Физика

«Атомная отрасль была, есть и будет наиболее квалифицированным и требовательным потребителем достижений»

В первый день Общее собрание РАН атомизировалось
«Атомная отрасль была, есть и будет наиболее квалифицированным и требовательным потребителем достижений»

Николай Малахин/Научная Россия

Что такое «сахаровская слойка» и с чем ее едят, в каких отраслях достижения атомного проекта СССР пригождаются и сейчас, что такое морская ядерная энергетика, каково будущее водородных технологий и можно ли лечить суставы радиоизотопами, читайте в репортаже Indicator.Ru с первого дня Общего собрания РАН.

«Творцы этой науки даже не представляли, насколько их открытие изменит жизнь на планете. Но все в корне изменилось в конце 1938 года. когда была направлена в печать статья двух немецких ученых, Штрассмана и Гана, про расщепление урана при бомбардировке нейтронами. Оказалось, что энергия вылетающих частиц гораздо больше той, которая приводила к делению атомного ядра. Так был экспериментально открыт источник колоссальной энергии, и сразу же впереди замаячила и новая энергетика, и новое оружие», — начал с исторического экскурса президент РАН Александр Сергеев свою речь на собрании, посвященном атомной отрасли. К юбилею отдельной отрасли заседание приурочили впервые. Рассказываем, что же на нем обсуждали.

Как все начиналось

Создание российской атомной промышленности отсчитывается от 1945 года, когда правительство учредило Специальный комитет при Государственном комитете обороны СССР для руководства работами по «атомному проекту», а также Первое Главное управление при Совете народных комиссаров СССР. Однако Лаборатория № 2 АН СССР, которой руководил Игорь Курчатов, появилась еще в 1943 году (в 1955 она станет Институтом атомной энергии Академии наук, который мы знаем как Курчатовский).

Гонка вооружений набирала обороты: в 1945 году на Потсдамской конференции Сталин узнал от Трумэна о появлении у американцев «оружия необыкновенной разрушительной силы». Как рассказал академик РАН Радий Илькаев, к 1949 году, к моменту создания первой советской атомной бомбы РДС-1, США уже располагали ядерным арсеналом в 170 зарядов на основе плутония. К 1953-му у американцев было вдесятеро больше зарядов, чем у СССР, а еще 1800 бомбардировщиков для их доставки. Работало все на принципе имплозии — направленного вовнутрь взрыва. Продвигались и разработки соперников в создании термоядерного оружия большей мощности.

В это время развитие получил проект Андрея Сахарова, который предлагал покрыть плутониевое ядро несколькими оболочками из урана и дейтерия (тяжелого изотопа водорода), который затем заменили на дейтерид лития. Эта конструкция получила названия «Сахаровская слойка» — да, ни сахар, ни выпечка к ней отношения не имели. «Таким образом, Советский Союз справился с задачей по созданию принципиальных научных основ разработки атомного и термоядерного оружия», — заключил Илькаев.

Разработки подстегнули прогресс в областях от вычислительной математики до энергетики, от физики взрыва до физики атомного ядра, от онкологии до радиохимии. Технологии мирного атома пригодились и энергетикам, и медикам. Но главным достижением отрасли за прошедшие три четверти века Александр Сергеев все же назвал обеспечение мира на планете. С атомным оружием ставки стали слишком высоки, чтобы затевать мировые войны.

Плазма и лазеры

О физике взрыва и экстремальных состояниях вещества рассказал академик Борис Шарков. По его словам, эта отрасль стала намного более значимой при создании ядерного оружия. Экстремальные состояния вещества во время Большого взрыва оказались приближены к тем, что ученые получают в коллайдера при столкновении атомных ядер.

Надо отметить, что 98% видимой материи находится в состоянии плазмы с очень высокой плотностью и давлением. <…> Способом создания экстремального состояния вещества в лаборатории и реализации огромного количества явлений, которые нас окружают, становятся ударные волны — волны сжатия, которые распространяются по среде, переводя ее в более плотное состояние.

Борис Шарков

Вице-директор ОИЯИ

Появились специальные центры для анализа того, как и с какой скоростью волны сжатия распространяются при имплозии.

