17 марта 2022

Владимир Колотов, научный руководитель по направлению «Аналитическая химия» ГЕОХИ РАН: «Новые материалы для термоядерной энергетики»

Что такое нейтронно-активационный анализ и в каких случаях он незаменим, можно ли с помощью этого метода проанализировать, чистым ли воздухом мы дышим, будет ли построен термоядерный реактор, какие он даст новые возможности и какие материалы для этого реактора могут предложить наши ученые, рассказывает Владимир Пантелеймонович Колотов, научный руководитель по направлению «Аналитическая химия» ГЕОХИ РАН, член-корреспондент РАН.

– Давайте поговорим об одном из направлений вашей научной работы. Это нейтронно-активационный анализ. Что это такое, для чего нужно?

– Этот метод анализа возник в стенах нашего института еще в начале 50-х годов, хотя изначально появился еще до войны, в 1936 году. Метод реально вышел в практику, когда появился первый ядерный реактор. Это очень чувствительный метод – он позволял определять чрезвычайно низкие концентрации элементов, до 10-9 грамма (нанограммы), то есть те количества элементов, которые в то время были просто недостижимыми.

Метод был, прежде всего, востребован в ядерной промышленности, потому что нужно было контролировать в реакторных материалах «вредные» элементы, которые поглощают нейтроны и присутствие которых негативным образом сказывается на протекании ядерных реакций, а значит, на возможности использования этих материалов в реакторах. Это были первые материалы, которые, собственно, и стали тогда предметом исследований.

– Каким образом можно определять низкие концентрации этих веществ?

– Вы берете материал, облучаете его нейтронами в ядерном реакторе. В свое время использовали тяжеловодный реактор, который находился в Черемушках. В 60-80-е годы в Москве было несколько реакторов, сейчас нет ни одного. При облучении нейтронами происходит ядерная реакция: захватывается нейтрон и образуется радиоактивное ядро, которое можно зарегистрировать с очень высокой эффективностью. Вот отсюда, собственно, и возникает высокая чувствительность самого метода анализа.

– Вы говорите, что сейчас в Москве нет ни одного реактора. Каким же образом вы продолжаете свою работу?

– У нас работают коллеги в Дубне, где находится импульсный реактор «ИБР-2». Сейчас, по сути дела, в России осталось несколько ядерных реакторов – в Томске, в Дубне, которые используются для нейтронно-активационного анализа.

– Сейчас этот метод продолжает применяться?

– Метод продолжает применяться, и он уже стал рутинным. И сейчас начинает вытесняться, уступая место другим методам. В настоящее время лидером в анализе следовых концентраций элементов является масс-спектрометрия.

– Вы тоже ее применяете?

– Тоже применяем. У нас два метода: масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и атомная эмиссия. Комбинация этих методов дает возможность определять до 60-70 элементов, то есть сделать панорамный анализ разных образцов.

– Для чего это сейчас применяется? Только для ядерной промышленности?

– Нет. Начало активационного анализа действительно было связано с материалами для ядерной промышленности, потом появилась тема полупроводников. От частоты полупроводниковых материалов зависят их свойства и, соответственно, применение и возможность перехода к более совершенным технологиям. Сейчас спектр и использования методов следового анализа очень широк. Прежде всего это окружающая среда, новые материалы разной природы, наноматериалы. Это, конечно, биология, применение в здравоохранении для диагностики состояния тканей, органов.

– Расскажите об экологическом применении. Для чего здесь нужны ваши методы?

– В нашем институте применяли различные виды пробоотбора воздуха, это фильтры, которые улавливают тонкие наночастицы, аэрозоли из воздуха, планшеты. Аэрозоли являются одним из носителей микроэлементов, включая и вредные тяжелые элементы.  По концентрации разных элементов в этих аэрозолях можно оценить и возможный перенос вредных компонентов в атмосфере, их поступление в организм вместе с вдыхаемым воздухом.

– И что вы можете сказать о состоянии природы в Москве?

– В Москве ситуация более-менее нормальная, особенно после того, как тяжелая промышленность, металлургические предприятия из Москвы были выведены. Сейчас, как вы знаете, здесь нет больших заводов. Остался только один нефтеперерабатывающий завод в Капотне.

