На научной сессии Общего собрания СО РАН в ноябре 2024 года сибирские ученые и представители ГК «Росатом» рассказали об исследованиях, которые ведутся в самых разных направлениях, но объединены одной глобальной тематикой — атомом и элементарными частицами.
О взаимодействии научных организаций СО РАН и государственной корпорации «Росатом» говорил научный руководитель Национального центра физики и математики в Сарове академик Александр Михайлович Сергеев. Ученый отметил, что ГК «Росатом» — крупнейшая корпорация по атомной энергии в стране, которая в то же время может стать технологическим лидером и по другим направлениям, включающим новые материалы, развитие Северного морского пути, квантовые технологии, информационные структуры, экологию и так далее.
«В отношении науки “Росатом” имеет статус крупного заказчика с большим количеством проектов в разных областях, связанных с сибирской академической и университетской наукой. В числе приоритетных сфер научного взаимодействия — развитие новых атомных и энергетических технологий, в частности технологии замкнутого ядерного топливного цикла. Строительство атомной электростанции с реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем БРЕСТ-ОД-300 в рамках проекта “Прорыв” в Северске Томской области знаменует начало формирования нового подхода в ядерной энергетике, который разрабатывается при участии специалистов Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. Этот подход позволит решить ключевые проблемы, связанные с ядерной энергетикой: исключить тяжелые аварии на АЭС, полностью использовать энергетический потенциал уранового сырья, сделать более безопасным захоронение радиоактивных отходов и другие. Особое место в рамках проекта “Прорыв” занимает создание атомных станций малой мощности. Сегодня во всем мире эта тематика находится под пристальным вниманием ученых, прежде всего неатомных стран с развивающимися экономиками», — рассказал А. М. Сергеев.
Другое важное направление сотрудничества СО РАН и «Росатома» идет по национальному проекту «Новые атомные и энергетические технологии». Здесь, по мнению академика, исключительно важно присутствие сибирских ученых в направлении термоядерных технологий, в частности Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Институт сегодня — один из мировых лидеров по созданию инжекторов быстрых нейтральных частиц для управляемого термоядерного синтеза. В ИЯФ СО РАН также развита разработка газодинамических ловушек для удержания плазмы.
«Есть целый ряд проектов, которые выполняют сибирские академические институты в рамках соглашений с различными топливными дивизионами ГК “Росатом”, прежде всего с АО “ТВЭЛ”. Совместно с ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН” и ИТ СО РАН АО “ТВЭЛ” ведет несколько проектов в сфере нефтехимии. Помимо участия институтов СО РАН в разработках “Росатома”, стоит отметить вклад госкорпорации в работу по экспериментальной программе Центра коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов”, в особенности проведение экспериментальных исследований структурного состояния сплавов на основе железа вблизи точки плавления с использованием синхротронного излучения и терагерцовой спектроскопии. Сегодня мир находится на пороге очень важных открытий в области изучения микромира, которые могут позволить по-другому посмотреть на энергетический потенциал, поэтому “Росатом” участвует в развитии фундаментальной науки. Очевидно, что во многих научных направлениях невозможно обойтись без присутствия сибирской академической науки», — отметил академик.
В рамках взаимодействия институтов СО РАН и «Росатома» осуществляются флагманские проекты класса мегасайнс Национального центра физики и математики, в числе которых фотонная вычислительная машина при участии Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, центр исследований экстремальных световых полей при участии Института лазерной физики СО РАН, а также многофункциональный ускорительный комплекс, который создается при совместной работе с ИЯФ СО РАН.
Доклад заместителя директора Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН доктора физико-математических наук Ивана Борисовича Логашенко был посвящен фундаментальным научным результатам, полученным в ИЯФ СО РАН.
«Мы, как и многие наши коллеги во всем мире, хотим увидеть явления, которые не объясняет Стандартная модель, и увидеть их в лаборатории. Это поможет нам еще лучше понимать, как устроена физика на более маленьких расстояниях и больших энергиях», — отметил ученый. Один из очень ярких экспериментов — это измерение аномального магнитного момента мюона (АМММ). Теория предсказывает, каким образом поля влияют на аномально магнитный момент частицы, и специалистам было очень интересно посмотреть, как это согласуется с экспериментом и есть ли другие, неизвестные исследователям поля, которые могли бы свидетельствовать о так называемой Новой физике (то есть явлениях, не укладывающихся в Стандартную модель). «В таких экспериментах требуется очень высокая точность», — подчеркнул Иван Логашенко, и работы по измерению аномального магнитного момента мюона ведутся уже несколько десятилетий во всем мире, постоянно ее увеличивая.