Изучаются столкновение потоков дейтериевой плазмы, ионизация дейтерия до металлического состояния, управляемые магнитными полями ударные волны, сжатие плазмы при гигабарах давления. Новым словом в этой области стали интенсивные ионные пучки, которые позволяют генерировать экстремальное состояние вещества в воспроизводимых условиях и без ударного сжатия, сохраняя его изначальный объем. Такие эксперименты проводились под руководством Владимира Фортова на мощных установках. Другой способ добиться тех же состояний вещества без ударных волн — комбинированное воздействие сверхмощных импульсов лазеров на свободных электронах и сверхъяркого синхротронного рентгеновского излучения. Подобные эксперименты расширяют наши знания о свойствах материи и позволяют моделировать астрофизические объекты в лаборатории.

Одними из самых перспективных сейчас считаются лазеры с диодной накачкой, которые сочетают компактность и эффективность. Они обеспечивают высокое качество излучения с высокой фокусировкой и монохромностью. По словам академика Сергея Гаранина, благодаря сотрудничеству РАН и Росатома Россия занимает лидирующую позицию в мире по этому направлению. В Сарове была создана установка «Луч», на которой физики продемонстрировали, что все отечественные комплектующие позволяют построить мегаджоулевую лазерную установку. Ученые выполнили большой объем работ с плоскими мишенями, чтобы волна в них распространялась равномерно, также проводятся эксперименты по ударной сжимаемости материалов. «Сотрудничество с теоретиками и мишенщиками из ФИАНа позволило нам сделать новые типы мишеней, которые позволили получить ударную сжимаемость при давлениях свыше 10 Мбар и достичь скорости ударной волны 30 километров в секунду», — поделился успехами Гаранин. Также он рассказал о том, что при помощи терагерцового излучения удается получать изображения объектов, находящихся за оптически непрозрачными преградами, и о двух фемтосекундных лазерных установках PEARL (одна в Сарове, другая — в Нижнем Новгороде), на выходе из которых импульс сжимается до исходной длительности. Но самым впечатляющим станет мегасайенс-проект XCELS — Международный центр исследования экстремальных световых полей на базе субэксаваттного лазера. Это будет 12-канальный лазерный комплекс с суммарной пиковой мощностью до 200 ПВт, что намного превышает мировой рекорд. Уже завершается проектирование установки, на которой можно будет изучать пространственную структуру вакуума, разрабатывать компактные ускорители ионов с энергией 0,1–10 ГэВ, создавать источники электромагнитных волн аттосекундной и субаттосекундной длительности, изучать явления квантовой электродинамики, ядерной оптики и многое другое.

Математика и безопасность

Большую роль в атомной отрасли играет и вычислительная математика, что стало понятно еще на заре советского атомного проекта. На этой базе выросли мощные коллективы в области прикладной математики и программирования — группа ИПМ РАН и ВНИИТФ в Снежинске, в Сарове — разработчики отечественного пакета программ «Логос». Эти программы позволяют моделировать сложные технические устройства, такие как лазерный термоядерный синтез, повысить точность расчета аэродинамических характеристик самолетов. При помощи системы автоматического распараллеливания удалось решить проблему высокопроизводительных вычислений, когда эффективность теряется из-за того, что в каких-то узлах скапливается слишком много работы. Расчеты в области молекулярной динамики стали инструментом моделирования свойств материалов.

«Атомная отрасль была, есть и будет наиболее квалифицированным и требовательным потребителем достижений в области информационных технологий, прикладной математики, математического моделирования», — заявил академик Борис Четвертушкин, добавив, что большие возможности влекут за собой и потенциальные риски, например кибератаки и техногенные катастрофы. Поэтому большую роль надо уделять планированию систем защиты, развитию «умных реакторов» и других технологий безопасности.

