Лаборатория возможностей: что можно успеть за 15 лет

11 августа дивизион «Росатом Наука» (в недавнем прошлом «Наука и инновации») отметил 15-летие. Для науки это одновременно и мгновение, и целая эпоха. Мы собрали ключевые достижения ученых дивизиона по 15 направлениям: от фундаментальных исследований и запуска мегапроектов до прикладных разработок, которые уже спасают жизни, делают производства безопаснее и заменяют зарубежные решения в стратегических отраслях.

Космос

НИИ НПО «ЛУЧ» разработал и поставил на производство монокристаллический сплав молибдена, ниобия и циркония. Он стал ключевым конструкционным материалом тепловыделяющих элементов для первого в мире прототипа ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса.

«НИИграфит» предложил углеволокно на основе изотропных и мезофазных пеков для создания крупногабаритных космических конструкций: рефлекторов спутников, элементов орбитальных станций и систем теплоотвода.

В Институте «Росатома» в Троицке создают плазменный электрореактивный ракетный двигатель на базе магнитно-плазменного ускорителя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса. Такие двигатели смогут разогнать космический аппарат в космическом пространстве до скоростей, недоступных химическим двигателям, а также позволят эффективно использовать запас топлива, в десятки раз сокращая его потребность. На Марс на таком движке можно будет добраться за неделю. В 2025 году изготовили лабораторный прототип двигателя, сейчас идут его испытания.

Биопечать органов

Специалисты Научно-производственного центра медицинских изделий и клеточных продуктов Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (НИИТФА) развивают технологии биофабрикации — создания тканевых эквивалентов из живых клеток. Ученые сначала формируют клеточные сфероиды, которые затем объединяют в тканевые конструкции в питательной среде с помощью физических полей.

Сегодня в НИИТФА созданы тканевые эквиваленты кровеносных сосудов и сердечных клапанов. Исследования направлены на создание функциональных участков органов, в том числе сердца и печени. Технологии проходят исследования на модельных животных: широкую известность получил кролик Заяц, которому был имплантирован тканевой эквивалент кровеносного сосуда.

Ученые работают над созданием универсальных стволовых клеток, в которых с помощью редактирования генома отключают гены иммунного ответа. Такие клетки станут материалом для клеточных продуктов, подходящих широкому кругу пациентов без риска иммунного отторжения.

Следующий этап — проведение космического эксперимента по формированию тканевого эквивалента паращитовидной железы в условиях микрогравитации с последующей доставкой его на Землю для исследований.

Радиофармацевтические лечебные препараты

За 15 лет ученые «Росатома» вместе с врачами разработали технологии производства множества РФЛП: импортозамещающих и инновационных. Микроисточники с йодом-125 для брахитерапии рака предстательной железы; генераторы технеция и рения для диагностики и лечения онкологических и кардиологических заболеваний; препарат на основе самария-153 для уменьшения сильной боли у пациентов с метастазами в костях; тросовые источники на основе иридия-192 для гамма-терапевтических аппаратов контактного облучения; альфа-эмиттеры (радий-223, актиний-225 и др.) для таргетной терапии злокачественных опухолей — список можно продолжать долго. В Обнинске завершается сооружение крупнейшего в стране фармацевтического производства, которое будет выпускать порядка 20 видов изотопной продукции для ядерной медицины.

Экспериментальная база

С 2011 года атомные институты существенно обновили экспериментальную базу, которая задействована в российских и зарубежных исследовательских программах. В Заречном Свердловской области провели реконструкцию исследовательского ядерного реактора ИВВ-2М — одной из главных рабочих лошадок реакторного материаловедения и наработчика изотопов для медицины и промышленности.

В Обнинске модернизировали комплекс быстрых физических стендов — уникальную экспериментальную базу для исследования физики инновационных реакторов. В Димитровграде провели очередную масштабную модернизацию самого высокопоточного в мире исследовательского реактора СМ-3. В результате наработка уникальных изотопов, в том числе трансплутониевых элементов, выросла на 40 %.

Кроме того, в Димитровграде продолжается возведение многоцелевого быстрого исследовательского реактора (МБИР) четвертого поколения. Он обеспечит атомную отрасль современной и технологически совершенной исследовательской инфраструктурой на ближайшие 50 лет.

