Основные научные направления

Совершенствование технологий атомной промышленности

Ощутимый вклад вносит кафедра в научную тематику базовых предприятий разделительно–сублиматного комплекса РФ. Проф. Б.Т. Породнов, В.Д. Селезнев, В.И. Токманцев и ст. преп. К.В. Звонарев совместно с УЭХК (г. Новоуральск) проводят теоретические и расчетные исследования газодинамики и теплофизики разделительных газовых центрифуг. В рамках исследований по динамике разреженного газа ведется моделирование и оптимизация газовых потоков при внутреннем и внешнем обтекании тел с различной структурой поверхности. Проф. В.А. Палкин на базе разделительных предприятий СХК (г. Северск), ПО «ЭХЗ» (г. Зеленогорск) и АЭХК (г. Ангарск) разрабатывает методы оптимизации технологического процесса в каскадах газовых центрифуг. Итогом научного сотрудничества с предприятиями отрасли стала организация докторского диссертационного совета по специальностям, соответствующим профилю учебной работы кафедры. Председатель совета – проф. В.Д. Селезнев, ученый секретарь – проф. В.И. Токманцев.

От машинного моделирования и лабораторных экспериментов к новым технологиям

Научно-техническое направление, связанное с моделированием процессов переноса в реакторных материалах и атомных технологиях, возглавляет профессор А.Я. Купряжкин. В годы перестройки эта научная группа (доц. К.А. Некрасов, доц. А.Н. Жиганов, ст. преп. С.И. Поташников и др.) продолжала разработку методов получения высококонцентрированных растворов, методов гелиевого легирования и связывания изотопов гелия в конденсированных средах. Показано, что метод гелиевой дефектоскопии, разработанный ранее для анализа ультрамалых концентраций точечных дефектов в ионных монокристаллах, может быть успешно применен для анализа дефектов в металлах с субмикрокристаллической структурой и оксидной нанокерамике. В группе разработаны высокоэффективные методы машинного моделирования массопереноса в топливных материалах, в том числе и на графических процессорах, позволяющие увеличить производительность обычных компьютеров более чем на два порядка величины. Совместно с НИИАР успешно выполнены исследования механизмов массопереноса в оксидном топливе, совместно с ИХТТ УрО РАН (в.н.с. М.В. Рыжков) проводятся квантово-химические расчеты диоксида урана, твердых растворов гелия.

Лаборатория масс-спектрометрии

Доценты Б.А. Калинин, О.Е. Александров, В.Е. Атанов в составе Российской арбитражной лаборатории испытаний материалов ядерной техники проводят исследования ионно-молекулярных реакций при формировании ионных пучков в магнитных масс-спектрометрах.

Моделирование рассеяния частиц шероховатыми поверхностями с микро- и нанонеровностями

В последние годы на кафедре (научная группа проф. Б.Т. Породнова) получили развитие методы компьютерного моделирования рассеяния частиц шероховатыми поверхностями с микро- и нанонеровностями, связанные с обработкой получаемых на основе атомно-силовой микроскопии (Atomic Force Microscopy - AFM) трехмерных топограмм поверхности высокого разрешения вплоть до сотен и даже десятков нанометров. Полученная таким образом оцифрованная поверхность представляет собой массив элементарных площадок с известными координатами вершин исследуемого образца. Применение метода прямых статистических испытаний (Монте-Карло) позволяет по известному распределению падающих частиц восстановить функцию распределения рассеянных частиц при заданном законе взаимодействия с атомами кристаллической решетки поверхности, которая в дальнейшем используется для решения граничных задач внутреннего и внешнего обтекания тел до- и сверхзвуковыми потоками.

Разработка и исследование оптикоэлектронных систем

В группе проф. Б.Т. Будаи и Б.Т. Породнова проводится работа по конструкторской разработке и изготовлению оптикоэлектронных систем (ОЭС) и экспериментального стенда. На этой базе проводятся исследования путей повышения чувствительности, дальности обнаружения и сопровождения с помощью ОЭС потенциально опасных объектов при физической защите техники, зданий, помещений на охраняемых спецтерриториях днем и ночью в любых погодных условиях. Организуется проведение лабораторных и практических занятий в рамках учебно-исследовательской работы студентов по специальности «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем».

