Ядерная медицина, новые материалы и управляемый термоядерный синтез — РБК составил список наиболее интересных научных инициатив российских ученых за последние годы. Результатами работы поделились эксперты Росатома.
Ядерная медицина
Сегодня атомная энергия может не только вырабатывать огромные объемы энергии на электростанциях, но и лечить людей. Для диагностики и терапии заболеваний врачи активно используют радиофармацевтические препараты (РФП), в состав которых входит один или несколько радиоактивных изотопов. Наиболее эффективно эти лекарства показывают себя при диагностике различных сложных заболеваний, например онкологии.
Около 80% ядерной медицины в мире сегодня зависит от изотопа молибдена-99, который в результате бета-распада превращается в технеций-99m. Больше всего молибдена в России производят в Димитровграде Ульяновской области, в Научно-исследовательском институте атомных реакторов «Росатома» (ГНЦ НИИАР, входит в научный дивизион госкорпорации). Среди других диагностических изотопов стоит отметить йод-123 и галлий-67. В России их производит Радиевый институт им. В. Г. Хлопина (входит в научный дивизион «Росатома») в Санкт-Петербурге.
В медицине готовый технеций в составе РФП вводят пациенту в небольшом количестве и ждут около часа, чтобы вещество распространилось по всему организму. Следующий шаг — обследование на томографическом аппарате, который делает трехмерный снимок, а технеций «подсвечивает» опухоль и метастазы.
Этот же способ помогает найти изменения в очагах поражения и наиболее полно охарактеризовать процессы в них. Здоровым тканям тем временем ничего не угрожает. В качестве РФП специально подбираются такие вещества, которые накапливаются именно в раковых клетках.
В Обнинске в Физико-энергетическом институте им. А. И. Лейпунского (ГНЦ РФ — ФЭИ, также входит в научный дивизион «Росатома») производят микроисточники (небольшие керамические иглы, помещенные в титановые капсулы) на основе радионуклида йода-125 для терапии рака предстательной железы.
При таком виде лечения — брахитерапии — микроисточники внедряют непосредственно в опухоль предстательной железы. В отличие от дистанционной лучевой терапии, при которой на пораженный участок воздействуют снаружи, в брахитерапии источники вводят внутрь опухоли. Это позволяет нанести максимально точный удар, не задев здоровые органы и ткани. А поскольку источники излучения низкоэнергетические, внешнего фона почти нет — их «носитель» абсолютно безопасен для окружающих.
Цифровой двойник человека
Еще одна инициатива российских ученых, тесно связанная с IT. Двойник будет анализировать состояние здоровья человека с учетом внешних и внутренних факторов, предсказывать появление болезни и на основе расчетов давать рекомендации, как снизить риски возникновения новых заболеваний.
По словам научного руководителя Национального центра физики и математики (НЦФМ) академика РАН Александра Сергеева, сначала будут появляться цифровые двойники отдельных органов человеческого организма, после чего их объединят в одну систему. В цифровой двойник будут вводить данные: от актуальной медицинской карты человека до требований охраны труда. После чего система будет анализировать данные и прогнозировать, как человек будет стареть или как его организм среагирует на разные факторы, например, на повышение уровня стресса и изменение экологии. Такой инструмент позволит эффективно управлять здоровьем и поддерживать долгосрочное благополучие.
Сейчас эта инициатива — план ученых на ближайшие десять лет, который вполне возможно осуществить при условии развития технологий.
Материалы для новых энергосистем
Новым, более производительным и технически сложным энергосистемам, в частности АЭС, нужны материалы с уникальными свойствами. Такие материалы должны выдерживать высокие нагрузки во все время эксплуатации, предсказуемо деградировать, иметь запас прочности на случай непредвиденных обстоятельств. Подобные пожелания конструкторов звучат на грани фантастики.
Разберем на условном примере. Ученые и конструкторы разрабатывают реактор, в котором долгоживущие радиоактивные изотопы таких элементов, как америций, нептуний или плутоний, будут превращаться в более безопасные короткоживущие элементы. Чтобы это было возможно, реактор должен работать при высоких температурах. При этом топливо будет растворено в расплаве солей фторидов активных металлов, как правило, лития, натрия, калия или бериллия. Для того чтобы создать такой реактор, нужны материалы с быстрым спадом активности, которые бы меньше подвергались коррозии.
Пока таких материалов нет. В России они сейчас разрабатываются в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий (КП РТТН). Уже отобраны кандидатные материалы, «Росатом» тестирует их на исследовательском реакторе СМ-3 в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (ГНЦ НИИАР) в Ульяновской области.
Источники радиоизлучения
Более детальное изучение радиоактивных элементов и их изотопов позволило ученым выявить несколько их новых функций, не связанных с получением энергии. Радиационные источники используют для измерения толщины предметов и их плотности, тестирования и калибровки радиооборудования, а также контроля качества измерений.
Безопасные источники разного вида излучений — альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучения — также широко применяются в сфере безопасности. Так как они умеют «просвечивать», их используют в оборудовании, которое определяет взрывчатые вещества, в составе приборов космических аппаратов и даже в быту, например в производстве микроволновых приборов.
