С середины XX века мирный атом ассоциируют прежде всего с АЭС. Но при всей важности последних иногда за ними не видят многие другие сферы применения атомных технологий — от транспорта до лечения заболеваний и применения в сельском хозяйстве, новых технологий получения сложных материалов и производства аккумуляторов. Всего на неэнергетические цели на планете работают 223 реактора. Попробуем разобраться, чем они занимаются и какие еще направления находятся в фокусе атомной отрасли.
Специалисты по исследованию деятельности мозга заметили: когда в комнату заходит высокий человек, все сразу обращают на него внимание, даже мозговые волны меняются. Такой же феномен типичен для АЭС с ее огромными, издалека заметными сооружениями. Однако это как раз тот случай, когда не надо путать высокое дерево со всем лесом.
Напомним: в советское время перевозки по Северному морскому пути (СМП) составляли менее семи миллионов тонн в год, а в 2024-м превысили 37 миллионов тонн, то есть выросли в 5,3 раза. Подавляющее большинство грузов по Севморпути все еще перевозят судами под проводкой ледоколов, караванами судов, путь которым прокладывают ледоколы, причем ключевую роль играют именно атомные суда. И если в 1980-х годах их у нашей страны было четыре, то теперь уже восемь.
Дело не только в числе — важно и качество. Новые российские универсальные атомные ледоколы проекта 22220 значительно отличаются от своих предшественников. Атомоходы стали больше и мощнее. Они оснащены ядерной энергетической установкой в составе двух реакторов РИТМ-200. Благодаря этому они ломают более толстый лед, обеспечивая широкий канал прохода: за таким ледоколом идти гораздо проще. Новые российские атомные ледоколы двухосадочные, то есть могут работать и в устьях полярных рек.
Это всего один пример, но и он показателен: транспорт с уникальной мощностью реакторной установки и огромным (на годы работы) запасом топлива на борту появился только благодаря ядерным технологиям.
Ядерная медицина и лучевая терапия: от рака и сердца до… болезни Альцгеймера?
Мы живем на планете, где примерно из 60 миллионов смертей в год 20 миллионов вызваны сердечно-сосудистыми заболеваниями, еще 10 миллионов — раком. А ведь смертей могло быть куда больше: ежегодно в мире регистрируют не менее 20 миллионов новых случаев онкозаболеваний. Половину из них лечат с помощью технологий лучевой терапии и ядерной медицины. Так обобщенно называют лечение различными видами излучения: гамма-, бета- (электроны), нейтронами, а также пучками заряженных частиц, получаемых в медицинских и специальных ускорителях (включая протоны и ионы).
Эти методы лечения дают возможность воздействовать излучением прямо на очаг опухоли, минимально задевая здоровые ткани. Точно подбирая источники, типы и параметры излучения, врачи существенно снижают негативные последствия для пациента. Например, если опухоль поверхностная, выбирают контактную радиотерапию, если очаг залегает глубоко в организме — применяют протонную терапию.
Радионуклидная тераностика — без сомнения, современный, высокоточный и эффективный метод диагностики и лечения рака, который работает по принципу «найди и уничтожь». Однако важно понимать, что это лишь один из инструментов в арсенале современной онкологии, а не единственное решение для всех пациентов.
Существуют и другие, не менее точные и передовые, подходы к лечению. Ученые «Росатома» ведут исследования и разработки в области ядерной медицины, обеспечивая производство радиоизотопов и радиофармпрепаратов (РФЛП) на их основе и постоянно расширяя уже имеющуюся линейку.
Возьмем, к примеру, один из самых востребованных изотопов в ядерной медицине — технеций-99m. Время его полураспада — всего шесть часов, поэтому он не встречается в природе, организм человека с ним не знаком. Этот радионуклид используют в диагностических процедурах, чтобы «увидеть» поражения щитовидной железы, сердца, костной ткани, легких, почек и ЖКТ, выявляя метастазы и другие патологические изменения даже на ранних стадиях. С его помощью в мире ежегодно проводят около 40 миллионов диагностических процедур пациентам с сердечно-сосудистыми и онкологическими заболеваниями, из них приблизительно миллион — в России.
