Library of Standard Codes
Virtual TOKAMAK

RUS

Practice

Фундаментальная научная проблема

Проект разрабатывается в рамках проблемы управляемого термоядерного синтеза. Современное состояние этой проблемы характеризует начало строительства токамаков нового поколения (международный проект ИТЭР, российский проект Т-15, и другие), пуск которых в эксплуатацию позволит решить задачу создания физического термоядерного реактора. Жесткие временные сроки пуска новых установок делают чрезвычайно важным создание эффективного программного обеспечения, способствующего решению поставленных задач.

Такое ПО во многом уже создано, однако имеющийся набор кодов нуждается в пополнении новыми модулями, прежде всего, блоками, моделирующими процессы управления плазменным шнуром и работу систем диагностики.

Данная задача связана с темой «Разработка компьютерных моделей плазменных процессов и их использование для решения междисциплинарных проблем», выполняемой по плану факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета. им. М.В. Ломоносова.

Общая концепция

Общая концепция работ состоит в уже оправдавшем себя ранее принципе параллелизма, согласно которому совершенствование библиотеки ведется одновременно с выполнением прикладных работ, с обязательной публикацией результатов.

Опишем примерную схему работы по созданию одного из блоков управления. Сначала, исходя из технического задания, строится адекватная ТЗ теоретическая модель управления плазменным шнуром. Практически одновременно, с помощью уже имеющихся блоков расчета равновесия плазмы и сценария разряда, осуществляется ее наполнение (то есть в модель управления вводятся реальные коэффициенты). Далее, строится модуль, имитирующий работу блока управления, который затем включается в общий код расчета сценария разряда. Проводятся квазииспытания (то есть испытания методами математического моделирования) блока управления и, при необходимости, осуществляется коррекция его схемы.

Весь цикл повторяется до получения приемлемой (на уровне модели процесса) схемы, которая и выдается «наверх» в качестве рекомендации. Если предложенный блок признается технически приемлемым, то работа вычислителей на этом заканчивается, и начинается разработка блока «в железе», если нет — то происходит уточнение ТЗ и весь цикл квазииспытаний блока начинается снова.

Аналогично выглядит схема разработка систем диагностики. На примере создания блока управления рассмотрим более подробно план работы по годам. К середине 2014 года предполагается написание теоретической модели блока и (при необходимости) включение в уже работающие коды расчета равновесия и сценария разряда процедур расчета коэффициентов. Во второй половине 2014 года начинаются квазииспытания блока управления, которые к концу 2015 года должны окончиться выдачей «наверх» окончательного варианта схемы.

Новизна результатов

Коснемся степени новизны результатов. Уже существующая после выполнения проекта РФФИ 08-07-00182-а РФФИ 11-07-00567 версия библиотеки «ВИРТУАЛЬНЫЙ ТОКАМАК» уникальна для России. Ее пополнение новыми модулями приведет к тому, что она станет лучшей в мире. Однако главный эффект от ее пополнения и модернизации будет не столько в уникальности библиотеки, сколько в том, что ее состояние позволит решить практические задачи по запуску нового поколения установок токамак.

Во вполне обозримом будущем ожидаются:

  • разработка имитационного блока управления плазменным шнуром и начало квазииспытаний его работы (то есть испытание методами математического моделирования);
  • пополнение библиотеки одним диагностическим кодом;
  • публикация (помимо докладов на международных научных конференциях) актуальных тематических статей.

Критерий – мировой уровень

Современное состояние проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) характеризует начало строительства токамаков нового поколения. Примерами таких установок являются международный токамак ИТЭР и российский токамак Т-15, строительство которых уже начато (пуск Т-15 планируется к 2016 году, а пуск ИТЭР — в 2020 году). Следует отметить, что ряд членов коллектива заявки принимал самое активное участие в проработке обоих проектов и что три участника заявки – Д.Ю. Сычугов, В.Э. Лукаш и Р.Р. Хайрутдинов отмечены в 2012 г. премией им. акад. А.П. Александрова – «За оптимизацию конструкции установки Т-15»).

Как нетрудно видеть из списка публикаций, та часть коллектива, которая занимается непосредственно проблемой УТС, имеет результаты мирового уровня. Вместе с тем оказалось, что решение предпусковых и пусковых задач, а также проработка сценариев разряда установок нового поколения требует решения задач из другой области, прежде всего — из области управления. Соответственно, разработанная на предыдущих этапах авторами данной заявки библиотека стандартных программ «ВИРТУАЛЬНЫЙ ТОКАМАК» нуждается в пополнении новыми модулями, прежде всего, для моделирования процессов управления плазменным шнуром, а также модулями, предназначенными для решения задач диагностики плазмы в on-line режиме.

Жесткие сроки пуска установок (прежде всего, российской) заставляют провести некоторое обновление коллектива, и ввести в него ученых, профессионально занимающимися задачами управления. Не менее важной остается задача обеспечения возможности дистанционного доступа к программной среде, для чего в коллектив вводятся специалисты, профессионально занимающиеся web-технологиями.

Ожидаемым результатом будет пополненная библиотека стандартных программ. А критерием — степень применения инструментария библиотеки в решении прикладных задач, в первую очередь — задач, связанных с пуском токамаков нового поколения.

Потенциал

Авторский коллектив обладает значительными наработками в данной области. К основным наработкам следует отнести созданную участниками заявки библиотеку стандартных программ, предназначенную для моделирования процессов в плазме, и выполненные с ее помощью прикладные работы. Более подробно, выполненный в 2010 году проект РФФИ 08-07-00182-а «Стандартизация программ, моделирующих процессы в установках Токамак и разработка на их основе библиотеки программ ВИРТУАЛЬНЫЙ ТОКАМАК» (всего по теме первого проекта опубликовано 36 работ) и завершаемый в 2013 году проект РФФИ 11-07-00567 «Создание на основе библиотеки «ВИРТУАЛЬНЫЙ ТОКАМАК» единой программной среды для проектирования и сопровождения экспериментов» (всего на сентябрь 2013 года по теме второго проекта опубликовано и принято в печать 42 работы) позволили значительно поднять уровень математического моделирования процессов в устанановках Токамак. Разработана библиотека стандартных программ «Виртуальный Токамак», которая на текущий момент содержит более 10 модулей, позволяющих эффективно моделировать такие важнейшие процессы, как МГД равновесие плазмы, ее устойчивость, эволюцию, проводить расчеты баланса и частиц (транспортные процессы). Библиотека обладает хорошо развитыми средствами визуализации вычислений. Наличие единой програмной среды позволяет осуществлять автоматический обмен данными между большинством модулей библиотеки. Реализована методика обращения с библиотекой в режиме удаленного доступа, через специально разработанный сайт. Наконец, строгое соблюдение принципа параллелизма, согласно которому разработка ПО должна одновременно сопровождаться его эксплуатацией, позволило выполнить большое число прикладных работ, всего по 7 различным токамакам. причем многие из них касались таких уникальных для мирового научного содружества установок, как ИТЭР. CTF и др. Вест спектр прикладных работ охватывает как действующие установки, так и проектируемые и строящиеся. Ряд участников заявки (В.Э. Лукаш, Д.Ю. Сычугов, Р.Р. Хайрутдинов) получили в 2012 году 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». Весь спектр наработок коллектива отражен в списке публикаций автора и коллектива (всего 60 работ), причем мы сознательно ограничили его только статьями в рецензируемых журналах (за счет докладов на международных конференциях данный список можно было бы, как минимум, удвоить).

Библиография.