Безопасности и двухкомпонентной ядерной энергетике, которая позволяет сократить количество обогащенного урана для реакторов, посвятил свой доклад Евгений Адамов, доктор технических наук и научный руководитель нескольких крупных проектов, бывший министр по атомной энергии РФ. Он заявил, что стране нужны новые технологии, чтобы сохранить звание главного экспортера атомной энергии. Продолжая работать с реакторами открытого цикла, мы проиграем Китаю и Корее, которые развивают более быстрые и дешевые подходы. «Системные проблемы ядерной энергетики — тяжелые аварии, низкая эффективность использования уранового сырья, накопление отходов, утрата конкурентоспособности — могут быть решены, если к существующей атомной энергетике на тепловых реакторах добавить реакторы на быстрых нейтронах при замыкании ядерного топливного цикла. Когда мы переходим к замыканию, мы начинаем балансировать эти две ветви и постепенно замещать энергоблоки, как тепловые, так и на быстрых нейтронах, блоками повышенной безопасности и эффективности», — считает Адамов.

По мнению академика Степана Калмыкова, решить задачу токсичных отходов могут радиохимики. Среди их разработок — пьюрекс-процесс (экстракция урана из растворенных переработанных ТВЭЛов), направленная модификация лигандов, технологии отверждения отходов. Наука о материалах тоже предлагает свои услуги ядерной отрасли. Большое развитие в последнее время получило компьютерное моделирование радиационной повреждаемости материалов. «Развитие этих методов позволяет рассчитывать позитивный результат. Исходя из этого, мы сможем стать конкурентоспособными на всемирном уровне, потому что на 2021 год стоит задача получить параметры ниже, чем 25 микрон коррозионного износа в год, что позволяет проектировать реактор на другие условия», — добавил профессор НИТУ «МИСиС» Алексей Дуб.

На суше, на море, в космосе

Доктор физико-математических наук Виктор Ильгисонис в своем докладе рассказал о термоядерной энергии и токамаках — области, в которой СССР тоже лидировал в 1950–1970-х годах. Он объяснил теперешний застой в исследованиях тем, что когда-то токамак «победил» другие варианты устройств из-за технологической простоты: «Протекающий по плазме ток в тороидальном направлении обеспечивает как формирование магнитной конфигурации (которая является идеальной ловушкой для идеального токамака, для осесимметричного удержания заряженных частиц плазмы), так и одновременно этот ток осуществляет ее нагрев». Но это же и задерживает дальнейший прогресс, так как другие устройства должны быть концептуально гораздо сложнее.

О водородной энергетике рассказал академик Николай Пономарев-Степной. По его словам, мировая потребность в водороде к середине нашего столетия составит 0,5 млн тонн в год, а около 70 миллионов тонн водорода производится ежегодно уже в наши дни. Водородная энергия экологична в производстве (более перспективным путем для которого считается расщепление метана, а не воды, как мог бы подумать читатель). «Россия, располагая практически неограниченными сырьевыми ресурсами водорода и ядерного топлива и базой знаний по атомным и водородным технологиям, способна занять лидирующие позиции в глобальном безуглеродном, экологически чистом производстве водорода», — заявил Пономарев-Степной, добавив, что эти технологии могут отлично прижиться в двигателях морских судов и наземного транспорта.

С докладом о малых ядерных установках, которые использовались еще на подлодках в СССР, плавучих и готовящихся к запуску в космос, выступили сразу несколько спикеров. Советские атомные подводные лодки проекта 705, которым руководили сразу четыре академика, стали мировым прорывом, считает академик Ашот Саркисов. По его словам, в мире только сейчас начали развиваться аналогичные технологии малых АЭС — например, для энергоснабжения отдаленных районов. В отдельные годы в СССР производилось до 10–12 атомных подлодок, которые ни в чем не уступали зарубежным по своим характеристикам, что сделало страну «неуязвимой с морских направлений» и помогло «обеспечить наш паритет в ходе холодной войны с США». Увы, сейчас старые подлодки выводятся из эксплуатации, а строительство новых замедлилось. С другой стороны, развивается направление плавучих энергоблоков — «Академик Ломоносов» в исполнении Росатома уже введен в эксплуатацию в Певеке год назад. За это время он выработал 85 млн кВт. «Мы как минимум на 15 лет опережаем своих конкурентов. Есть сотрудничество и с академической, и с отраслевой наукой», — подчеркнул заместитель председателя ОКБМ имени И.И. Африкантова Виталий Петрунин.