«Если посмотреть, откуда берется вклад в АМММ от известных взаимодействий, то самый сложный вопрос связан с сильными взаимодействиями, которые дают небольшой вклад — его очень трудно посчитать. Именно неопределенность вклада сильных взаимодействий на сегодняшний момент ограничивает этот способ проверки Стандартной модели. Мы не можем посчитать всё это напрямую, но способны определить другую величину, которая измеряется в эксперименте — сечение вероятности рождения сильно взаимодействующих частиц, то есть частиц, состоящих из кварков, при аннигиляции электрона и позитрона», — пояснил Иван Логашенко. Эти процессы проходят при достаточно низких диапазонах энергий, и чаще всего в результате образуется пара пионов. Чем точнее физики измерят вероятность их появления, тем точнее можно будет определить вклад сильных взаимодействий в аномально магнитный момент мюона.
Именно такие эксперименты специалисты ИЯФ СО РАН провели на электронно-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 в нужном диапазоне энергий. На установке расположены два детектора, которые ловят частицы и проводят измерения: КМД-3 и СНД.
«После долгой, занявшей десять лет, работы, в результате которой набран огромный объем статистики, в прошлом году мы показали результат по измерению сечений рождения пары пионов в ключевой области энергии, который интересует нас в плане АМММ. Это измерение в каком-то смысле уникально по сравнению с предыдущими: анализ данных мы смогли сделать намного глубже, чем это реализовывалось раньше», — прокомментировал Иван Логашенко. Он добавил: оказалось, что результат ученых ИЯФ СО РАН разошелся с предыдущими измерениями и оказался выше на 2—5 %. «Таким образом, когда мы вычисляем вклад сильных взаимодействий в АМММ, базируясь на данных, полученных с помощью детектора КМД-3, то предсказания Стандартной модели начинают хорошо согласовываться с результатами измерения АМММ в эксперименте. Однако в связи с расхождением в измерениях возникли новые вопросы, и сейчас несколько групп ведут эксперименты в этой области, чтобы понять, почему так происходит, и чтобы подтвердить или опровергнуть результаты КМД-3», — сказал ученый.
В заключение Иван Логашенко добавил, что для дальнейшей работы нужно еще большее увеличение точности экспериментов: «Поэтому мы планируем после завершения текущего цикла сделать модернизацию детекторов, подготовить их для измерений на следующем уровне точности и провести новый цикл измерений».
«Хотелось бы отметить, что из фундаментальных исследований, инструментария и компонентов работы ИЯФ СО РАН вырастают приложения, которые используются в самых разных направлениях», — дополнил директор ИЯФ СО РАН академик Павел Владимирович Логачёв.
В докладе главного научного сотрудника Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН члена-корреспондента РАН Николая Алексеевича Прибатурина раскрывался ряд аспектов теплофизических основ атомной энергетики.
«Ядерная отрасль — одна из немногих, где Россия занимает лидирующие позиции. Однако для сохранения этого положения важно развивать двухкомпонентную атомную энергию, повышать мощность работающих атомных электростанций с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР), создавать линейку реакторов малой и средней мощности. Для повышения эффективности реакторных установок важно уделять внимание локальным процессам, происходящим при течении теплоносителя в активной зоне», — сказал Николай Прибатурин.
Исследователь подробно остановился на некоторых результатах, полученных в ИТ СО РАН. Теплофизики усовершенствовали гидродинамические тепловые процессы в тепловыделяющих сборках (ТВС) современных водо-водяных реакторов. Ученым удалось внести вклад в развитие эволюции тепловыделяющих сборок ВВЭР от ТВС-2 до ТВС АЭС-2006. В итоге эффективность реакторов возросла на 5 %, они были установлены на Нововоронежской АЭС и продолжают работать, увеличивая производство электроэнергии.