Так делают технеций-99 для больниц: после извлечения из реактора мишени с молибденом-99 перемещают в так называемую горячую камеру, где держат 1-2 суток для распада остальных изотопов, ненужных для медицинских целей. Перемещение будущих источников технеция осуществляют манипулятором операторы. От радиации их защищает толстая бетонная стенка камеры и стекло со специальными добавками, придающими ему желтый цвет. Без этой защиты находиться рядом было бы опасноНИФХИ
Для получения технеция-99m используют уран-235. При делении он дает 6% молибдена-99, при распаде которого и образуется технеций-99m. Чтобы использовать этот радионуклид непосредственно в клинике используют генераторы технеция — изделие, в котором короткоживущий (дочерний) технеций-99m постоянно генерируется в результате распада молибдена-99 (материнский изотоп), имеющего больший период полураспада.
Технеций-99m применяют в 80% диагностических процедур однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) для выявления онкологических, кардиологических, нейроэндокринных и других заболеваний. Этот метод очень востребован, его популярность продолжает расти.
Извлечение молибдена-99 — довольно трудоемкий процесс. До 2000-х годов Россия не экспортировала молибден-99 и, соответственно, технеций-99m. Лишь в 2010-2020-х ситуация изменилась.
Сегодня радионуклид производят в научном институте «Росатома» в Димитровграде, а единственный в России производитель генераторов технеция-99m — АО «Научно-исследовательский физико-химический институт имени Л. Я. Карпова» (входит в Научный дивизион «Росатома»).
Типичные примеры востребованных радионуклидов для терапии — йод-131 и радий-223. Первый — бета-излучатель, а бета-излучение в теле человека распространяется буквально на сантиметры. Альфа-излучение от радия-223 распространяется на доли миллиметров. За счет этого препараты воздействуют непосредственно на опухоль, воздействие на окружающие здоровые ткани минимально. Кроме того, предоставляется возможность увеличить дозу облучения для эффективного уничтожения раковых клеток.
В Обнинске идет строительство завода «Росатома» по производству радиофармпрепаратов. На его базе будут выпускать широкую номенклатуру радиофармпрепаратов и активных фармацевтических субстанций, включая наиболее востребованные продукты на основе йода-131, самария-153 и перспективные радиофармпрепараты на основе лютеция-177, актиния-225 и радия-223.
Лютеций-177 с 2010 годов применяют для лечения рака предстательной железы. Сегодня с помощью этого изотопа проводят терапию одному из 14 пациентов в мире с онкологическими заболеваниями. Для лечения используют молекулу-лиганд (молекула, которая избирательно находит раковую клетку). Лютеций-177, «скрепленный» с лигандом, вводят в кровоток, и лиганд доставляет радионуклид к мишени — раковой клетке. Тут-то лютеций-177 и убивает ее своим излучением.
С 2023-го в России с помощью лютеция-177 начали лечить рак предстательной железы. А с прошлого года аналогичный подход применяют против нейроэндокринных опухолей.
Однако и здесь прогресс не стоит на месте. В конце 2024 года предприятия Научного дивизиона «Росатома» освоили производство тербия-161 и препарата на его основе. Клинические испытания показали, что в составе таргетного радиофармпрепарата он эффективнее убивает опухолевые клетки по сравнению с аналогичными препаратами на основе лютеция-177.
Перспективы ядерной и высокотехнологичной медицины пока только раскрываются, и мы не можем угадать все области, где у нее есть серьезный потенциал. Достаточно упомянуть недавнюю работу российских ученых, в которой они задействовали ускоритель для имитации воздействия космической радиации на мышей с болезнью Альцгеймера. Исследования показали: после применения излучения симптомы этой болезни у грызунов полностью исчезли, причем побочных эффектов не наблюдалось.
