Колыбель энергетических революций: ФЭИ исполнилось 75 лет

31 мая отметил юбилей Физико-энергетический институт им. Лейпунского. Один из первых атомных НИИ 75 лет сохраняет статус ведущего. Кажется, мы знаем формулу его успеха: верность историческим направлениям НИОКР плюс открытость всему новому и перспективному. Например, юбиляр готовит прорыв в области лазерных технологий — ​гиперболоид инженера Гарина вполне может стать реальностью. Рассказываем о семи дорогах научного поиска, которые идут от порога ФЭИ.

Быстрые реакторы

На территории института была запущена первая в мире АЭС с реактором на тепловых нейтронах, но визитной карточкой ФЭИ все же стали быстрые РУ. С 1949 года и по сей день ФЭИ является головной научной организацией по реакторам на быстрых нейтронах. Институт осуществлял научное руководство разработкой практически всех быстрых реакторов в СССР: от первой экспериментальной установки «нулевой» мощности на металлическом плутонии БР‑1 в Обнинске до промышленного натриевого реактора БН‑600 на Белоярской АЭС.

Эпоха Советов закончилась, а «быстрые» компетенции ФЭИ остались: он сыграл ключевую роль в создании первого бридера в новой России — ​БН‑800. «ФЭИ, как научный руководитель, нес ответственность за современный технический уровень всех проектных решений, заложенных в РУ, а также за научно­-техническое обоснование безопасности эксплуатации установки, — ​говорит первый заместитель гендиректора ФЭИ по науке Дмитрий Клинов. — ​БН‑800 работает уже шесть лет, так что опыт можно признать успешным. Это не просто очередной быстрый реактор. Его запуск стал важной вехой в освоении замкнутого ядерного топливного цикла. На БН‑800 применено инновационное МОКС-топливо, таким образом мы повышаем эффективность топливопользования и решаем экологические и ресурсные проблемы атомной энергетики».

ФЭИ участвует в разработке технического проекта первого коммерческого быстрого реактора БН‑1200. «В проекте заложены 19 инновационных решений, которые повышают экономическую эффективность реактора, — ​рассказывает Дмитрий Клинов. — ​БН‑1200 гораздо компактнее БН‑800. Мы оптимизировали и строительные конструкции, и «начинку» реактора. В июне госкорпорация должна принять решение о сооружении БН-1200, утвердить площадку. Мы очень ждем этого события».

Институт обладает уникальной экспериментальной базой для развития быстрой тематики. Это комплекс быстрых физических стендов, которые позволяют моделировать активные зоны практически любых РУ, а также 16 жидкометаллических стендов, в их числе — ​натриевые, свинцовые и свинцово-висмутовые, на которых изучают теплофизику и теплогидравлику реакторов на быстрых нейтронах в номинальных и аварийных режимах, проводят длительные коррозионные испытания. ФЭИ развивает экспериментальную базу не только на своей площадке: он осуществляет научное руководство созданием самого мощного в мире исследовательского реактора МБИР в Димитровграде. Для свинцового реактора БРЕСТ-ОД‑300, сооружаемого в Северске, ФЭИ решает теплофизические задачи и создает системы контроля качества теплоносителя. «Со следующего года будем заниматься обоснованием проектных решений и нейтронно­-физических параметров по активной зоне реактора на стенде БФС‑2», — ​отметил Дмитрий Клинов.

НАУЧНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ

С прошлого года у ФЭИ и НИИАР один директор — ​Александр Тузов. Это кадровое решение неслучайно, планируется интеграция двух научных центров. «Мы разрабатываем стратегию этой интеграции, она будет представлена на заседании президиума НТС «Росатома» в июле, — ​сообщила зам. гендиректора ФЭИ по науке и инновационной деятельности Наталья Айрапетова. — ​Ожидаем, что этой осенью сможем представить концепцию Объединенного центра реакторных и изотопных исследований на базе ФЭИ и НИИАР».

Ядерная медицина

ФЭИ довольно давно разрабатывает и производит радиоизотопную продукцию для ядерной медицины и промышленности, а в последние годы осваивает и производство готовых изделий для диагностики и лечения.