Помимо ВВЭР, существуют и другие типы установок. Ярким примером являются тепловыделяющие сборки с проволочными витыми дистанционирующими элементами, специалисты ИТ СО РАН впервые изучили их локальные течения. Эти исследования позволили увеличить производительность установок и понять физические принципы, способствующие повышению теплоотдачи.
Кроме того, теплофизики развивают базу экспериментальных данных по гидродинамическим и тепловым эффектам для валидации расчетных кодов. Благодаря методикам, направленным на замену полномасштабных дорогостоящих экспериментов на модельные, удалось обеспечить экономический и социальный эффект работы.
Разработка активных зон ядерных реакторов и тепловыделяющих сборок новой конструкции требует обоснования теплотехнической надежности, проведения теплогидравлических расчетов и сложных экспериментальных исследований. Для экспериментов необходимы современные методы измерения, они успешно внедрены в ИТ СО РАН. Эти методы основаны на лазерных, термометрических, оптических и зондовых технологиях с использованием искусственного интеллекта.
За развитие и создание научных основ теплогидравлики реакторных установок нового поколения коллектив ученых ИТ СО РАН получил в этом году премию Правительства РФ в области науки и техники.
«Дальнейшие исследования должны продолжаться только в контакте с конструкторами, технологами ядерных станций. Мы будем развивать системы диагностики одно- и двухфазных течений, тепло- и массообмена в элементах энергетических установок (используя рентгеновскую технику Центра коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов”), проводить численное моделирование на основе суперкомпьютеров и исследовать термодинамические и переносные свойства перспективных теплоносителей», — прокомментировал Николай Прибатурин.
Заместитель директора по научной и инновационной работе НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН член-корреспондент РАН Владимир Иванович Чернов рассказал о развитии в Сибири ядерной медицины.
Сейчас эта отрасль растет очень быстро. Согласно экспертным оценкам, среднегодовой темп роста применений радиофармпрепаратов (РФП) до 2030 года составит около 18 %. При этом он будет осуществляться в основном за счет терапевтических РФП для так называемой онкотераностики — использования одного и того же вектора доставки для визуализации и последующей терапии.
«Для того чтобы создать радиофармпрепарат, требуются усилия огромного количества специалистов — это и физики-ядерщики, и химики, и биологи, и медики. В Томске сложился такой коллектив, он включает Томский НИМЦ, Томский политехнический университет, а также коллег из Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (Москва), Uppsala Universitet (Швеция) и других. У нас есть все компетенции: от получения радиоизотопов и молекул адресной доставки до проведения полного цикла доклинических и клинических исследований и внедрения результатов в клинику. За последние годы мы создали 22 радиофармпрепарата к десяти молекулярным мишеням и получили на них 44 патента Российской Федерации. Регистрационные удостоверения имеют пять РФП и два генератора технеция. В фазе клинических исследований сейчас находится 14 радиофармпрепаратов», — рассказал Владимир Чернов.
Технеций считается рабочей лошадкой ядерной медицины. С его помощью выполняется более 80 % всех радиодиагностических исследований, что связано с более коротким периодом полураспада и простотой получения этого элемента. Однако при извлечении молибдена 99Mo — материнского изотопа технеция — остается огромное количество радиоактивных отходов. В Томске была создана безотходная технология получения 99Mo с помощью облучения обогащенного 9 молибдена. В настоящее время осуществляется производство его генераторов.
Сотрудники НИЦ «Онкотераностика» ТПУ вместе с коллегами разработали ряд радиофармпрепаратов для визуализации рецепторов соматостатина при нейроэндокринных опухолях (например, рака легкого), для тераностики опухолей с гиперэкспрессией простат специфического мембранного антигена и гастрин-высвобождающих пептидных рецепторов. Также они создали РФП для тераностики опухолей с гиперэкспрессией молекул клеточной адгезии эпителия и рецептора эпидермального фактора роста. Доказана высокая диагностическая эффективность применения последних при раке молочной железы.
Заведующий отделом лучевой диагностики НИИ кардиологии Томского НИМЦ доктор медицинских наук Константин Валерьевич Завадовский прокомментировал развитие ядерной кардиологии в Сибири.
Микроциркуляция крови определяет стенокардию, боли в сердце и прогноз для пациентов в большей степени, чем поражение крупных коронарных артерий. Многие сердечно-сосудистые заболевания детерминируют нарушение кровотоков на уровне микрососудов. В НИИ онкологии Томского НИМЦ разработана технология кардиовизуализации на основе технеция. За последние десять лет томские ученые опубликовали более 70 научных работ и показали возможность использования этого метода для диагностики пациентов с различной выраженностью поражения коронарного русла.
