Будет ли в Казахстане развиваться ядерная физика?

Здесь постоянно трудятся около 700 специалистов, смонтировано уникальное оборудование и, что самое главное, в последнее время наблюдается приток молодых учёных. Корреспондент informburo.kz получил возможность ознакомиться с работой ускорителей элементарных частиц, главная задача которых – производство радиоизотопов для промышленности и медицины. В ближайшие годы Казахстан может занять свою нишу на этом специфическом международном рынке.

В советские времена ядерная физика в Казахстане была одним из самых развитых научных направлений. Два крупных исследовательских центра находились на Семипалатинском ядерном полигоне и в посёлке Алатау, расположенном в 20 километрах от Алматы. Сейчас былые масштабы поражают воображение – в Институте ядерной физики в 80-е годы работали полторы тысячи человек, для которых даже был создан отдельный научный городок, сюда возили иностранные делегации, а направления, по которым работали учёные, относились к наиболее передовым в мире.

Впоследствии от центра отделились Физико-технический институт и Институт физики высоких энергий. Оставшийся кадровый состав по большей части удалось сохранить, и, к чести наших специалистов, надо отметить, что они за четверть века независимости не только поддерживали в рабочем состоянии уникальное советское оборудование, без которого ядерная физика просто не может существовать, но и по возможности старались не потерять контакты с российскими коллегами.

– У нас несколько совместных международных проектов – проводим научные исследования с Японией, Евросоюзом, США, Россией. С Японией работаем по тематике разработки и испытаний новых видов ядерного топлива для перспективных реакторов. Новые исследования в области современной ядерной физики, – рассказывает заместитель генерального директора ИЯФ Насурлла Буртебаев.

К одному из наиболее перспективных направлений исследовательской работы руководство ИЯФ относит методики получения различных радиоизотопов и производство из них радиационных препаратов для промышленности и медицины. Это именно та прикладная часть ядерной физики, которая потенциально способна принести немалый доход государству и вывести казахстанскую науку на конкурентоспособный мировой уровень.

Что примечательно, процесс производства радиоизотопов наиболее эффективен, когда речь идёт об ускорителях элементарных частиц. Их в казахстанском Институте ядерной физики несколько. Самый крупный и наиболее производительный – это изохронный циклотрон У-150М. Подобные устройства впервые были разработаны ещё до Второй мировой войны, в промышленности нашли применение лишь во второй половине 20-го века, когда радиоизотопы стали активно использоваться в различных сферах жизни.

Принцип действия циклотрона и прост и сложен одновременно. Если попытаться объяснить его в двух словах, то получается примерно такая картина. Чтобы тяжёлые заряженные частицы (ионы или протоны) воздействовали на вещество с образованием изотопа, необходимо разогнать их до определённой скорости, т.е. увеличить их энергию. Для этого в циклотроне применяется специальная вакуумная камера, куда вбрасывается порция газа. Путь ионов газа в камере проходит между двумя дуантами. Это такие специальные электроды, по форме напоминающие разрезанный в вертикальной плоскости цилиндр.

Чтобы ускоряемые частицы двигались по спирали, их траектория искажается сильным магнитным полем. Когда ион или протон попадает в зазор между дуантами, их скорость увеличивается подаваемым в устройство током высокой частоты. В результате пучок ионов двигается по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль. На последнем витке частицы, уже получив заданную энергию, выводятся магнитным полем на специальную мишень с веществом, из которого необходимо получить изотоп.

– Циклотрон является одним из основных источников производства радиоизотопов, но в отличие от ядерного реактора на циклотроне можно нарабатывать более широкий их спектр, – рассказывает Насурлла Буртебаев. –На циклотроне можно делать любые изотопы, которые нужны. Такая продукция наиболее востребована в ядерной медицине. Для промышленности изотопы также производят, например, кобальт-60, который используется в дефектоскопии.

