В Алматы расположена настоящая цитадель высокой науки — Институт ядерной физики, где будут проходить подготовку кадры для первой казахстанской АЭС. Журналист Ulysmedia.kz побывал в ИЯФ и узнал, как учёные используют мирный атом в самых разных целях: от изучения прорывных технологий до спасения человеческих жизней.
ИЯФ — единственное учреждение в Казахстане, где реализован полный цикл научно-исследовательских работ по ядерной физике. Почти за 60 лет здесь сменились три поколения исследователей.
Реактор ВВР-К, который находится в институте, — прототип того, который будет использоваться на первой казахстанской АЭС. Его построили ещё в 1967 году, и на атомной электростанции «Балхаш», вероятно, будут использовать более современные технологии. Но принцип работы реактора — такой же, как на будущей станции.
— За 60 лет работы ни единого нарушения здесь не было. МАГАТЭ контролирует нас, как и атомные электростанции. Требования для исследовательского реактора и для реактора АЭС одинаковы, нет никаких послаблений. Принципиальная разница в том, что атомная электростанция вырабатывает только электроэнергию, а на исследовательском реакторе выработки энергии нет. Все исследовательские работы проводятся здесь, в том числе производство радиоизотопов для медицины, — рассказал Саябек Сахиев, генеральный директор Института ядерной физики.
Реактор в ИЯФ — намного менее мощный, чем на будущей АЭС. Сначала он работал на высокообогащённом уране, а с 2016 года перешёл на низкообогащённый, который можно использовать только в мирных целях. Реактор работает не круглый год: его отключают на неделю каждый месяц, а летом — сразу на два месяца. Сейчас устройство как раз готовят к очередной паузе и профилактическим работам.
Прямо сейчас учёные ИЯФ работают над первым в Казахстане научным мегапроектом по установке высокопоточного источника ультрахолодных нейтронов. Если такой источник впервые появится именно здесь, это будет заявка на открытие мирового уровня, тянущее на Нобелевскую премию. Не зря тремя из семи научных проблем, необходимых для достижения термоядерного синтеза, занимаются именно в Институте ядерной физики.
В институте рассчитывают, что срок эксплуатации реактора продлят ещё на 15 лет. И ждут, когда построят новый: такое поручение дал президент Касым-Жомарт Токаев.
Топливо для всех атомных реакторов по-своему уникально: хотя уран внутри везде один и тот же, сами элементы имеют особую форму. Это делают специально, чтобы обеспечить потребность каждой конкретной станции и пресечь нездоровую конкуренцию. Поэтому если в Казахстане будет три АЭС, то для каждой из них топливный стандарт будет уникальным.
В топливных элементах для реакторов АЭС сгорает лишь 8–9% урана — всё остальное становится отработанным ядерным топливом. В реакторе ИЯФ сгораемость удалось довести до рекордных 45%. Это одно из важных направлений исследований: ведь если топливные элементы будут работать дольше, а отработанное топливо удастся использовать повторно, это на много лет продлит стабильную работу атомных станций по всему миру. А Казахстан на одной переработке топлива мог бы зарабатывать миллиарды долларов.
Элементы для исследовательского реактора в ИЯФ сейчас поставляют из России. Но руководство института надеется, что в будущем Казахстан сам сможет производить топливо для собственных атомных станций.
— Самое дорогое в стоимости АЭС — это топливо. И, по моему мнению, Казахстану нужно производить собственное топливо. Тогда и цена электроэнергии, выработанной на АЭС, будет у нас самой низкой в мире, — подчеркнул Саябек Сахиев.
Один из самых важных проектов для ИЯФ — разработка малых модульных реакторов для атомных электростанций в Казахстане. Это, возможно, займёт около десятилетия, но есть неплохие шансы на то, что третья или четвёртая АЭС в стране уже смогут работать на базе отечественных разработок.
— Для разработки малых модульных реакторов казахстанского образца потребуются годы. Но мы надеемся, что в будущем сможем построить наши, собственные реакторы. Мы сейчас сотрудничаем в этой области с японскими коллегами, с представителями других стран. До конца года у нас появится симулятор малого модульного реактора, — отметил Саябек Сахиев.
Без опытных кадров будущая казахстанская АЭС не останется — здесь готовят лучших экспертов по ядерной физике в стране. Стажироваться в ИЯФ приезжают даже зарубежные специалисты, в том числе из престижных университетов США. Сегодня в институте работают более семисот человек, из них 30% — молодые специалисты в возрасте до 35 лет. 85 человек — с учёными степенями докторов, кандидатов наук и PhD.
Хотя реактор в институте не вырабатывает энергию, требования по безопасности к нему такие же, как на АЭС. И схема управления — тоже практически идентичная. Поэтому пульт управления этим реактором, так называемый критический стенд — отличный тренажёр для будущих работников АЭС «Балхаш».
— Этот пульт настолько прост, что даже если самый хулиганистый хулиган придёт и решит слить воду, опустить все источники нейтронов, поднять все графиты, аварии не произойдёт. Зато каждый человек будет понимать, как повлияет каждый процесс. Вот почему это тот самый центр, где будет проходить подготовку каждый человек с высшим образованием, который будет работать на атомной электростанции. Здесь можно понять основы основ, — подчеркнул Саябек Сахиев.
