаимной корреляцией. Для полномасштабного и адекватного описания работы подобного типа установок необходимо глубокое знание многих фундаментальных разделов современной физики. Современное положение дел в рассматриваемой области характеризуется ещё и тем, что перед учеными остро стоит задача не столько научного сопровождения и совершенствования существующих ядерно-технологических систем, а, что сложнее и актуальнее, поиска принципиальных решений для создания новых установок, реализующих ядерные технологии в различных сферах человеческой деятельности на уровне требований следующего столетия особенно в вопросах эффективности и надежности.

Очевидно, что необходимость пересмотра многих прежних подходов в ядерных технологиях, сохранение позитива наработанных методологий и, главное, разработка и внедрение новых методов требует углубленной базовой подготовки студентов, аспирантов и молодых специалистов по многим направлениям теоретической и экспериментальной физики, прикладной математики и информационных технологий.

Необходимо отметить также общую современную тенденцию изменения в постановке и содержании прикладных ядерных исследований, которая сводится к интенсивному внедрению методов суперкомпьютерного и экспериментального моделирования вместо рутинных расчетов и экспериментов, включая и натурные. В связи с этим требуется создание новых, более точных, общих и проблемно-ориентированных фундаментальных физических моделей тех микро и макроскопических процессов и явлений, которые составят основу будущих ядерных технологий и установок.

Более того, должное продвижение фундаментальных физических исследований, объединенных с компьютерными науками, создание полномасштабных суперкомпьютерных моделей процессов, оптимальных вычислительных методов и алгоритмов, применение суперкомпьютерных систем позволяют значительно сократить не только время и стоимость разработки новых изделий и технологий, осуществлять быстрое внедрение в промышленность, но глубже и точнее понять фундаментальные проблемы современной квантовой физики.

КОНТАКТЫ

web-site кафедры http://www.mnpt.lokip.ru

e-mail: kl@lokip.ru

Phone: +7 910 476 2723

Клосс Юрий Юрьевич

Доктор физико-математических наук

Заведующий базовой кафедрой Моделирования ядерных процессов и технологий

Начальник отдела моделирования физических процессов и прикладных технологий НИЦ КИ

Ключевые направления подготовки студентов и научно-исследовательская работа базовой кафедры

Суперкомпьютерное моделирование в фундаментальной и прикладной квантовой физике.

Суперкомпьютерное моделирование фундаментальных и прикладных задач квантовой физики крайне актуальное направление современных научных исследований, находящихся на стыке современных областей математической и теоретической физики, прикладной математики и компьютерных наук. Решение подобного класса проблем возможно лишь при разработке надежных и эффективных проблемно-моделирующих сред (Problem Solving Environments) для проведения полномасштабного вычислительного эксперимента в реальном времени в области фундаментальной и прикладной физики. Кратко это направление включает разработку масштабируемых вычислительных алгоритмов для эффективного использования суперкомпьютерных систем различных архитектур, построение вычислительных солверов для численного решения уравнений математической физики, современных систем интерактивного ввода и вывода результатов моделирования, интеграцию методов машинного обучения и искусственного интеллекта и высокоточных бенчмарк-экспериментов для верификации компьютерных моделей физических процессов и технических устройств. В ряде прикладных областей экспериментальные результаты либо отсутствуют, либо являются неполными, что не позволяет сделать выводы о тех или физических характеристиках исследуемых явлений. В таких областях проблемно-моделирующие среды являются единственным инструментом, позволяющим проводить исследования широкого круга устройств и физических процессов методами вычислительного эксперимента с необходимой точностью.

Разработка проблемно-моделирующих сред в различных прикладных областях знаний широко проводится в ведущих лабораториях США (LANL, LLNL, LBNL, BNL, Sandia и др.) и университетах США (UC Berkeley, MIT, CALTECH и др.). Отметим, что именно методы суперкомпьютерного моделирования являются магистральным направлением ведущих научных лабораторий, университетов и коммерческих компаний по всему миру.

Исходя из этой ситуации крайне актуальны и своевременны исследования, которые находятся на стыке фундаментальной и прикладной физики, методов суперкомпьютерного моделирования для полномасштабного вычислительного эксперимента физических задач на качественно новом уровне.

Газокинетическая теория.

Фундаментальные и прикладных проблемы газовой кинетики. Суперкомпьютерные системы в задачах моделирования и анализа газокинетических процессов в макро и микроструктурах. Физическая кинетика. Уравнение Больцмана.

Исследования неравновесных газокинетических процессов тепломассопереноса в сложных микроструктурах, микроэлектроника (GAS in MEMS), каскадные вакуумные микронасосы, микро- и наномембраны, аэрогели, молекулярные сита, трековые мембраны (ядерные фильтры), способные разделять смеси разных молекул и изотопов, турбомолекулярные механические насосы, микродвигатели и микроманипуляторы. Анализ газокинетических процессов в современных ядерно-энергетических системах нового поколения, создание полномасштабных компьютерных моделей. Динамика поведения радионуклидов в термоэмиссионных преобразователях космических ядерных энергетических системах. Развитие перспективных технологий очистки газовых смесей от примесей различного типа на основе новых композитных материалов, разделение газовых смесей с химическими и радиоактивными примесями. Поведение аэрозолей в газовых средах. В основе этого направления лежит кинетическое уравнение Больцмана, которое описывает сложные физические процессы, протекающие в различных системах. Высокая размерность задачи является главной трудностью решения уравнения Больцмана и требует больших вычислительных ресурсов. Другой трудностью является необходимость вычислять в каждом узле фазового пространства 5-кратный нелинейный интеграл столкновений, описывающий взаимные столкновения молекул газа. Указанные трудности потребовали разработки специальных численных методов решения уравнения Больцмана и применения методов компьютерной оптимизации вычислительных алгоритмов, включающих организацию параллельных вычислений, применение суперкомпьютерных систем.