В институте есть лаборатория геохимии наночастиц, которой руководит Петр Сергеевич Федотов. Там, в частности, проводили гранулометрический и элементный анализ городской пыли. Одна из тем исследований – городская экология, анализ и диагностика городской пыли на предмет содержания вредных примесей. По данным такого анализа пыли можно судить о состоянии окружающей среды.

Но они занимались не только городской пылью Москвы, но и проводили подобные исследования в районах медеплавильных предприятий на Урале. Там, конечно, ситуация существенно хуже, чем в Москве. Эта работа позволяет построить карты распределения вредных выбросов в ареале нахождения таких предприятий. Это одна из задач, которой занимаются в институте.

– А в Москве, наверное, тоже районы отличаются?

– Отличаются, конечно. Это зависит от розы ветров. Северо-западные районы, юго-запад, запад почище, в центре и на востоке хуже. Сейчас мусоросжигательные заводы будут строиться, что тоже вызывает некоторые опасения, хотя и не слишком серьезные, поскольку там будут применяться современные технологии. К тематике экологической безопасности примыкает проблема создания термоядерного реактора, материалами для которого мы тоже активно занимаемся.

– Но ведь термоядерного реактора пока нет.

– Но он уже строится, и сейчас прошли публикации, что начинается сборка первых блоков тора, в котором будет находиться и удерживаться плазма. Это происходит на юге Франции, в Провансе. Наша страна участвует в этом проекте.

А в свое время, когда концепция термоядерного реактора создавалась, с этой идеей были связаны серьезные ожидания. Казалось, вот-вот и уже можно будет использовать энергию термоядерного синтеза. Тогда и возникла концепция использования в таком реакторе малоактивируемых конструкционных материалов или, другими словами, материалов с ускоренным спадом наведенной радиоактивности.

Конструкционные материалы в обычном ядерном реакторе облучаются нейтронами деления из топлива, за счет ядерных реакций в них образуется широкий спектр радиоактивных изотопов, а после вывода реактора из эксплуатации такие материалы надо утилизировать, перерабатывать и так далее.

В случае же термоядерного реактора, казалось бы, это чистая ядерная реакция без продуктов деления топлива, и проблем нет. Там идет не распад ядер, а синтез. Но всё оказалось не так-то просто. В результате синтеза образуются высокоэнергетичные нейтроны, которые в результате ядерных реакций также вызывают в материалах образование радиоактивных изотопов, радиационные повреждения материалов.

– Тем не менее, вы думаете, удастся обуздать термоядерную энергию?

– Со временем, конечно, да. Другой альтернативы нет. Сейчас остро стоит проблема удержания плазмы. Но физики этим занимаются и полагают, что всё получится. Недаром же они строят первый реактор, который должен продемонстрировать возможности удержания плазмы и получения энергии большей, чем затрачивается на поддержание процесса.

– Это будет принципиально новый вид энергетики?

– Абсолютно точно. Новый вид энергетики, за которой будущее. Если урановое топливо исчерпаемо, то топлива для термоядерного реактора практически хватит надолго.

– И ваши материалы, ваши методы здесь совершенно незаменимы?

– Мы полагаем, что да. Потому что в этом случае малоактивируемые материалы, которые могут быть использованы в реакторе, приведут к его заметно большей экологической безопасности и безотходности.

– Вы работаете здесь практически всю свою научную жизнь…

– Абсолютно точно. Я работаю в институте с 1974 года, скоро будет 50 лет. Долгое время работал с Эриком Михайловичем Галимовым, был заместителем директора, исполняющим обязанности директора, а сейчас – научный руководитель по направлению «Аналитическая химия».

– Каково работать всю жизнь в одном институте?

– С одной стороны, это хорошо, потому что ты всех знаешь, знаешь историю института. По сути дела, здесь находишься как во второй семье. С другой стороны, если опираться на западные практики, когда человек должен сменить по жизни множество организаций и в каждой он приобретает что-то новое, у меня этого не было. Хотя я не могу сказать, что не узнавал здесь что-то новое и не двигался вперед. У нас в этом отношении свобода творчества – занимайся, чем хочешь. Поэтому мне всегда было здесь интересно и комфортно. Это определяется еще, наверное, свойствами характера. У меня так сложилось, и я никогда об этом не жалел.