Критический стенд в алматинском ИЯФ считается настолько удобным для обучения специалистов, что сейчас по его образцу собираются строить аналогичные устройства в Южной Корее.
Проекты, которые сейчас разрабатывают в институте, могут в корне изменить экономику Казахстана. И речь идет не только о создании полупроводников и микрочипов для электроники. Уже сейчас в ИЯФ выполняют множество задач по практическому применению «высокой науки», вплоть до контроля качества материалов, из которых делают обшивку самолётов.
Ещё одно применение ядерных технологий — так называемый неразрушающий контроль. С помощью анализа на уровне мельчайших частиц проверяют, например, качество сварки труб на важных промышленных объектах. Ошибка на сотую долю миллиметра может привести к крупной аварии — поэтому при строительстве АЭС «Балхаш» к экспертам из института будут обращаться для проведения исследований. Примерно 5% от стоимости будущей АЭС — это именно работы по неразрушающему контролю.
Даже промышленные стоки можно обрабатывать с помощью радиационных технологий и безопасным для человека образом превращать в техническую воду для полива растений. Причём институт уже сейчас может внедрить такую технологию в городах Казахстана — был бы запрос у акиматов.
В институте используют три технологии, которые могут определить состав любого вещества. С их помощью в центре комплексных экологических исследований проверяют образцы воды и почвы, а также исследуют геологические пробы. Сейчас, когда особую важность приобретают редкоземельные металлы, это крайне перспективное направление исследований. Пробы изучают и в целях промышленной безопасности, например, на урановых рудниках.
— В Казахстане уже нет таких территорий, где уровень радиоактивности был бы чересчур опасен. Но в некоторых случаях нам привозят технологические пробы с предприятий, и мы с ними соответствующим образом обращаемся. У нас представлены геологические, биологические пробы, образцы почвы, — рассказала Мария Севериненко, начальник центра комплексных экологических исследований ИЯФ.
Ядерщики помогают не только экологам и геологам, но и археологам. Благодаря атомным технологиям они не только определяют возраст археологических находок, но и анализируют их состав. Например, учёные могут обнаружить редкие надписи под толстым слоем ржавчины или вулканического пепла. Или определить, сколько лет краске с древних фресок.
В институт даже привозили на исследование образцы волос членов царской семьи Романовых из России — чтобы проверить версию, не были ли они отравлены. Казахстанские учёные провели анализ и передали полученные результаты российским историкам. Так физика пересекается с гуманитарной наукой.
Разработки учёных ИЯФ используют и для того, чтобы спасать человеческие жизни. Это единственное место в Казахстане, где налажено производство реакторных радиофармпрепаратов, аккредитованное по международному стандарту GMP. Институт выпускает и поставляет в медицинские центры четыре препарата, в том числе на основе йода-131 и молибдена-99/технеция-99m. Эту продукцию используют для лечения и диагностики более чем 18 тысяч пациентов каждый год.
Препараты, которые производят в ИЯФ, используют в Алматы, Астане, Шымкенте и других городах Казахстана. Недавно институт договорился об их поставке в Кыргызстан. Промышленный радиоизотоп кобальт-57 у ИЯФ закупает всемирно известная французская компания Orano. Другие изотопы поставляют во Францию, Германию, США, Россию, Турцию, Кыргызстан.
Сейчас циклотрон Cyclone-30, на котором производят изотопы, полностью загружен выпуском препарата фтор-18, спрос на который в Казахстане стабильно растёт. Особенность фтора-18 в том, что «живёт» он очень недолго. Всего за десять часов препарат нужно произвести, провести контроль качества и отправить в медучреждение. Поэтому главное направление его поставок — Алматы. Но и в другие города страны фтор-18 можно доставить за два-три часа.
— Эти препараты используются для терапии заболеваний щитовидной железы. Даже если у рака щитовидной железы пошли метастазы, с помощью наших радиофармпрепаратов это лечится, — пояснил Андрей Гурин, заместитель начальника научно-технического Центра радиохимии и производства изотопов ИЯФ.
Каждый контейнер для перевозки радиофармпрепаратов выглядит как небольшое ведёрко. Вот только весит оно около двадцати килограммов: радиоактивная «начинка» надёжно защищена слоем свинца толщиной в несколько сантиметров, чтобы обезопасить персонал от излучения при перевозке.
Изотопы применяются не только в медицине, но и в промышленности. До конца 2026 года в ИЯФ рассчитывают начать выработку лютеция-177, который планируют экспортировать в Россию (в Казахстане пока нет необходимых условий для его практического применения). А в будущем институт надеется запустить производство редкого изотопа актиний-225, который используют для инновационного лечения рака. Его стоимость доходит до 80 млн долларов за один грамм.
У руководства ИЯФ большие планы на будущее. Институт станет частью целого наукограда с университетами, школами, научными центрами и жилыми кварталами. А в 2028 году на базе Института ядерной физики пройдёт престижная международная конференция: порядка 400 ведущих учёных-ядерщиков со всего мира соберутся в Алматы.