– Работа на циклотроне У-150 М проходит круглосуточно, – рассказывает руководитель научного комплекса Андрей Морозов. – Работа построена составом службы управления в количестве 4 смен. Они поочередно меняются, обеспечивая непрерывную работу установки. В зависимости от длительности эксперимента, либо кампании по облучению изотопных мишеней зависит, сколько непрерывно будет работать циклотрон и непосредственно здесь будут находиться смены. Также в период эксплуатации проводятся профилактические ремонтные работы. Для этого специально запланированы остановки циклотрона для обслуживания оборудования. Этим занимаются службы научно-технического отдела.

В зависимости от поставленных задач в области либо прикладной, либо фундаментальной ядерной физики в среднем длительность кампании по облучению изотопных мишеней длится около 200 часов непрерывно. После этого происходит смена материалов мишени. Сама мишень отправляется в лабораторию радиохимии для дальнейшей обработки и выделения изотопа. Специалисты заряжают новую мишень, и облучение продолжается. Объект облучения может находиться как внутри камеры циклотрона, так и на расстоянии нескольких метров от установки. Туда пучок разогнанных частиц подаётся по специальному каналу, называемому ионопроводом.

– К настоящему времени конструкция изотопной мишени доработана таким образом, что внутренняя мишень может воспринимать до 10-12 кВт мощности ионного пучка, – продолжает рассказ Андрей Морозов. – Это позволяет нам производить ряд изотопов, таких как кобальт-57, кадмий-109, талий-201, галлий-67 и германий -68. Плюс научные лаборатории Института ядерной физики проводят на нашем циклотроне эксперименты в области прикладной и фундаментальной ядерной физики. Вот сейчас непосредственно машина работает на вывод – идёт эксперимент, непрерывная длительность которого будет 900 часов. Это ионно-дейтонный режим с энергией 14 МэВ. На удалённой мишени, которая находится в экспериментальном зале, ребята меняют углы облучения и проводят измерения. На основании полученных данных они потом будут писать свои работы, проекты и прочее.

– Можно, в принципе, выбирать для изготовления любой тип изотопов. Это зависит от материалов мишени. Но уникальность данной установки в том, что наш циклотрон с регулируемой энергией ионов. Это даёт возможность ускорять разные типы ионов. Т.е. на данной установке можно ускорять протоны с энергией от 7 до 30 МэВ, дейтоны с энергией от 12 до 25 МэВ, альфа-частицы с энергией от 25 до 50 МэВ и гелий-3 с энергией от 18 до 61 МэВ. Большинство производственных машин ускоряют только протоны. А эта установка исследовательская, – рассказал Андрей Морозов.

У-150 М был введён в эксплуатацию в 1965 году. В период с 1971 по 1972 год была проведена его модернизация в изохронный циклотрон с регулируемой энергией. До наших дней установка дожила в неизменном виде, с частичной модернизацией. В последние годы была обновлена система управления. Сейчас ускоритель управляется с одного компьютера – производится мониторинг всех технологических систем, которые участвуют в процессе работы. Но, как говорится, ничто не вечно под луной. Специалисты утверждают, что основное оборудование циклотрона морально и физически устарело, что приводит к необходимости часто его ремонтировать. При этом многие запасные части давно сняты с производства и закупить их невозможно. Кроме того, есть вопросы и в рамках законодательства по госзакупкам. Специфика оборудования ускорителя предполагает, что в отдельных случаях его изготовление требует разработки проектной документации, а само оборудование производится в единственном экземпляре.

Учитывая вышеназванные проблемы, еще десять лет назад было решено приобрести для казахстанского Института ядерной физики новый циклотрон. Ускоритель под названием Сyclone C-30 был куплен в Бельгии. Это очень современная и высокотехнологичная установка. Она может разгонять частицы до энергий в 30 МэВ. На этом циклотроне можно изготовлять такие изотопы, как талий-210 и фтор-18.

– Сегодня у нас два циклотрона: старый советский и бельгийский, который мы недавно приобрели, – сообщил зам. генерального директора ИЯФ Насурлла Буртебаев. – В 2006 году мы составили проект нового циклотрона, через 3 года получили финансирование, в прошлом году в октябре запустили его. Установка полностью работоспособна, и теперь ждём получения разрешения на проведение работ.