Одно из медицинских изделий от ФЭИ, широко применяемое в российских клиниках, — ​микроисточники с йодом‑125 для брахитерапии. Сейчас ими лечат рак предстательной железы, но есть перспективы расширения сферы применения — ​идут исследования по использованию для терапии рака молочной железы. «ФЭИ — ​единственный отечественный производитель микроисточников в России, институт поставляет порядка 20 тыс. изделий в год и занимает порядка 30 % рынка, — ​рассказывает директор научно-производственного комплекса изотопов и радиофармпрепаратов института Максим Самсонов. — ​Зарубежные конкуренты по объемам производства пока впереди, но российские микроисточники дешевле и легче. Со временем ФЭИ планирует расширить производство и стать лидером рынка».

Офтальмоаппликаторы с рутением‑106 и стронцием‑90 очень эффективны для лечения онкологических заболеваний глаза и окологлазных областей. Физико-энергетический институт — ​единственный производитель офтальмоаппликаторов в России: они выпускаются разных типоразмеров, в том числе для детей, и поставляются в пять российских клиник.

Совсем недавно получила регистрационное удостоверение Росздравнадзора очередная разработка ФЭИ — ​генератор рения‑188. Этот изотоп используют для диагностики и лечения широкого спектра онкологических заболеваний. Также он подходит для терапии ревматоидного артрита, снижает болевой синдром.

В прошлом году закончились доклинические испытания микросфер альбумина с иттрием‑90 разработки ФЭИ. Препарат предназначен для лечения рака печени. В отличие от применяемых сейчас зарубежных стеклянных микросфер, этот препарат полностью растворяется в организме, не блокируя печеночные артерии. «Сейчас готовимся к клиническим исследованиям препарата, надеемся начать их в следующем году», — ​отметил Максим Самсонов.

Совместно с Российским научным центром радиологии и хирургических технологий им. Гранова ФЭИ создает первый российский препарат на основе актиния‑225 для терапии костных метастазов. На поздних стадиях рака избавиться от них существующими способами почти невозможно, а мощный альфа-излучатель способен справиться. Идут доклинические испытания препарата.

Реакторные материалы и технологии

ФЭИ уже 70 лет занимается комплексными материаловедческими исследованиями, поиском новых материалов и внедрением их в атомную промышленность. Началось все с разработки твэлов для первой АЭС. Были и космические ядерные энергоустановки «Топаз», и создание элементов активных зон целого ряда ЯЭУ, включая быстрые энергетические реакторы, и разработка технического проекта, включая технологию изготовления твэлов, для космической ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, и многое другое.

Сейчас основные задачи отделения реакторных материалов и технологий — ​разработка технических проектов элементов активных зон ядерных энергетических установок различного назначения, создание технологий их изготовления, разработка технологий создания сварных и паяных соединений новых и разнородных материалов, комплексные материаловедческие исследования и исследования коррозионного поведения материалов в тяжелых жидкометаллических теплоносителях. У отделения есть собственная научно-технологическая база. На протяжении 40 лет ФЭИ ежегодно поставляет элементы источников нейтронов для реактора БН‑600 на Белоярской АЭС. Институт — ​единственный в России производитель пусковых источников нейтронов для атомного ледокольного флота и ПАТЭС. «Мы разрабатываем технологии изготовления труб для атомной отрасли, — ​говорит первый заместитель директора отделения Максим Канунников. — ​Обладаем уникальными технологиями прокатки бесшовных, особо тонкостенных труб, сложнопрофилированных труб и труб из тугоплавких материалов. Создаем облучательные устройства для исследовательских реакторов».

Лазерные технологии

Институт много лет развивал лазерные технологии специального назначения. «В последние годы мы сосредоточились на том, чтобы трансформировать их для гражданского применения, — ​рассказывает заместитель гендиректора ФЭИ по науке и инновационной деятельности Наталья Айрапетова. — ​Сейчас в основном применяются твердотельные лазеры, мы предлагаем перейти на жидкостные. Это позволит перейти на другой уровень мощности лазеров и передавать энергию на большие расстояния. Я не могу пока говорить о конкретных разработках, это коммерческая тайна. Но, кажется, гиперболоид инженера Гарина из романа Алексея Толстого скоро станет реальностью».

