Одному из старейших и притом действующих исследовательских ядерных реакторов — томскому ИРТ-Т (Исследовательский реактор тепловой-Томский) — в этом году исполнилось 50 лет. Корреспондент «Чердака» побывала в реакторном зале и лабораториях Томского политехнического университета и выяснила, что и зачем «варят» сегодня в своем реакторе томские ученые.

По огромному залу разносится эхо слов экскурсовода: «Реактор работает постоянно, без перерывов. Даже сейчас он функционирует. Но на самой малой мощности, поэтому мы с вами не видим в воде голубого свечения заряженных частиц. Вам бояться радиации не стоит». Мы стоим на так называемом «пятаке» — крышке, покрывающей бассейн, в котором находится активная зона реактора. Вода в бассейне сверхчистая — настолько, что не оставляет на поверхностях никаких следов, хотя ее не меняли с 1984 года, с момента последней крупной реконструкции физического зала. 50 кубометров воды обеспечивают охлаждение реактора, защиту от радиации и замедление нейтронов. Вокруг зала с бассейном расположились лаборатории. Еще пара минут на фотосъемку — и маршрут нашей экскурсии проляжет как раз через них.

Мощность реактора ТПУ — 6 МВт. Для сравнения: мощности больших АЭС исчисляются тысячами мегаватт. Но исследовательские тепловые реакторы, к которым относится томский, в отличие от промышленных, просты в исполнении и управлении. Их создавали для того, чтобы не только получать научные данные, но и готовить будущих атомщиков. Для своего компактного размера ИРТ-Т имеет большое количество экспериментальных каналов, что позволяет одновременно облучать множество мишеней. А бериллиевый замедлитель и ловушки в зоне центральных каналов обеспечивают более плотный, по сравнению с другими реакторами того же типа, поток нейтронов.

Томский ИРТ сооружался одним из первых в стране: строительство началось в 1959 году, а первая цепная реакция началась в июле 1967-го. Начальный уровень мощности — 1 МВт — был увеличен в шесть раз после первой модернизации в 1984 году. Еще одно обновление реактор пережил в 2006-м, когда в соответствии с требованиями времени привели систему управления и защиты. К 50-летию исследовательский реактор ТПУ вновь усовершенствован: модернизированы линии легирования кремния, производства радиофармпрепаратов, линия для испытания материалов под воздействием мощных потоков нейтронов и гамма-излучения. Срок службы ИРТ-Т официально продлен: он продолжит работать как минимум до 2035 года.

В пультовой, где двое инженеров следят за состоянием реактора, новейшая техника соседствует с приборами, установленными здесь еще в годы строительства ИРТ-Т. Реактор, конечно, управляется автоматикой — так безопаснее и современнее, а технологии прошлого века здесь лишь «на подхвате». И в качестве действующих музейных экспонатов.

Промышленная алхимия

Секрет философского камня — по крайней мере, ту его часть, что касается трансмутации вещества, а не духа, — выяснил еще в начале прошлого века Резерфорд. Атомы одних элементов превращаются в атомы других в ходе радиоактивного распада их ядер или ядерных реакций, которые начинаются при бомбардировке атомов частицами, обыкновенно нейтронами. И мы давно этим пользуемся в промышленных масштабах.

Главная задача ИРТ-Т сейчас — быть источником нейтронов и гамма-излучения для исследований в области ядерной и радиационной физики, нейтронно-активационного анализа и ядерной медицины.

Например, сегодня в мире до 90% производства полупроводников обеспечивается монокристаллическим легированным кремнием. Кремний — основа микро- и силовой электроники: от микропроцессоров смартфона до электромобилей. Но обычный, чистый кремний для сегодняшней электроники уже недостаточно хорош. Поэтому его свойства улучшают при помощи легирования — внедрения примесей. Используются разные технологии легирования, но для равномерного введения добавок отлично подходит ядерный реактор.

— Под воздействием потока тепловых нейтронов кремний-30 (которого около 3% в природной смеси) переходит в радиоактивный изотоп кремний-31, который превращается в стабильные атомы фосфора-31. Преимущество технологии в том, что легирующая примесь распределяется равномерно по всему объему, в отличие от металлургического способа, при котором фосфор вводят в расплав кремния, — говорит инженер лаборатории № 33 ядерного реактора ТПУ Евгений Емец.

В России сегодня подобный нейтронно-легированный кремний производят всего пять реакторов, и один из них — реактор ТПУ. Здесь получают до пяти тонн легированного кремния в год, при этом его неоднородность — около 3%, что соответствует мировым стандартам. В России электротехническая промышленность пока только набирает обороты, поэтому основные заказчики ТПУ — из-за рубежа. К примеру, сейчас в Томске легируют кремний для китайских компаний.