Еще при СССР ряд реакторных установок прошли летно-космические испытания, затем некоторое время велись концептуальные разработки в этой области. Сейчас исследования сосредоточены на установках мегаваттного класса при участии Росатома, Курчатовского института и других учреждений. Уже проведены ключевые расчеты, построены модели основных процессов установки — теплообмена и газодинамики, нейтронной физики, прошли эксперименты по верификации расчетов, изготовлены полномасштабные макеты.

Ядерная медицина и радиобиология

Не забыли академики и о ядерной медицине. Первые исследователи радиоактивных элементов и первые пациенты радиотерапии получали повреждения и ожоги. Радий-226 могли вводить в опухоль через трубочки (этот метод только недавно отменили в одной из старых больниц Калининграда, кстати). Только позднее появилась брахитерапия — метод контактного лечения, при котором излучающие источники имплантируются в зону локализации опухоли. Сейчас лечение проводится иодом-125 (производится самостоятельно в России с 2016 года), палладием-103, цезием-131 и другими изотопами.

«Мы первый институт в мире, который применил эти методы для лечения рака поджелудочной железы. У нас с приличными результатами прошли 20 пациентов, которым было отказано в хирургическом лечении в других странах. Коллеги из Польши тоже хотели испытать подобную технологию, но у них из пяти участников — пять смертей. Дело в нашем тесном взаимодействии с хирургической школой», — рассказал академик РАН, главный внештатный онколог Минздрава России, генеральный директор ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России Андрей Каприн.

По радиойодтерапии самый большой опыт в стране накоплен в городе Обнинске, где работа ведется с 1982 года. Сейчас там получает помощь почти половина больных раком щитовидной железы. Помимо разработки новых радиофармпрепаратов, Каприн рассказал о и о других направлениях, например лечении воспаления суставов — радиосинвэктомии (внутриполостном облучении синовиальной оболочки β-частицами), которая обладает 90%-м успехом. В России для этого уже создано два препарата.

Меры защиты населения от ионизирующего излучения член-корреспондент РАН Александр Самойлов считает весьма успешными. По его статистике, на территории бывшего СССР и России за 1949–2016 годы было зафиксировано 352 радиационных инцидента, в которых пострадало более 700 человек. Ликвидация последствий Чернобыльской аварии стала ценным опытом, на нее удалось среагировать максимально оперативно. В результате медики впервые в мировой практике разработали классификацию лучевой болезни, сформулировали принципы биодозиметрии, придумали эффективные схемы лечения костномозговых поражений. Появилось новое направление — местная терапия местных лучевых повреждений мезенхимальными стволовыми клетками. Ситуация продолжает улучшаться, и даже работать в отрасли стало безопаснее: за последние годы среди сотрудников Росатома не было зафиксировано случаев острой лучевой болезни.

Ядерный мир или ядерная война?

Напоследок докладчики обсудили геополитическую обстановку. Еще Курчатов призывал сделать атом «рабочим, а не солдатом», однако с реализацией этого призыва до сих пор проблемы. Отношения между двумя крупными (а в прошлом — единственными) ядерными державами, Россией и США, не идут на лад. По оценкам академиков, они будут ухудшаться в ближайшем будущем.

«Мы наблюдаем кризис стратегической стабильности, который неуклонно расшатывается. Особенно это связано с контролем систем вооружения», — заявил академик Алексей Арбатов, добавляя, что «мы живем в полицентричном ядерном мире». Несмотря на все попытки поставить ядерные вооружения под контроль, договор СНВ-3, вступивший в силу в 2011 году, с новыми условиями сокращения и ограничения стратегических наступательных боезапасов, далеко не идеален. «Пока никто и никогда не предложил хоть сколь-нибудь адекватной схемы всестороннего ядерного разоружения», — посетовал Арбатов. К критике договора присоединился и академик Сергей Рогов. «У обеих стран на вооружении есть небольшое количество неразвернутых ракет и бомбардировщиков, которые в случае кризиса могут быть "дозагружены" боезарядами», — заметил он.

Вернемся ли мы в напряженную ситуацию холодной войны и гонки вооружений? С одной стороны, мы только что обсудили, сколько мирных технологий и совместных международных проектов из нее выросло. Хотелось бы верить, что это было не зря и что страны стали ближе к сотрудничеству и способнее к диалогу.

Indicator.Ru

Мнение

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.