Степан Калмыков — один из тех ученых, которые стирают грань между «чистой» наукой и технологиями, меняющими мир. Когда-то открытие Анри Беккереля казалось лишь любопытным фундаментальным явлением. Сегодня благодаря трудам радиохимиков оно лежит в основе самых сложных задач человечества: от безопасной атомной энергетики до терапии рака.
Лауреат премии «Вызов-2025» в номинации «Ученый года», академик РАН, декан химического факультета МГУ Степан Калмыков рассказал «Ъ-Науке», как его команда сокращает сроки хранения ядерных отходов с миллионов лет до сотен, как радиохимия создает новые лекарства и почему разделение отходов — это «высокотехнологичный раздельный сбор мусора».
— Степан Николаевич, премия «Вызов» вручается за прорывные технологии будущего. Как вы считаете, почему именно фундаментальная радиохимия, которой вы занимаетесь, сегодня становится технологией будущего, определяющей развитие целых отраслей?
— В этом вопросе фактически кроется основа дискуссии, которую мы слышим сейчас повсеместно: какая наука важна и какую науку нужно финансировать — фундаментальную или прикладную? На мой взгляд, градация науки на фундаментальную или прикладную не очень неправильно, и это как раз показывает пример моей науки — радиохимии.
Когда-то в 1896 году нобелевский лауреат Анри Беккерель поведал о засвечивании фотопластин, которые контактировали с соединениями урана, и это фактически было открытие радиоактивности. А потом в течение десятилетий это были фундаментальные открытия в области ядерной физики, радиохимии, радиобиологии и других наук — открытие видов радиоактивного распада, механизмов взаимодействия излучения с материей, новых ядерных частиц и ядерных реакций. И только на рубеже 1930–1940-х годов после открытия нейтрона и возможности деления ядер урана под их действием человечество разработало ядерное оружие и почти одновременно мирный атом. И это определило научный, технологический и геополитический ландшафт в ХХ веке и продолжает определять в ХХI веке.
Поэтому вопрос просто в горизонте того, когда, как и что человечество использует в виде новых технологий или изделий. Поэтому я не могу сказать, что я занимаюсь именно фундаментальной радиохимией: фундаментальные исследования превращаются в разработки. Направления моих исследований — ядерная энергетика нового поколения, которая обеспечивает минимизацию образующихся радиоактивных отходов, то есть решение экологических задач, а соответственно, и экономических: безопасное хранение отходов в течение 300 лет или 1 млн лет — это очень большая разница. Или направление, связанное с ядерной медициной,— это новые радиофармацевтические препараты уже в ближайшие годы.
— Ваша работа сокращает необходимый срок хранения радиоактивных отходов с миллионов лет до сотен. Как на практике происходит это «разделение судьбы» изотопов с помощью селективных экстрагентов или сорбентов и насколько близко мы к внедрению такой технологии в замкнутый ядерный цикл?
— Я часто привожу студентам пример: технологии фракционирования радиоактивных отходов, которые мы разрабатываем,— это как раздельный сбор мусора, только высокотехнологичный. У разных радионуклидов своя судьба, и многие могут быть использованы с пользой: делящиеся нуклиды можно «дожечь» в реакторе, короткоживущие — захоронить. Разделение этих радионуклидов делается с помощью экстрагентов или сорбентов. Поиск тех, которые будут селективны и эффективны,— задача современной радиохимии.
Я очень надеюсь, что внедрение этих подходов в реальных технологиях — это вопрос самого ближайшего времени: «Росатом» скоро запустит опытно-демонстрационный центр, цель которого фактически в режиме небольшого завода опробовать новые технологии на практике. И тут дремать нельзя: наши конкуренты из других стран идут точно такой же дорогой, и мы не должны упустить наше технологическое лидерство.
— Какой реалистичный сценарий обращения с отработавшим топливом в России вы видите на горизонте 20–30 лет благодаря этим разработкам?
— Основная задача — создание энергосистемы четвертого поколения с двухконтурной ядерной энергетикой. Мечта — два типа реакторов, и отработавшее ядерное топливо реакторов на тепловых нейтронах становится топливом для быстрых реакторов. Мы минимизируем сырьевую зависимость, и отходы становятся сырьем. Причем это задача не 20–30, а пяти—десяти лет, иначе мы отстанем от наших конкурентов на мировой ядерной арене.
— Как фундаментальное знание о формах миграции радионуклидов позволяет проектировать эффективные геохимические барьеры? И для защиты каких объектов это наиболее актуально?
— Как бы мы ни сокращали объемы радиоактивных отходов, они все равно будут. И важнейшей задачей является минимизация их воздействия на биосферу. Кроме того, есть важнейшая технологическая задача — безопасный вывод из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов: старых, отслуживших свой срок реакторов, комбинатов, очистка загрязненных территорий.
У нас в стране, как, впрочем, и в мире, согласно критериям МАГАТЭ, принята многобарьерная система защиты, которая включает захоронение тех или иных объектов в подходящей, непроницаемой геологической среде. Кроме того, создаются инженерные барьеры безопасности, предотвращающие неконтролируемое распространение радионуклидов в биосферу. Для создания таких барьеров и завес используется принцип природоподобия — применяются природные материалы, такие как глины, которые обладают превосходными изолирующими свойствами. Состав таких глин является критическим параметром, определяющим надежность таких барьеров, и мировой опыт показывает, что превосходными характеристиками обладают смектитовые глины, которые разрабатываются на многих месторождениях в России.
— Ваши работы отмечены не только за прорыв в энергетике, но и за вклад в медицину. Почему именно ваши радиохимические методы стали ключом к производству таких дефицитных терапевтических изотопов, как радий-223 и актиний-225? В чем заключалась основная технологическая сложность?
— В этих вопросах тоже управляет радиохимия — подходы, которые мы используем для разделения радионуклидов в ядерной энергетике, для разделения и глубокой очистки медицинских радионуклидов. Задача — выделить быстро, с высокими выходами и высокой чистотой тот или иной радионуклид из сложной смеси других радионуклидов. Точно так же нужны высокоселективные и эффективные экстрагенты или сорбенты, пусть немного другие, но принципы остаются те же.
Сейчас основной рост рынка ядерной медицины связан как раз с такими терапевтическими изотопами, как радий-223 и актиний-225. Вместе с ведущими учеными из Института ядерных исследований РАН мы в свое время разработали простую и эффективную технологию наработки этих изотопов на ускорителях протонов и их выделения из мишеней.
— Ваши работы охватывают энергетику, экологию и медицину. Какая из этих сфер, на ваш взгляд, получит самый революционный импульс от развития радиохимии в ближайшие годы?
— Я думаю, что приоритизация тут сложна: мы не сможем жить без дешевой, экологичной (минимум отходов) энергетики (даже если не рассматривать растущий стремительно спрос на электроэнергию в связи с развитием искусственного интеллекта), мы не можем жить без чистой окружающей среды — воздуха, воды и почвы, и мы не можем жить без современной медицины, позволяющей на ранней стадии эффективно диагностировать основные заболевания — сердечно-сосудистые, онкологические и нейродегенеративные. Успех этого лежит в значительной степени (но не целиком, конечно) в решении важнейших научных задач в области радиохимии, радиохимической технологии и других науках.
— Какой главный вызов стоит сейчас перед радиохимией как наукой?
— Вызовы — минимизация радиоактивных отходов, безопасность ядерной энергетики и эффективные методы ранней диагностики и лечения с помощью радиофармпрепаратов.