— На нашем реакторе мы обрабатываем слитки диаметром до 128 мм. В дальнейшем планируется создать канал для легирования слитков кремния диаметром до 205 мм. Это значительная глубина проникновения, которая позволяет готовить полупроводники больших размеров. В мире таких установок — единицы, — отмечает Евгений Емец.

Другой пример того, как свойства материалов изменяются под воздействием ядерных реакций, — обработка топазов и аметистов. «Позагорав» в реакторе, камни приобретают интересные оттенки и ювелирную ценность. Бомбардировка быстрыми нейтронами преобразует кристаллическую решетку минерала, и топаз меняет цвет — от бледно-голубого до темно-синего. При этом чем дольше материал находится в реакторе, тем более насыщенны оттенки.

Сотрудники реактора тщательно проверяют обработанные камни на предмет излучения. Заказчику уходят только «чистые» топазы. Однако из-за примесей внутри минерала камни могут долго сохранять радиоактивность — такие экземпляры остаются в специальном хранилище при реакторе, пока не достигнут приемлемых показателей РА. По словам инженеров лаборатории, многие камни лежат там годами и «даже не собираются сдаваться».

Охотники за опухолями

Кроме микроэлектроники и «апгрейда» драгоценных камней, реактор работает и на медицину. В сентябре томские политехники заключили первые контракты на продажу дефицитного для России фосфора-32. Этот изотоп фосфора нужен и ученым, и медикам, но несколько лет не производился в нашей стране. Линия по производству фосфора-32 и ортофосфорной кислоты на его основе запущена в прошлом году при ядерном реакторе томского политеха.

— Под действием нейтронов из серы образуется изотоп фосфор-32. Он интересен заказчикам и сам по себе, и в составе ортофосфорной кислоты, которую мы также начали выпускать на линии при реакторе. Ортофосфорная кислота используется в производстве удобрений, в пищевой и химической промышленности. Изотоп фосфора-32 нестабилен, и его нельзя заготовить впрок, но наших мощностей хватит, чтобы покрыть запросы страны, — говорит заведующий кафедрой технической физики ТПУ Игорь Шаманин.

Фосфор-32 обладает слабым бета-излучением, поэтому может служить «маячком» для исследователей. В молекуле один из атомов стабильного фосфора-31 заменяют радиоактивным изотопом. Его излучение «подсвечивает» молекулы и дает возможность следить за их перемещениями — и потому используется в биохимических и молекулярных исследованиях.

Но исследованиями его применение не ограничивается. С помощью изотопа фосфора диагностируют онкологии головного мозга, внутриглазные метастазы, костные метастазы рака молочной железы. Концентрации изотопа в растущих тканях с интенсивным обменом веществ значительно выше, потому что ядра делящихся клеток усиленно поглощают фосфор-32. Поэтому, попав в организм, он начинает скапливаться в опухолях и других воспалительных инфильтратах.

Передвижения фосфора-32 по тканям организма, наблюдаемые с помощью томографа, покажут отклонения в работе жизненно важных органов — почек, сердца, плаценты. Кроме того, бета-частицы, испускаемые при распаде изотопа, способны на небольшом расстоянии уничтожать клетки. Поэтому это соединение врачи используют и для лучевой терапии при различных формах злокачественных заболеваний кроветворной системы и лимфоидной ткани.

В лаборатории № 31 ядерного реактора ТПУ исследователи готовятся к старту клинических испытаний нового радиофармпрепарата, который даст точный ответ о местах скопления раковых клеток в лимфатической системе организма. Политехники работают вместе с коллегами из томского научно-исследовательского медицинского центра (НИМЦ).

— Сегодня при обнаружении злокачественной опухоли, не зная расположения в этой области лимфоузлов — ловушек для раковых клеток, хирурги на всякий случай удаляют вместе с опухолью и другие контактирующие с ней ткани — как правило, с избытком. Например, при раке молочной железы часто удаляют всю грудь, включая лимфоузлы и лимфотоки от шеи до поясницы. Хотя это предотвращает рецидив, но ухудшает качество дальнейшей жизни пациента. Новый препарат укажет точно, где располагаются ближайшие к опухоли сторожевые лимфоузлы и есть ли в них раковые клетки. Если нет, то и опухоль удалят с минимальными повреждениями здоровых тканей. Восстановление организма после перенесенного заболевания и операции пойдет быстрее. Подобной диагностики такого уровня достоверности в мире пока нет, — подчеркивает сотрудник лаборатории № 31 Евгений Нестеров.

Ключевым элементом нового препарата стал короткоживущий изотоп технеций-99м — один из самых востребованных изотопов в ядерной медицине. С его помощью проводят до 70% радиодиагностических процедур в мире. Популярность технеция объясняется тем, что этот радионуклид не дает чрезмерной лучевой нагрузки на человека и быстро выводится из организма. При этом из-за значительной энергии гамма-излучения перемещение технеция-99м по организму и его накопление в тканях визуализируется с помощью однофотонной эмиссионной томографии. Доставка технеция-99м к тому или иному органу осуществляется специально подобранными химическими соединениями — компонентами РФП, которые вступают в реакции обмена с исследуемыми органами и тканями. При этом больные и здоровые клетки «кушают» меченый препарат с разной скоростью, что и позволяет обнаружить патологию.

