Будет ли в Казахстане развиваться ядерная физика?

Фото Григория Беденко

На сегодняшний день казахстанский Институт ядерной физики считается самым крупным научным учреждением нашей страны.

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.


Технологическое здание, в котором расположен циклотрон У-150М

Технологическое здание, в котором расположен циклотрон У-150М / Фото Григория Беденко


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.


Циклотрон напоминает устройство в стиле дизельпанк

Циклотрон напоминает устройство в стиле дизельпанк / Фото Григория Беденко


– 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.


Заряженные частицы разгоняются ускорителем до огромных энергий

Заряженные частицы разгоняются ускорителем до огромных энергий / Фото Григория Беденко


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.


Наработка изотопов в циклотроне непрерывно продолжается около 200 часов

Наработка изотопов в циклотроне непрерывно продолжается около 200 часов / Фото Григория Беденко


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.


Дежурный дозиметрист Константин Панов замеряет уровень радиации на ускорителе

Дежурный дозиметрист Константин Панов замеряет уровень радиации на ускорителе / Фото Григория Беденко


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.


Циклотрон довольно ощутимо фонит, поэтому находиться возле него долго крайне нежелаетльно

Циклотрон довольно ощутимо фонит, поэтому находиться возле него долго крайне нежелательно / Фото Григория Беденко


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.


Радиоизотопная мишень циклотрона

Радиоизотопная мишень циклотрона / Фото Григория Беденко


– 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.


Андрей Морозов, начальник ЭУЦ У-150М

Андрей Морозов, начальник ЭУЦ У-150М / Фото Григория Беденко


– 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.


Ионопроводы для удаленного обстрела радиоизотопной мишени

Ионопроводы для удалённого обстрела радиоизотопной мишени / Фото Григория Беденко


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.


Циклотрон У-150М

Циклотрон У-150М / Фото Григория Беденко


– 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.




Один из агрегатов ускорителя

Один из агрегатов ускорителя / Фото Григория Беденко


– 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.


Циклотрон У-150М – одна из самых старых установок казахстанского Института ядерной физики

Циклотрон У-150М – одна из самых старых установок казахстанского Института ядерной физики / Фото Григория Беденко


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.


Новый бельгийский циклотрон C-30

Новый бельгийский циклотрон C-30 / Фото Григория Беденко


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.


С-30 полностью готов к работе, но пока не запущен

С-30 полностью готов к работе, но пока не запущен / Фото Григория Беденко


– 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.


На С-30 планируется производить радиофармпрепараты

На С-30 планируется производить радиофармпрепараты / Фото Григория Беденко


– 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.


Для С-30 было построено новое технологическое помещение

Для С-30 было построено новое технологическое помещение / Фото Григория Беденко


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.


Артефакты советской эпохи

Артефакты советской эпохи / Фото Григория Беденко


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.


Ускоритель тяжелых ионов УКП-2-1

Ускоритель тяжёлых ионов УКП-2-1 / Фото Григория Беденко


– 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.


Начальник аналитической группы Игорь Горбачев

Начальник аналитической группы Игорь Горбачёв / Фото Григория Беденко


– 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.


На ускорителе в основном проводятся фундаментальные исследования

На ускорителе в основном проводятся фундаментальные исследования / Фото Григория Беденко


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 на УКП-2-1 будет исследоваться влияние радиации на организм человека

Предполагается, что на УКП-2-1 будет исследоваться влияние радиации на организм человека / Фото Григория Беденко


– 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.

Следите за самыми актуальными новостями в нашем
Telegram-канале и на странице в Facebook

Присоединяйтесь к нашему сообществу в Instagram

Если вы нашли ошибку в тексте, выделите ее мышью и нажмите Ctrl+Enter