Разработать физические и математические методы, создать компьютерные программы и провести моделирование и анализ таких процессов в макро- и микроструктурах главная цель данного направления исследований и подготовки студентов.

Физическая кинетика переноса излучений.

Физика переноса проникающих ядерных излучений в сложных средах и композициях. Экспериментальное бенчмарк-моделирование переноса ядерных излучений. Теория ядерных реакций (многоканальная теория, резонансные реакции) в физике переноса излучений.

Экспериментальное и компьютерное моделирование фундаментальных физических процессов переноса ядерного излучения различного типа в сложных средах и композициях. Прикладные проблемы радиационной физики и защиты. Макроскопические, модельные эксперименты типа benchmark. Исследования проводятся на установке ОР-М НИЦ КИ (см. раздел установка ОР-М), включенной в перечень уникальных экспериментальных установок России. В настоящее время установка оснащена современными цифровыми измерительными системами, интегрированными с вычислительными комплексами, что позволяет создать комбинированный подход экспериментального и компьютерного моделирования физических процессов. Развитие методологии базовых макроскопических экспериментов класса benchmark. Эксперименты класса benchmark в области физики переноса «нейтронного» и «фотонного» пучков с широким поперечником и с варьируемым компонентным n/ɣ соотношением, а также вторичного излучения, в образцах защитных, реакторных, конструкционных и композиционных материалов, изготовленных с применением новейших технологий, для решения проблем противорадиационной защиты.

Компьютерное моделирование и анализ физических проблем переноса ядерных излучений в средах, макроскопических benchmark экспериментов переноса ядерных излучений (первичного и вторичного) через вещество в средах, материалах и геометрии различной размерности. Моделирование прикладных задач радиационной физики и противорадиационной защиты, создание сложных радиационных портретов объектов и систем. Прикладные проблемы теории ядерных реакций и систем ядерных данных.

Эти два направления – экспериментальное и компьютерное, дают уникальную возможность создать комбинированные методы исследования сложных физических процессов.

Ядерные технологии.

Фундаментальные физические проблемы гибридных ядерных энерготехнологий на основе синтеза и деления.

В стратегической перспективе технологии в области использования энергии ядра будут эволюционировать в направлении развития ядерной энергетической системы с реакторами синтеза и деления. В этой системе задача производства искусственного топлива решается гибридными термоядерными реакторами, в бланкете которых нарабатывается уран-233 из ториевого сырья.

Задача производства энергии решается реакторами деления, которые потребляют искусственное топливо, наработанное в гибридных термоядерных реакторах, производят энергию требуемого качества (электричество или тепло нужного потенциала). Такая конфигурация ядерной энергетической системы при небольшой доле гибридных термоядерных реакторов в системе (порядка 10%) позволит обеспечить все реакторы деления ядерным топливом. При этом, риск радиационного загрязнения окружающей среды радиоактивными продуктами деления будет более чем в 100 раз меньше в сравнении с наработкой искусственного топлива в реакторах деления (быстрых реакторах).

Разработка и создание гибридного термоядерного реактора, отработка режима наработки уран-233 при мультипликации нейтронов за счет реакции (n,2n) и (n,3n) в бланкете гибрида.

Разработка компьютерных моделей и анализ нового поколения ядерных энергетических систем деления средней мощности, высокого уровня безопасности, адаптивных требованиям потребителей энергии и энергосистемы с учетом региональным особенностей.

Особенности обучения студентов кафедры.

Особое внимание кафедра уделяет современным методам суперкомпьютерного моделирования сложных физических процессов и систем в фундаментальной и прикладной квантовой физике.

Студенты базовой кафедры, начиная со второго курса получают доступ к вычислительным системам Центра коллективного пользования (ЦКП) научным оборудованием «Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса» (http://ckp.nrcki.ru/pages/main/index.shtml). Для решения научных задач ЦКП содержит две компоненты: грид-комплекс и суперкомпьютерные кластеры, которые оснащены современным программным обеспечением, средствами разработки проблемно-моделирующих сред для проведения полномасштабного вычислительного эксперимента физических процессов.

Экспериментальная практика студентов, проходящих обучение по экспериментальному направлению, осуществляется на установке ОР-М НИЦ КИ (см. раздел сайта «Установка ОР-М»).

Студенты нашей базовой кафедры, начиная с 2 курса, включаются в научно-исследовательскую работу под руководством опытных специалистов.

Студентам всех курсов (2-6 курс) выплачивается базовая стипендия. Студенты и аспиранты включаются в составы коллективов, работающих по различным грантам.

Студенты, окончившие кафедру, поступают на работу в НИЦ КИ (другие научные центры) или в аспирантуру МФТИ, НИЦ КИ.

Студенты других высших учебных заведений после окончания 4 курса по физико-математическим и информационным направлениям могут поступить в магистратуру (5-6 курсы) или аспирантуру нашей кафедры.

На кафедре преподают ведущие научные сотрудники НИЦ «Курчатовский Институт», Вычислительного центра им. А.А. Дородницына РАН, Института прикладной математики им. М.В. Келдыша, МФТИ имеющие международную известность, члены РАН, доктора и кандидаты наук, лауреаты Государственных премий.