«По количеству исследований в направлении радиокардиологии на душу населения Новосибирск и Томск соответствуют общеевропейскому уровню. Но конечно, в рамках страны этого недостаточно, и наши усилия направлены на то, чтобы популяризировать этот метод диагностики и сделать его доступным для всех жителей страны», — отметил Константин Завадовский.
Директор Института археологии и этнографии СО РАН член-корреспондент РАН Андрей Иннокентьевич Кривошапкин поделился результатами применения ядерных технологий исследования радиоактивных изотопов в гуманитарных науках, в частности в археологии и истории. Радиоуглеродное датирование в Новосибирске развивалось на основе ускорительной масс-спектрометрии. Еще в 2008 году в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН появилась первая установка, начали осуществлять датирования. Сейчас в составе ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ — ННЦ» существует междисциплинарный центр, направленный на изучение археологии и древнейшей истории — ЦКП «Геохронология кайнозоя».
«Объемы выполненных датировок постоянно увеличиваются. Изучено более пяти тысяч исследовательских образцов, всего “мишеней” — более десяти тысяч. Мы имеем более 40 заказчиков по всей территории России, среди них не только научные организации и вузы, но и учреждения культуры, и даже Следственный комитет», — отметил Андрей Кривошапкин.
Действующий центр может определить возраст объектов, начиная от самых древних этапов заселения Сибири. В частности, открытием можно считать подтверждение времени заселения арктических регионов Сибири: оказалось, что первые люди там появились около 30 тысяч лет назад. Радиоуглеродные датировки были подтверждены другим методом датирования — люминесцентным.
Другое преимущество центра — возможность позволить не одиночные датировки объектов, а массированное датирование, связанное, например, с существованием археологических культур. С помощью метода ускорительной масс-спектрометрии ученые датировали памятники Барабинской культуры и погребения Саргатской культуры.
Совсем недавно ученые провели датирование мумии детеныша саблезубой кошки, найденной в Якутии. Радиоуглеродный возраст, полученный методом ускорительной масс-спектрометрии, оказался равным 31 808 ± 367 лет, что по калибровке для объектов северного полушария IntCal 20, доступной в программе OxCal 4.4, дает период жизни кота в промежутке 35— 37 тысяч лет назад.
Подробнее о методе ускорительной масс-спектрометрии и работе ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ — ННЦ» рассказала заведующая ЦКП «Геохронология кайнозоя» кандидат химических наук Екатерина Васильевна Пархомчук.
«Количество ускорительных масс-спектрометров в мире непрерывно растет: если два года назад их было 150, сейчас — 200. На территории России их всего два, и оба находятся в нашем центре. Один спектрометр швейцарского производства, исключительно для радиоуглерода, другой — российского, его сделал наш Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, и он может регистрировать и другие изотопы», — прокомментировала Екатерина Пархомчук. Кроме того, отечественный прибор гораздо компактнее и проще в обращении, чем устройства MICADAS, которые применяют за рубежом, к тому же для того, чтобы провести исследование, потребуется один миллиграмм чистого углерода.
Метод ускорительной масс-спектрометрии развивается не только в гуманитарных науках, но и в биомедицинских и экологических направлениях. Например, с помощью этого метода ученые измерили содержание углерода в годичных кольцах сосны в районе расположения Белоярской АЭС и Института реакторных материалов в городе Заречный. Данные сравнили с фоном — сосной из новосибирского Академгородка и диоксидом углерода в атмосфере Земли.
«Сейчас мы можем и должны производить ускорительные масс-спектрометры, в том числе компактные и универсальные, для других редких изотопов и подготавливать кадры для работы с ними», — подытожила Екатерина Пархомчук.
В заключение научной сессии председатель СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон напомнил о том, что сибирские ученые принимали участие в работах в интересах атомной отрасли, начиная с самого ее основания. «Роль научных институтов и вузов Сибири в создании таких технологий, подготовке кадров для отрасли неоспорима», — отметил академик Пармон.
«Наука в Сибири»
Фото Кирилла Сергеевича и Юлии Поздняковой