Гнезда мышей, больных Альцгеймером. Слева — гнездо мыши, не получавшей терапию с помощью излучения. Можно увидеть, что животное не смогло сделать гнездо, потому что болезнь нарушила его когнитивные функции. Справа — гнездо мыши, прошедшей терапию. Оно ничем не отличается от гнезда абсолютно здоровой мышиКохан В.С.Интересно, что эта работа перекликается с недавней южнокорейской: ее авторы установили, что при лучевой терапии опухоли мозга у людей снижается сила симптомов все той же болезни Альцгеймера.
Если мы вспомним, что болезнь Альцгеймера ежегодно похищает разум у десятков миллионов, а многих приводит к смерти, — возможно, у атомных технологий в медицине скоро появится ничуть не менее важное приложение, чем лечение от рака или диагностика кардиологических и других тяжелых заболеваний.
Атом и промышленность
Медицинские инструменты, одноразовые перчатки, наборы тестирования на инфекции — все это должно быть стерильным. Но не все можно подвергать нагреву, который убил бы бактерии: те же одноразовые перчатки и бинты его не выдержат. Поэтому предприятия «Росатома» активно занимаются «холодной» стерилизацией. Спрос на этот способ растет во всем мире, ведь такому воздействию можно подвергать не только медицинские изделия, но и многие виды еды.
На Курганской ТЭЦ специалисты «Росатома» демонтировали высотные краны грузоподъемностью в 32 тонны. Для этого их разрезали мобильным лазерным комплексом (МЛК), который был в 100 метрах от металлоконструкций. Технологии высокомощных лазеров довольно давно развиваются в периметре интересов атомщиков, но находят приложение и далеко за пределами отрасли, как в этом случае
Причем в пищепроме без «холодной» стерилизации особенно трудно. До сих пор в мире примерно 14% продуктов питания портятся еще до того, как достигнут прилавка. В удаленных регионах эта проблема еще острее. Чтобы доставить туда продукты, приходится увеличивать срок их хранения.
Химические консерванты, которые обычно применяют для этого, нельзя использовать в неограниченных количествах: они могут быть вредны для потребителя. А ионизирующее излучение, которое используется при «холодной» стерилизации, продлевает срок годности в 2-10 раз и не меняет вкуса или состава еды. Кроме уничтожения бактерий и вирусов, она еще предотвращает порчу продуктов.
Но дело не только в удаленности регионов. Свежие грибы, сухофрукты и их смеси, рыбные деликатесы и многие другие продукты могут испортиться даже при умеренных сроках хранения. Подобрать химические консерванты, способные продлить срок их годности, очень сложно, и не всегда они безопасны для человека. А вот исследования влияния действия облученных продуктов на людей и животных за четверть века убедительно показали полное отсутствие негативного влияния.
Среди необычных последствий радиационной стерилизации — ее влияние на урожайность. Оказалось, если воздействовать ионизирующим излучением на семена пшеницы, они лучше всходят. Прибавка урожая на опытных делянках для пшеницы составила от 17% до 23%, кукурузы — от 21% до 27%.
Один из центров стерилизации медицинских изделий и препаратов «Эра» «Росатом»«Эра» «Росатом»
В мире уже активно применяют метод «холодной» стерилизации, в России же это направление развито значительно меньше. Ситуацию постепенно меняют новые многофункциональные центры облучения, которые создает «Росатом».
Еще одно активно развивающееся направление ядерных технологий в промышленности — ионное легирование (добавление в металл других элементов для улучшения его свойств), при котором легирующие добавки распределяются не по всей толщине материала, а по его поверхности. Такой способ позволяет получить износостойкий слой толщиной 0,8-1,5 миллиметра, причем он равномерно распределен по поверхности заготовки независимо от сложности ее формы. Развитием этого направления занимаются в материаловедческих институтах «Росатома», в частности в Институте материаловедения ЦНИИТМАШ.