Сильфонный вакуумметр с LC-генератором – деформационный прибор нового поколения

Около 50 лет в экспериментальной практике на кафедре молекулярной физики использовались различные модификации мембранных микроманометров с LC-генератором для измерения давления газа ниже 1000 Па. В последние годы группой сотрудников (проф. Б.Т. Породнов, доц. Н.Н. Алексеенко, инженер И.А. Королев) был разработан и изготовлен новый прибор этого класса – сильфонный вакуумметр с LC-генератором (СВГ). По сравнению с наиболее совершенным среди деформационных вакуумметров мембранным прибором «Баротрон» фирмы MKS-Instruments, СВГ имеет важные преимущества и является прибором нового поколения.

Главная концептуальная особенность, на которой создан прибор СВГ, заключается в отказе от общепринятых критериев выбора упругого элемента и диапазона его деформации. При разработке СВГ использованы критерии, установленные в результате исследований металлов и сплавов как атомно-кристаллических дефектных структур (напряжение трения и предел микротекучести).

В приборе СВГ достигнуто сочетание двух важнейших свойств любого прибора:

• точность с относительной ошибкой измерения 0,1% и менее при разрешающей способности до 10–5 от верхнего предела измерений;
• надёжность СВГ превосходит все выпускаемые приборы, так как он не нуждается в периодических поверках, аварийные повышения давления до атмосферного являются штатными режимами работы, ресурс прибора ограничен только его моральным старением.

Исследование теплопередающих устройств

Для тепловых труб, разработанных на кафедре под руководством Ю.Ф. Герасимова, характерно наличие множества взаимосвязанных теплофизических процессов и явлений. Доценты Ю.Е. Долгирев, В.Е. Атанов и М.Ш. Гадельшин в настоящее время занимаются изучением явлений смачивания, проницаемости, теплоотдачи, а также изучением температурных полей тепловых труб с помощью тепловизора А-320 фирмы FLIR.

Воздействие ионизирующего и электромагнитного излучения на биообъекты

Проф. П.В. Волобуев совместно с УрНИВИ исследует воздействие электромагнитного поля на биологические объекты, а на базе филиала кафедры в ИПЭ УрО РАН анализирует последствия техногенного радиационного воздействия на население Уральского региона.

Биофизика и биокибернетика

Под руководством проф. А.В. Мелких ведутся фундаментальные работы по моделированию биологических систем. Биофизическое направление включает в себя построение моделей активного транспорта ионов в биомембранах различных видов клеток и внутриклеточных компартментов. Ключевой идеей биокибернетического направления является реальная оценка сложности живых систем с использованием методов теории алгоритмов, исследования операций, теории информации и управления. Учет сложности живых организмов должен привести к пересмотру основных законов биологии.

Закономерности эволюции диссипативных структур

Основной областью научных интересов Л.М. Мартюшева и его научной группы является изучение общих закономерностей, лежащих в основе развития диссипативных систем. Здесь получен ряд результатов, в частности:

1. На основе анализа большого числа разрозненных экспериментальных и теоретических работ, высказана идея о существовании вариационного принципа – принципа максимума производства энтропии (MEPP). Принцип обосновывается как с помощью термодинамических/статистических доводов (Л. Онзагера, Г. Циглера, Дж. Займана и др.), так и с помощью имеющихся экспериментальных данных для различных неравновесных систем (физических, химических и биологических). Такая полнота анализа является принципиальным отличием сделанного по сравнению с другими подобными попытками. Также впервые четко разграничены области применимости MEPP и принципа Пригожина.
2. Впервые, используя MEPP, предложен метод расчета морфологических фазовых диаграмм с областями устойчивого, метастабильного и неустойчивого неравновесного развития.

Научно-методическое направление «Новые информационные технологии обучения»

Тематика работ творческого коллектива: Г.П. Николаев, А.Э. Лойко, А.В. Гоглачёв и К.И. Корякин – направлена на совершенствование и интенсификацию учебного процесса, на внедрение новых современных педагогических методик, поэтапного и итогового контроля знаний с широким вовлечением компьютерной техники, на развитие и применение более совершенных форм аудиторной и самостоятельной работы, на разработку и широкое использование методического обеспечения в обучении, на разработку новых программно-методических комплексов, контролирующе-обучающих и контролирующих автоматизированных учебных курсов, подготовку информационной базы к ним, разработку методического и программного обеспечения лекционных курсов.

В рамках научного направления опубликовано более 100 работ. Подготовлено и внедрено около 10 программно-методических комплексов, содержащих более 120 компьютерных программ и 30 учебных пособий.