Фундаментальные исследования

Ученые снабжают большую науку материалами для познания Вселенной. В Димитровграде создали уникальный искусственный источник нейтрино на основе радионуклида хром-51 для международного научного эксперимента BEST по поиску новой элементарной частицы — так называемого «стерильного» нейтрино.

В «Гиредмете» освоили получение трихлорида титана — прекурсора для выделения изотопа титан-50. Последний применяют в качестве бомбардирующей частицы в ускорителях для синтеза новых сверхтяжелых элементов, в частности с его помощью был получен 116-й химический элемент ливерморий Периодической таблицы Менделеева. А недавно в Димитровграде изготовили берклиевые мишени для синтеза 119-го элемента.

Аддитивные технологии

НИИ НПО «ЛУЧ» многое сделал для развития отечественных аддитивных технологий, когда зарубежные поставщики ушли с российского рынка. В 2023 году в институте собрали первый отечественный, не имеющий аналогов в мире трехосевой сканатор. Он обеспечивает контроль температуры и модулирующее воздействие на материал при кристаллизации во время селективного лазерного плавления, позволяет управлять структурой материала во время 3D-печати изделий.

Кроме того, в «ЛУЧе» разработали установку селективного лазерного спекания с новой кластерной лазерно-оптической системой сканирования. Благодаря ей можно печатать, например, изделия из карбида кремния большого диаметра. У «ЛУЧа» есть и электронно-лучевой принтер собственной разработки для печати из тугоплавких металлов. Всего же для аддитивного производства в научном дивизионе изготовили девять моделей 3D-принтеров, работающих по 10 различным технологиям.

Авиация

Импортозамещение в авиации — еще одна задача, которую взяли на себя атомщики в условиях зарубежных санкций. Первым делом ученые Физико-энергетического института им. Лейпунского адаптировали воздушные и водяные фильтры для атомных станций под применение в системах рециркуляции воздуха и подачи питьевой воды воздушных судов иностранного производства. В 2023 году «Росатом» и «Аэрофлот» подписали меморандум о стратегическом сотрудничестве. На базе научного дивизиона решено было создать целевую производственную структуру, освоить сертифицированное производство и наладить техническое обслуживание комплектующих. Сегодня, помимо фильтров, ФЭИ серийно производит замки системы закрепления грузовых контейнеров в багажных отсеках воздушных судов и держатели планшетов пилотов.

Управляемый термоядерный синтез

Институты «Росатома» — надежные поставщики оборудования для сооружаемого во Франции Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. С начала 2020-х годов также идет работа над национальным термоядерным проектом. Готов эскизный проект токамака с реакторными технологиями (ТРТ), который планируют построить в Троицке. Разработаны материалы технического проекта основных систем комплекса ТРТ, изготовлены и испытаны витки модельной катушки обмотки индуктора, есть эскизный проект литиевых внутрикамерных элементов для защиты первой стенки и дивертора, изготовлены и испытаны опытные образцы элементов первой стенки и дивертора.

Водородная энергетика

По заказу «Росэнергоатома» НИИ НПО «ЛУЧ» разработал технологию производства микротвэлов — сферического ядерного топлива нового типа для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов четвертого поколения, которые должны стать источниками высокопотенциального тепла для масштабного производства водорода. На площадке Протвинского филиала «ЛУЧа» создан испытательный стенд для отработки технологий получения низкоуглеродного водорода и водородсодержащих продуктов из природного газа. В Институте реакторных материалов (ИРМ) завершили уникальный эксперимент с топливом для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Ученые смоделировали ситуацию выхода реактора в аварийный режим и оценили последствия. Ничего подобного в мире до сих пор никто не делал. В ходе эксперимента исследовали, как поведут себя топливные компакты при экстремальном, до 1600 градусов Цельсия, повышении температуры, выяснили, каким будет выход радиоактивных продуктов.

Электротехника

Химико-технологический блок научного дивизиона — поставщик уникальных материалов для электронной промышленности. В «Гиредмете» разработали не имеющую аналогов в России технологию выращивания крупногабаритных монокристаллов антимонида галлия с улучшенными свойствами. Такие пластины идеально подходят для производства оптоэлектронных приборов, солнечных батарей, устройств обнаружения теплового излучения, высокоскоростных коммуникационных систем, источников энергии, медицинской аппаратуры и систем мониторинга качества воздуха и воды.