— Это выглядит примерно как школьный класс: здесь встречаются разные ребятишки, но когда звенит звонок, они хватают рюкзачки и бегут каждый к своей семье. «Рюкзачки» — это и есть наш технеций, — рассказывает Александр Рогов, сотрудник лаборатории № 31 исследовательского ядерного реактора ТПУ.

В препарате, синтезированном для диагностики раковой опухоли, томские политехники прикрепили технециевый рюкзачок к наночастицам оксида алюминия. На томографии технеций «подсвечивает» пораженные лимфоузлы, помогая врачу определить объемы удаляемой ткани. Ученые убеждены, что при успешном прохождении клинических испытаний новый препарат выйдет на рынок уже к 2021 году.

Яна Пчелинцева

Источники

Полвека трансмутаций
Академгородок (academcity.org), 16/10/2017

Похожие новости

  • 02/07/2016

    Открытие сибирских физиков полвека двигает науку

    Ровно 50 лет тому назад в Томском политехническом институте (ТПИ) (ныне Национальный исследовательский Томский политехнический университет) произошло событие, послужившее развитию целого ряда новых научно-технических направлений.
    1112
  • 18/05/2017

    Атомщики со всей Сибири обсуждают в Томском политехе развитие отрасли

    ​В Томском политехническом университете проходит восьмая школа-конференция молодых атомщиков Сибири. В этом году конференция стала мероприятием-спутником форума молодых ученых U-NOVUS-2017.В конференции молодых атомщиков Сибири приняли участие более 200 студентов физико-технических специальностей, аспирантов, молодых ученых научно-исследовательских институтов и предприятий, а также старшеклассников, интересующихся вопросами развития атомной энергетики и ядерных технологий.
    443
  • 11/10/2016

    Алмазы, выращиваемые в ТПУ, могут быть использованы для Большого адронного коллайдера

    ​Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете.
    797
  • 23/09/2016

    ТПУ стал ассоциированным членом коллаборации LHCb в ЦЕРНе

    Томский политехнический университет стал ассоциированным членом коллаборации эксперимента LHCb, проводимого на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). В качестве участников эксперимента политехники будут работать над модернизацией трекового детектора LHCb и осуществлять математическое моделирование некоторых физических процессов, которые изучаются в LHCb.
    640
  • 04/10/2016

    Томский госуниверситет стал действительным членом Коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере

    ​Впервые с 1993 года новым участником крупнейшего проекта в CERN (Европейском центре ядерных исследований) с правом голоса стала российская научная организация. За присвоение ТГУ подобного статуса единогласно проголосовало правление Коллаборации ATLAS.
    686
  • 16/05/2017

    Сибирский химический комбинат представил свои технологии будущим атомщикам ТПУ

    ​В Физико-техническом институте Национального исследовательского Томского политехнического университета (НИ ТПУ) состоялось подведение итогов студенческих лабораторных работ на заводе разделения изотопов (ЗРИ) АО "Сибирский химический комбинат" (входит в Топливную компанию Росатома "ТВЭЛ").
    299
  • 20/10/2016

    Атомщики Сибири обсуждают в ТПУ термоядерный синтез и развитие ядерной медицины

    ​В Томском политехническом университете проходит VII школа-конференция молодых атомщиков Сибири. В течение трех дней молодые ученые из России и стран ближнего зарубежья будут обсуждать вопросы ядерной безопасности, развитие ядерной медицины, термоядерный синтез, а также реализацию проекта по созданию топлива и реакторов нового поколения "Прорыв".
    1092
  • 09/09/2016

    Разработки томичей заинтересовали Airbus Safran Launchers

    ​Представители компании Airbus Safran Launchers - лидера европейской космической промышленности заинтересовались технологиями и наработками сибирских ученых, сообщает пресс-служба Томского государственного университета.
    754
  • 14/08/2015

    В ТГУ пройдет 5-я Международная научная конференция "Новые оперативные технологии"

    В 2002 году по инициативе члена-корреспондента РАМН, профессора И.Д. Кирпатовского впервые в Москве была проведена научная конференция "Новые оперативные технологии". Все последующие конференции при поддержке профессора И.
    1444
  • 25/10/2016

    Томский аспирант улучшит диагностику мощнейшего в мире синхротрона

    ​Аспирант Физико-технического института Томского политеха Артем Новокшонов вместе с учеными Научной Лаборатории DESY (Германия) работает над улучшением и тестированием новых методик диагностики электронного пучка синхротрона PETRA III - одного из мощнейших источников синхротронного и рентгеновского излучения в мире.
    662