Еще одна область применения источников радиоизлучения — слежение за радиационной обстановкой в России и мире. Этот способ актуален на фоне бурного роста атомной энергетики в прошлом веке и ряда случившихся аварий на АЭС, так как на планете могут находиться концентрации радиоактивных элементов, опасные для человека и других организмов.
Лидер по производству радионуклидных источников в России — Радиевый институт им. В. Г. Хлопина. В списке его продукции — более ста названий источников различного излучения. Их широко используют в аэропортах, на вокзалах, в метро и таможенных пунктах. Источники излучения, произведенные в институте, применяют в том числе инспекторы Международного агентства по атомной энергии.
Институт также разрабатывает систему, способную находить зараженные радиацией участки земли и оценивать, насколько в них меняется обстановка, опасно ли там находиться людям и сколько времени потребуется для «очищения» территории. Ученые изучают, как распространяются и ведут себя радиоактивные элементы в окружающей среде, создают приборы для радиоконтроля и пишут документацию к ним.
Реакторы на быстрых нейтронах
Атомная энергетика в России и в мире в целом сейчас представлена АЭС с реакторами на тепловых нейтронах. Их основной минус — радиоактивные отходы, которые со временем накапливаются и требуют больших затрат для долговременного надежного хранения.
Чтобы решить эту проблему, нужно создать замкнутый ядерный топливный цикл, при котором использовались бы реакторы на быстрых нейтронах. В них наиболее опасные продукты деления и актиниды (радиоактивные элементы третьей группы) будут дожигаться, за счет чего количество опасных отходов и срок их хранения будут меньше. Сейчас в ГНЦ НИИАР успешно работает «быстрый» исследовательский реактор БОР-60 на натрии. На смену ему в Димитровграде строят новый многоцелевой реактор на быстрых нейтронах (МБИР). В октябре этого года прошел один из ключевых этапов: успешно завершили монтаж купола реакторного здания. Как отмечают эксперты, строительство идет с опережением графика, в 2028 году ожидается пуск. Ввод в эксплуатацию такого реактора обеспечит лидерство России в развитии инновационных реакторных технологий на следующие полвека. Научный руководитель всех российских быстрых реакторов — Физико-энергетический институт им. А. И. Лейпунского.
В 2021 году «Росатом» начал строить в Северске опытно-демонстрационный энергетический комплекс с энергоблоком с реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем — БРЕСТ-ОД-300. Облученное топливо в нем после переработки будут использовать повторно.
Термоядерные технологии
Термоядерный синтез часто называют Граалем энергетики. Если традиционная ядерная энергетика использует реакцию распада, при которой тяжелые ядра вещества делятся и возникают более легкие ядра, то при термоядерном синтезе происходит наоборот: энергия появляется при объединении легких ядер в более тяжелые. Топливо для такой реакции — изотопы водорода, широко распространенные в природе или синтезируемые.
Термоядерный синтез, которым можно было бы управлять, остается мечтой ученых еще с прошлого века. Концепцию термоядерного реактора, в котором плазма имела бы форму тора (бублика) и удерживалась магнитным полем, в 1951 году предложили советские ученые Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Четырьмя годами позже в СССР построили первую установку, основанную на этом принципе. Позднее подобные устройства назвали токамаками (тороидальная камера с магнитными катушками), а сам термин в 1957 году придумал ученик академика Курчатова, советский физик Игорь Головин.
Основная задача токамаков — в длительном удержании плазмы, разогретой до температуры свыше 100 млн °C. В XX веке ученые определили условия и параметры, нужные для удержания плазмы. Сейчас физикам нужно решить проблему стойкости первой стенки реактора к высоким потокам энергии и создать сверхпроводящую магнитную систему для длительного «горения» плазмы.
Токамаки продолжают строить и сегодня, занимаются этим совместно ученые «Росатома», Курчатовского института и РАН. Проектированием и строительством токамака с реакторными технологиями занимается профильный Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ, организация «Росатома»), где в 2024 году планируют завершить первый этап реконструкции термоядерного комплекса, необходимого для инфраструктуры будущего токамака, сооружение которого предполагается к 2030 году. Работы ведутся в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий в России (КП РТТН).
Россия продолжает принимать участие в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР, International Thermonuclear Experimental Reactor). Токамак ИТЭР строится на юго-востоке Франции. Задача проекта — продемонстрировать устойчивое протекание термоядерных реакций с выходом энергии, в десять раз превышающей энергию, вложенную в плазму.
«Росатом» и другие организации страны изготавливают и поставляют части конструкции строящегося токамака: различные патрубки, гиротроны для нагрева плазмы, коммутирующую аппаратуру для подвода энергии к токамаку, панели первой стенки и купол дивертора, которые принимают на себя тепловые плазменные потоки, различные диагностические системы. Технологии, которые разработаны в рамках проекта ИТЭР, применяются для создания российского токамака мирового уровня.
Про развитие лазеров для квантовых технологий, сенсоры для прогноза болезней органов дыхания, разработку квантовой нейросети читайте в полной версии статьи.
***
Подписывайтесь на канал и следите за новостями науки.
