Центр притяжения

Почему НЦФМ привлекает ученых со всей страны

В Национальном центре физики и математики ведущие ученые России вместе с молодыми специалистами нацелены проводить исследования на самых современных установках классов миди- и мегасайенс. В 2022 году НЦФМ провел десятки исследований и получил научные результаты, ряд из которых достигнут впервые в мире.

Подготовка штучных ученых

Создание Национального центра физики и математики в Сарове началось в 2020 году по поручению президента России. В этой работе участвуют специалисты Росатома, Российской академии наук, МГУ, НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, РФЯЦ-ВНИИЭФ и других российских научных и образовательных организаций и высокотехнологичных компаний.

Первым на месте НЦФМ появился филиал МГУ, где готовят магистрантов и аспирантов по следующим фундаментальным физическим и математическим дисциплинам: вычислительные методы и методика моделирования, суперкомпьютерные технологии математического моделирования и обработки данных, теоретическая физика, экспериментальные электромагнитные поля, релятивистская плазма, аттосекундная физика, лазерная нелинейная оптика и фотоника.

«С самого старта мы были нацелены на подготовку, что называется, штучных ученых. Поэтому привлекли к их обучению ведущих представителей российской науки, в их числе 5 академиков, 13 членов-корреспондентов и 3 профессора РАН, 42 доктора наук, 68 кандидатов наук», — отметил в феврале этого года на пресс-конференции в ТАСС научный руководитель НЦФМ Александр Сергеев.

Обучение в образовательном ядре НЦФМ основывается не только на прослушивании лекций лучших ученых страны, но и на прохождении практики на расчетно-вычислительной и экспериментальной базе ведущих научных центров, например на научных установках РФЯЦ-ВНИИЭФ. Такое объединение образования с работой над научными исследованиями дает возможность выпускать высококвалифицированных и востребованных на рынке специалистов.

Программа обучения уникальна, ее разрабатывали специально для Филиала МГУ в Сарове. «В России всего несколько преподавателей могут прочитать эти курсы. Конечно, раз мы говорим о подготовке научной элиты, должны подбираться лучшие профессора и преподаватели. Основная часть — из МГУ, но мы также подключаем специалистов из ВНИИЭФ, институтов РАН», — рассказал в интервью газете «Страна Росатом» директор Филиала МГУ в Сарове Владимир Воеводин.

Сейчас в университете учатся уже более 100 магистрантов и аспирантов, на которых приходится 126 преподавателей. В этом году будет первый выпуск — диплом магистра получат 46 физиков и математиков. Большинство из них планируют продолжить карьеру в научном контуре НЦФМ и на предприятиях Росатома: ВНИИЭФ, ВНИИА им. Н. Л. Духова и др. Планируется, что к 2030 году число обучающихся в филиале вырастет до 1000 человек.

До 2023 года проект НЦФМ реализовывался в основном за счет средств Росатома. В конце прошлого года началось строительство первых объектов центра за счет федерального бюджета. С этого года также предусмотрены федеральные средства на финансирование научной программы НЦФМ.

От Сарова до Новосибирска

Научная программа центра состоит из 10 направлений, связанных с ядерной физикой, искусственным интеллектом, суперкомпьютерными технологиями, космологией и др. «Мы получили самые высокие магнитные поля напряженностью порядка 28 мегагаусс. Таких полей пока никто больше в мире не смог получить, — рассказал научный руководитель РФЯЦ-ВНИИЭФ Вячеслав Соловьев, сопредседатель одной из секций научно-технического совета НЦФМ. — Это направление посвящено в том числе созданию установок постоянных магнитных полей высокой напряженности и проведению специальных исследований материалов в условиях действия таких полей».

Научная работа в НЦФМ устроена так, что ученые могут реализовывать научную программу на оборудовании ядерного центра и других участников кооперации НЦФМ, не дожидаясь окончания строительства мегасайенс-установок, которые появятся в кампусе НЦФМ к 2030 году.

«За два года заметная часть установок нашего ядерного центра была задействована в этих работах. Но работали не только на наших установках, но и на плазменной установке «Крот» Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, на лазерной установке Института лазерной физики в новосибирском Академгородке», — рассказал научный руководитель РФЯЦ-ВНИИЭФ Вячеслав Соловьев.

Кооперация НЦФМ уже получила первые научные результаты. К примеру, ученые создали шестидетекторный спектрометр заряженных частиц для получения новых данных по ядерным реакциям «зажигания» термоядерного топлива, разработали методы и алгоритмы сбора, хранения, накопления, интеграции и анализа информации о состоянии здоровья и образе жизни человека с помощью систем искусственного интеллекта, а также разработали физическую схему оптической нейронной сети на основе Фурье-коррелятора для распознавания объектов в видеопотоке.

Кроме того, ученые впервые в мире провели взрывной эксперимент, в котором одновременно были зарегистрированы сжимаемость, яркостная температура и массовая скорость неидеальной плазмы гелия при давлении 2 млн атмосфер. Эта информация о свойствах гелия нужна, чтобы повысить точность моделирования физических схем перспективных устройств для инерциального управляемого термоядерного синтеза.

Еще одна уникальная работа связана с изучением физических свойств углекислого газа при неисследованном ранее сверхвысоком давлении, созданном с использованием устройства изоэнтропического сжатия на основе взрывомагнитного генератора, — около 4 Мбар.

Мегаустановки для меганауки

К 2030 году в Сарове появится многофункциональный ускорительный комплекс для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками с энергией от 2 до 5 ГэВ. Концепция создания установки базируется на новом методе повышения светимости — Crab Waist, предложенном и разработанном специалистами Национального института ядерной физики Италии и Института ядерной физики СО РАН. Ускорительный комплекс необходим для поиска новой физики в процессах рождения очарованных кварков и тау-лептонов, а также он позволит бизнесу глубоко, на уровне кварков, изучать материалы.

