Ядерные технологии

Ядерные технологии — атрибут современной цивилизации, оказывающий влияние на качество жизни человечества в целом и ее различные аспекты в отдельности: от военной промышленности и энергетики до науки и сохранения окружающей среды. На территории Калужской области действуют четыре всероссийских научных центра, развивая альтернативное использование ядерной энергии в мирных направлениях: ядерной медицине, радиоэкологии, радиохимии, сельхозрадиологии и других.

Что меняется в отрасли?

Мы перестаем планировать экономическое развитие исходя из добытых или потраченных ресурсов и начинаем все больше ориентироваться на показатели комфорта населения: продолжительность жизни, социальную стабильность, благоприятную экологическую обстановку и т. д. Человечеству необходима гармонично развитая техногенная цивилизация. Ядерные технологии могут в этом помочь. Несмотря на опасения, связанные с радиацией, при соблюдении техники безопасности атомная энергетика — одна из самых экологически чистых. Кроме того, ядерные технологии могут использоваться в разных отраслях для решения прикладных задач.

Одно из перспективных направлений для их применения — неразрушающий анализ материи. Ионно-пучковые методы анализа позволяют изучить состав растительного и животного биоматериала в медицинских целях, определить происхождение объектов, идентифицировать источники боеприпасов и т. д.

Один из самых передовых методов диагностики в современной медицине — позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Аппарат регистрирует радиоактивные частицы, которые вводятся в организм пациента перед сканированием. Он позволяет высокоточно определять границы раковых опухолей и эффективно выявлять различные патологии.

В промышленности радиография позволяет диагностировать состояние ключевых изделий и узлов автомобилей, а также ставить радиоактивные метки, позволяющие отличить продукцию производителя от контрафакта и даже отследить путь доставки. Ядерные методы широко используются для исследования сложных физических и химических явлений, в том числе износа, коррозии и эрозии, которые влияют на надежность промышленного оборудования, систем транспортировки и других конструкций.

Методы анализа стабильных изотопов могут применяться в сельском хозяйстве. Стабильные изотопы – это встречающиеся в природе формы какого-либо элемента, не подверженные радиоактивному распаду, и некоторые из них участвуют в важных биологических и экологических процессах. Их содержание можно измерить с помощью масс-спектрометрии. Поскольку есть четкая взаимосвязь между уровнем содержания определенных изотопов в окружающей среде и их концентрацией в тканях растений и животных, анализ стабильных изотопов поможет изучать эпидемиологию болезней среди животных, отслеживая их географические перемещения. Кроме того, таким же способом можно отслеживать происхождение пищевых продуктов (например, вин) и препятствовать их фальсификации.

С помощью атомной энергии можно не только изучать, но и изменять живую и неживую материю. Например, инициирование химических реакций под облучением позволяет создавать и модифицировать новые материалы, например, биосовместимые полимерные гидрогели, используемые в медицине, мембранные материалы, металл-полимерные нанокомпозиты и др. Также радиация может ускорить и сделать эффективнее некоторые производственные процессы — например, повысить прочность резины и полимерных материалов.Отдельное важное направление работы для материаловедов — выбор и создание новых радиационно стойких материалов, которые можно использовать при строительстве АЭС и создании радиоизотопных аккумуляторов.

В медицине лучевая терапия становится все более «прицельной» и позволяет удалять опухоли, минимально задевая здоровые ткани. Метод брахитерапии также позволяет «подвести» радиоактивное излучение прямо к больному органу (с помощью катетера или микрокапсулы с изотопом). В будущем в медицинских учреждениях появятся «ядерные аптеки» — наборы шприцев с радиофармпрепаратами, готовыми к использованию, защищенные экранирующими материалами. Это приведет к появлению новых протоколов безопасности и разработке специализированного оборудования для защиты медперсонала.

В сельском хозяйстве контролируемое воздействие радиации позволяет ускорять мутации для повышения производительности сельскохозяйственных культур. Дозированное облучение также позволяет сделать эффективнее вакцины для сельскохозяйственных животных. Кроме того, разработаны и активно применяются по всему миру безопасные методы стерилизации на пищевом производстве с помощью облучения. А еще ядерные технологии позволяют бороться с вредителями — мужские особи насекомых массово стерилизуются и выпускаются в нужные районы (что безопаснее для экологии и нашего здоровья, чем пестициды).

Думая о ядерной отрасли, мы первым делом вспоминаем АЭС. Но электричество — не единственный ресурс, который может поставлять нам атомная энергия. С ростом численности населения Земли и изменениями климата спрос на воду начинает опережать предложение. Одно из решений проблем с дефицитом воды — ее опреснение. Для многих стран (и для российского Крыма) это практически единственный рабочий вариант. Опреснительные заводы выгоднее строить при электростанциях (для экономии энергии), и Росатом разрабатывает проекты строительства таких комплексов, интегрированных с АЭС. Кроме того, специальные зонды, отслеживающие ядерные частицы высоких энергий, поступающие из космоса в атмосферу, а затем в почву вместе с осадками, позволяют мониторить почвенные водные ресурсы и повышать эффективность систем орошения (на сельское хозяйство тратится примерно ⅔ используемой в мире пресной воды), а также строить более точные климатические модели.

Еще одна проблема, которую могут решить ядерные исследования — истощение почв. Они позволяют как оценивать эрозию почв, так и измерять фиксацию в почве азота — необходимого для плодородия элемента, и разрабатывать более эффективные удобрения для конкретных территорий и типов почв.

Антропогенное воздействие, включая ядерные технологии, сильно меняет окружающую среду. Особенности существования живых организмов в условиях естественной радиации или техногенного радиоактивного загрязнения изучает отдельная наука — радиоэкология.

Ядерные реакторы одновременно являются как эффективным источником «чистой» электроэнергии, так и поставщиками опасных отходов. Поэтому важное направление в ядерной отрасли — обеспечение безопасности на АЭС и при производственных процессах, захоронение и переработка ядерных отходов, накопленных более чем за полвека. Реакторы нового поколения позволяют максимально эффективно использовать радиоактивное сырье, сократив количество отходов, но пока человечеству приходится работать с наследием прошлого. Для этого надо создавать специальные контейнеры и хранилища для утилизации, а также разрабатывать и внедрять технологии переработки топлива. В будущем в Калужской области планируется создать тестовый полигон для отработки новых методов утилизации и переработки радиоактивных отходов.

Примеры задач будущего

• Разработка опреснительного оборудования, интегрированного с АЭС
• Обслуживание оборудования АЭС
• Разработка стратегий управления водными ресурсами и доставки удобрений в сельском хозяйстве
• Диагностика и неразрушительное тестирование оборудования
• Разработка радиоизотопных меток для промышленности
• Использование анализа стабильных изотопов в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве
• Разработка «ядерных аптек»
• Разработка селекционных программ в растениеводстве, задействующих ядерные технологии
• Борьба с вредителями радиоизотопными методами
• Применение радиологических методов лечения пациентов
• Синтез новых материалов под воздействием излучения
• Разработка роботов, работающих в агрессивных средах
• Проектирование новых композитных защитных материалов
• Радиационный и агроэкологический мониторинг
• Моделирование, создание систем поддержки принятия решений на производстве
• Создание инфраструктуры захоронения радиоактивных отходов
• Разработка и внедрение технологий реабилитации загрязненных территорий