Совместно с «Гиредметом» в «ЛУЧе» создали производство высокочистого красного фосфора и оксихлорида фосфора. Оно позволяет полностью заместить импортные материалы для микроэлектроники. Не забывают ученые и о переработке. «Гиредмет» предложил технологию рециклинга отработанных литийионных аккумуляторов с получением на первом этапе концентрата лития, кобальта, никеля и марганца («черной массы»), а далее — солей ценных элементов батарейного качества. Продукты переработки могут повторно использоваться, в том числе для изготовления новых литийионных аккумуляторов.

Новые материалы

Конструкционные материалы — основа развития отрасли, атомпрому нужны сотни новых составов с уникальными свойствами. В научном дивизионе в прошлом году разработали эскизный проект технологической линии автоматизированного синтеза материалов с применением ИИ. Она позволит тестировать до десяти уникальных составов в сутки. ИИ-алгоритм самостоятельно подбирает состав и структуру перспективных материалов, управляет их синтезом, затем анализирует свойства полученных образцов и при необходимости улучшает рецептуру. В результате сроки создания новых материалов сократятся с нескольких лет до считанных месяцев. Разработана универсальная программно-аппаратная платформа цифровых инструментов компьютерного материаловедения для прогнозирования свойств и поиска новых полимерных композиционных и металлических материалов. Составлена база данных свойств полимеров, керамики, стали и других материалов. Разработаны методики экспресс-оценки физико-механических свойств материалов с использованием ионных ускорителей, которые помогут значительно ускорить оценку радиационной стойкости конструкционных материалов и оптимизировать время реакторных испытаний.

Роботизация

Научно-исследовательский институт приборов разработал робототехнический комплекс для демонтажных работ во время вывода из эксплуатации промышленных радиационно опасных объектов, а также извлечения, фрагментации, сортировки и упаковки в контейнеры радиоактивных отходов. Испытания продемонстрировали, что устройство может бесперебойно работать в условиях высокого уровня радиации. Институт в Троицке создал мобильный лазерный комплекс на основе иттербиевых лазеров для дистанционной (до 300 метров) резки. Он уже нашел применение при ликвидации разливов нефтепродуктов — лазерным лучом резали металлоконструкции и поджигали горючую смесь. Также лазерный комплекс применялся для утилизации затонувших кораблей на Сахалине, фрагментации радиационно-загрязненного оборудования разделительных производств и разделки реакторного оборудования.

Плазменные технологии

В Институте «Росатома» в Троицке изобрели технологию лазерного ударного упрочнения, которая позволяет убрать внутренние напряжения в металлических изделиях, повысить их усталостную прочность и долговечность без последующей механической обработки. В результате, например, увеличиваются прочностные характеристики конструкционных сталей, из которых изготавливаются элементы газовых турбин: твердость поверхности повышается в 3,5 раза, а шероховатость уменьшается на 25 %. Для обработки изделий сложной формы создана установка по воздействию импульсными плазменными потоками.

Радиохимия

С 2022 года радиохимия определена приоритетным направлением научно-технического развития госкорпорации «Росатом». Радиевый институт им. Хлопина назначен головной научной организацией по радиохимическим технологиям и осуществляет сопровождение Комплексной отраслевой программы по развитию радиохимического направления, в которой помимо институтов и заводов «Росатома» участвует Российская академия наук. Есть у Радиевого института и другие научные достижения, одним из которых является разработанный метод одновременного извлечения металлов платиновой группы (рутения, родия и палладия) из растворов отработавшего ядерного топлива. Он повысит технологическую и экологическую безопасность остекловывания ВАО, а также значительно увеличит срок службы установок остекловывания.

Геология

В Институте в Троицке придумали метод поиска полезных ископаемых с помощью регистрации потока космических мюонов на различных глубинах в скважинах. Ученые собрали полнофункциональный образец мюонного томографа для поиска и оценки рудных месторождений. Мюоны ловит детектор на основе сцинтиллирующего оптического волокна и кремниевых фотоумножителей. Размещая детекторы мюонного томографа в нескольких скважинах около исследуемой области грунта, можно получить трехмерную томографическую картину распределения плотности грунта.

Справка

В 2011 году институты «Росатома», специализирующиеся на физико-энергетических, электрофизических и химических исследованиях, объединились в научный дивизион под управлением единой компании. Позже к ним присоединились разработчики решений для медицины. В 2024 году управляющая компания была переименована из АО «Наука и инновации» в «Росатом Наука».