Вторая мегасайенс-установка, которая появится в НЦФМ, — это фотонный суперкомпьютер с рекордной производительностью. Сейчас таких компьютеров не существует, это лишь гипотетическая технология, но ученые НЦФМ настроены оптимистично и рассчитывают достичь прогресса в этой области. «Когда мы говорим об архитектуре суперкомпьютеров, то понимаем, что строить ее надо таким образом, чтобы различные вычислительные элементы работали максимально быстро для решения тех задач, для которых они предназначены. И такое ускорение может быть связано с использованием оптических вычислительных компонентов. Фотоны будут частицами, которые и несут, и обрабатывают информацию. Здесь видится грандиозное будущее, потому что в ряде операций фотоны, будучи более легкими и быстрыми частицами по сравнению с электронами, могут проводить определенные процедуры в огромное количество раз быстрее», — считает научный руководитель НЦФМ академик РАН Александр Сергеев.

Ученые рассчитывают создать суперкомпьютер с производительностью на уровне 10 зеттафлопсов — на четыре порядка выше, чем у самого производительного из существующих суперкомпьютеров. Эксперты уверены: чтобы продвинуться в разработке суперкомпьютеров, следует сосредоточиться на исследовании перспективных нетрадиционных подходов, создавать машины, которые показывают высокую реальную производительность при решении практически важных задач.

Третья установка, экзаваттный лазер, будет обладать очень короткой длительностью импульса — около 10–30 фемтосекунд, но высокой мощностью — на три-четыре порядка выше мощности всех электростанций на Земле. В результате можно будет достичь очень высокой пиковой мощности, создавать сверхсильные поля, которые представляют большой интерес для многих исследователей и позволяют изучить в эксперименте квантовую структуру вакуума. «В процессе создания лазера мы будем использовать новые подходы и к созданию лазеров, потому что такой установки в мире нет, и к диагностике этих лазеров, и к диагностике взаимодействия лазерного излучения с веществом. И это приводит нас к ряду интересных возможностей для трансфера технологий», — пояснил Александр Сергеев.

Плюс семь

С 2023 по 2025 год в научном центре появятся менее масштабные установки класса миди-сайенс — они дешевле и быстрее сооружаются, но при этом позволяют выполнять актуальные научные исследования и отрабатывать компоненты будущих мегасайенс-установок. Также в НЦФМ появятся семь научных лабораторий, в которых будут, например, развивать искусственный интеллект на базе нейроморфных технологий, проектировать фотонные вычислительные устройства и вести исследования по астро- и геофизике.

Одной из первых в НЦФМ будет запущена новая лаборатория моделирования плазменно-пылевой экзосферы — этим займутся исследователи из Института космических исследований РАН и Института прикладной физики РАН.

Основой первого стенда этой лаборатории станет установка по изучению пылевой плазмы при низких давлениях, которая позволит моделировать, например, влияние частиц лунной пыли на работу элементов и систем космических аппаратов, на функционирование костюмов астронавтов, солнечных батарей, оптики. Это поможет ученым разработать методы защиты от подобной пыли на Луне и в атмосфере Марса.

На втором стенде новой лаборатории НЦФМ ученые займутся изучением поведения растений в космических условиях. Там специалисты будут анализировать влияние гео- и астрофизических факторов на развитие растений. В основе будет установка для моделирования различных условий: света, температуры, давления, влажности почвы и воздуха, ионизирующего излучения и магнитных полей, гравитации и химического состава среды.

А группа исследователей из Курчатовского института, Физического института РАН и МФТИ планирует создать на базе НЦФМ лабораторию для моделирования астрофизических струйных выбросов на сильноточных установках типа плазменный фокус. Это позволит изучать радиационные эффекты, взаимодействие плазменного потока с фоновой средой и другие направления физики плазмы.

Из лаборатории — в промышленность

Трансфером технологий Росатом занялся очень активно — в госкорпорации даже создали специальный Институт трансфера технологий, который входит в отраслевой интегратор в области производства техники и электроники «Русатом РДС» и занимается вводом в гражданский оборот технологий военного и двойного назначения и внедрением в промышленное производство разработок ученых НЦФМ.

«У нас есть важная миссия — научиться все то, что мы делаем, как можно быстрее внедрять в промышленность. Это обеспечение технологического суверенитета. Мы не должны ждать, пока в 2030-м построим установку мегасайенс, в 2035-м начнем получать фантастические научные результаты и к 2040-му сможем что-то предложить для нашей промышленности. Мы начинаем работать уже сейчас. Институт трансфера технологий работает в том числе и над тем, чтобы предложения, которые делаются на площадке НЦФМ, как можно быстрее были реализованы», — пояснил Александр Сергеев. Основные направления — водородная и ветроэнергетика, накопители энергии, переработка отходов, аддитивные технологии, станкостроение, робототехника, приборостроение, цифровое моделирование, ядерная медицина, медицинское оборудование, лазерные технологии, сверхпроводимость и др.

«Фундаментальные исследования всегда были основой прикладных, без фундаментальных результатов невозможно получение прорывных продуктов и технологий. Однако сам путь от фундаментальных исследований до создания готового продукта длиннее, чем простой перенос работающего решения из одной отрасли в другую, — отметил Александр Сергеев на «Атомэкспо-2022». — Трансфер в этой части начинается с момента запуска тематик, он включает проверки рыночных гипотез, проведение экспертиз, чтобы уже на самом раннем этапе выявлять наиболее вероятные к применению новые технологии, которые можно использовать на рынке».