– Новый циклотрон только запущен. Мы опытную партию радиоизотопов выпустили, проверили – всё соответствует стандартам. Но для того чтобы их продавать, необходимо производить в промышленных масштабах, а также иметь все необходимые сертификаты. Сейчас как раз занимаемся оформлением этих документов. Всё оформляется по требованиям МАГАТЭ. Необходимо несколько сертификатов – экологический, медицинский сертификат радиационной безопасности и т.п. Очень сложный процесс, много параметров, – сетует Насурлла Буртебаев.

По мнению руководителя ИЯФ, сегодня а Казахстане нет большой потребности в радиофармпрепаратах, поэтому институт планирует продавать их за рубеж. Предполагается, что казахстанская продукция будет дешевле, чем зарубежные аналоги, потому что стоимость ее производства будет ниже.

Ещё одна проблема – логистика. Радиоизотопы, используемые в медицине, обычно имеют короткий период полураспада, поэтому доставлять их потребителю необходимо очень быстро. Используется только авиационный транспорт. Речь идет о распространении радиоактивных веществ, и в этой сфере действуют другие правила – множество ограничений по различным международным соглашениям. Здесь также предстоит серьёзная организационная работа.

Еще одна старая советская установка, которая очень необходима сегодня нашим учёным, – это ускоритель тяжёлых ионов УКП-2-1, так называемый линейный ускоритель частиц. Он был разработан в 1987 году в НИИФА им. Д. Ефремова, расположенном в Санкт-Петербурге.

– На самом деле, здесь смонтированы два ускорителя, на которых одновременно можно получать два ускоренных пучка, объединённых одним ускоряющим потенциалом, – рассказывает начальник комплекса Александр Киреев. – Соответственно, имеются два ионных источника – один тяжёлый, другой лёгкий. На источнике лёгких ионов мы можем выделять ионы водорода и инертный газ, затем ускорять их до энергии порядка 2 МэВ. Источник тяжёлых ионов предназначен для получения тяжёлых ионов, начиная с бериллия и заканчивая самыми тяжёлыми – ураном и плутонием. Можно получать ионы с энергией до 4-5 МэВ.

Ускорительный тракт включает в себя систему формирования пучка, разделения ионов по массе. На выходе из ускорения находится мишенная камера, где, собственно, производятся ядерно-физические эксперименты.

– Основная задача, которая решается на ускорителе в настоящее время, – это измерение сечения ядерных реакций – низкоэнергетических. Это пополнение фундаментальной базы данных. Кроме того, на нашем ускорителе развит комплекс ядерно-физических методов анализа. Основная задача этого направления связана с получением элементного состава образцов, что во многих случаях необходимо в физике твёрдого тела. Информация применяется в сфере получения новых материалов, в том числе покрытий новых материалов. Исследование этих покрытий и исследования свойств этих покрытий после прохождения некоторых стадий отжига в муфельных печах – это одна из задач, которые решают наши ядерно-физические методы анализа.

Александр Киреев также рассказал о прикладных исследованиях, связанных с его ускорителем.

– Кроме того, на базе одного из каналов тяжёлого тракта, у нас в настоящее время развивается метод ускорительной масс-спектрометрии. Основная цель – это исследования содержания плутония-239 в организме людей, проживающих вблизи бывшего Семипалатинского ядерного полигона. Эта задача связана с исследованием дозовой нагрузки, которую получают люди от той активности, которая осталась на полигоне после ядерных испытаний.

– Предполагается, что биологические образцы будут доставляться в наш институт, будет производиться предварительная подготовка образцов. Затем образцы будут устанавливаться в наш ускоритель и далее будет измеряться содержание плутония-239. В результате мы будем иметь данные о влиянии полигона на жизнь людей.

Сейчас мы работаем в основном по казахстанским программам, хотя у нас есть грунтовый проект, который одобрен, но ещё не финансируется. Он тоже связан с полигоном.