Реактор-трансмутатор
По оценкам, в мире накоплено и хранится более 300 тысяч тонн отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических реакторов на тепловых нейтронах с большим содержанием минорных высокоактивных актинидов с длительным периодом полураспада. К 2045 году объемы накопленного ОЯТ на нашей планете увеличатся почти в два раза, растет спрос на решения, альтернативные промежуточному хранению. Перевод их путем трансмутации в полномасштабном реакторе-сжигателе в продукты деления — важнейшая задача для атомной энергетики.
Сокращение объемов минорных актинидов из ОЯТ тепловых реакторов — приоритетная задача атомной энергетики на современном этапе. Их трансмутация в специализированном жидкосолевом реакторе (сжигателе) — перспективный способ решения этой проблемы.
Технология обращения с долгоживущими отходами позволит с высокой эффективностью трансмутировать фракцию кюрия и америция без загрузки плутония, что позволит избежать внереакторной выдержки кюрия 70-100 лет до распада его большей части в изотопы плутония и возврата продуктов распада в замкнутый топливный цикл быстрых реакторов.
Концептуальный облик исследовательского жидкосолевого реактора, разрабатываемого в России
Разработка технологии двухкомпонентной атомной энергетики с замкнутым ядерным топливным циклом обеспечит технологическое лидерство России в реакторах IV поколения, в технологии ЖСР в рамках международного форума GEN IV.
Плазма и лазерный удар
Атомная отрасль — это не только реакторы деления ядер и связанная с ними химия, но и термояд. В рамках работы над ним атомщикам приходится сталкиваться с плазмой высоких (до сотни миллионов градусов) температур и даже с лазерами, способными создать мощный импульс. Естественно, такие технологии востребованы не только в термояде завтрашнего дня или сегодняшних исследовательских установках. Ведь воздействие плазмы на материалы может дать им качества, необходимые прямо сегодня в самых разных областях.
В научном институте «Росатома» в Троицке создали технологию двухстадийного улучшения параметров изделий из металла за счет импульсной плазменной обработки и последующего «обстрела» мощным лазером. Плазменные импульсы сперва за короткий промежуток времени нагревают поверхностные слои материала с высокой скоростью вплоть до температур плавления, а затем, благодаря высокой теплопроводности, тепло уходит в толщу металлической детали.
Плазменное упрочнение позволяет существенно поднять параметры детали даже с весьма сложной внешней формой, причем без дополнительного легирования После импульсного нагрева и охлаждения структура поверхностного слоя претерпевает изменения. При правильно подобранной нагрузке можно выбрать параметры, когда обработка увеличивает такие эксплуатационные характеристики материала, как износостойкость и твердость поверхности, усталостная прочность, а также повышает стойкость к защите от коррозии.
Ударная волна, возникающая от лазерного излучения на установке лазерного наклепа, вызывает пластическую деформацию в поверхностном слое материала, что повышает усталостную прочность изделия на 20%. В институте «Росатома» в Троицке лазерное ударное упрочнение образцов уже отрабатывают с помощью установки, дающей лазерные импульсы с плотностью мощности до 10 гигаватт/см2 при диаметре луча от одного до 10 миллиметров.
Плазма и лазер — как и ионное легирование, хотя на другой основе — могут повышать параметры готовых изделий даже со сложной формой. В Троицке предложили поступать так с деталями авиационных турбин, подшипников и других ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам во время эксплуатации.
Ядерные технологии находятся далеко не в той точке своего развития, когда все их возможности уже ясны. Трудно сказать, не появятся ли в ближайшие десятилетия новые их приложения за пределами АЭС. Но уже сегодня они громко заявили о себе — от медицины до машиностроения, от подъема урожая до трансмутации элементов.