Вывод из эксплуатации

На площадке ФЭИ работали реакторные исследовательские и энергетические установки самых разных типов, с различными теплоносителями: вода, свинец-висмут, натрий, натрий-калий, ртуть. «У нас есть успешный опыт подготовки к выводу из эксплуатации всех этих типов реакторов, — ​говорит Наталья Айрапетова. — ​ФЭИ готов коммерциализировать этот опыт, участвуя в проектах вывода из эксплуатации ядерных объектов как внутри страны, так и за рубежом. Сейчас обсуждаем с коллегами из Казахстана вывод реактора БН‑350. Мы знаем эту установку очень хорошо, ведь ФЭИ был разработчиком и научным руководителем сооружения реактора. Кому, как не нам, превращать площадку его размещения в «зеленую лужайку»? ФЭИ также участвует в создании технологий переработки ОЯТ и обращения с теплоносителем.

Термоядерные технологии

«Наша роль в развитии термояда в России не главенствующая, но крайне важная», — ​подчеркивает Наталья Айрапетова. Одна из фундаментальных задач термоядерной науки — ​создание новых реакторных материалов. ФЭИ развивает методику ускоренных имитационных материаловедческих исследований. «В реакторах надо облучать образцы кандидатных материалов годами, — ​говорит Наталья Айрапетова. — ​Имитационные исследования на ускорителях основаны на бомбардировке образцов материалов тяжелыми ионами. Это дает сокращение затрат и времени на испытания».

Цифровизация

«Цифровые технологии — ​понятие обширное. Биткоины мы не майним, зато умеем разрабатывать прикладное ПО для задач, например, здравоохранения», — ​рассказывает Наталья Айрапетова. Недавно ученые института создали программу для расчета оптимальной дозы облучения при проведении операций по брахитерапии опухолей. «В мире есть подобные программные продукты, но отечественное ПО для больниц дешевле и удобнее. Мы предложим им первый достойный российский аналог», — ​отметила Наталья Айрапетова.

БОЛЬШАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ

ФЭИ обладает не имеющим аналогов в мире комплексом быстрых физических стендов — ​БФС‑1 и БФС‑2. Они позволяют моделировать активные зоны практически любых РУ, не только быстрых. На стендах ФЭИ изучали модели ныне действующих реакторов ИБР‑2, БОР‑60, БН‑600, БН‑800, китайского CEFR и БН‑1200, с гомогенной и гетерогенной компоновками активных зон, исследовали композиции с урановым, плутониевым и смешанным топливом.

От желающих воспользоваться уникальной экспериментальной базой нет отбоя: в очереди на БФС стоят специалисты из Кореи, Франции, Индии и Китая.

В последние годы комплекс прошел масштабную модернизацию. Обновленный БФС‑1 запустили в 2019‑м. В этом году вернется в строй крупнейший в мире физический стенд БФС‑2. Его впечатляющие для быстрых реакторов размеры (высота бака 3 м, диаметр — ​5 м) позволяют моделировать активные зоны и экраны реакторов электрической мощностью до 3000 МВт, а также внутрикорпусные защиты и внутриреакторные хранилища. «Модернизации подверглись практически все системы комплекса быстрых физических стендов, начиная с систем безопасности реакторов, — ​говорит Геннадий Михайлов, начальник лаборатории, специалисты которой проводят эксперименты на БФС. — ​Так, например, подверглась глубокой переработке и переведена на современную элементную базу — ​цифровизация, без нее никак — ​автоматизированная система управления и защиты критических стендов, впрочем, как и практически все остальные функциональные системы. Завершена и вторая, не менее важная часть программы модернизации — ​доукомплектование стендов материалами, необходимыми для моделирования не только современных, но и практически любых перспективных ядерных реакторов большой мощности: нитридом урана, натрием, обогащенным карбидом бора и др.».