От «бомбы» до «нано»

Накопитель энергии на 80–100 МэВ «Сибирь-2» – часть инженерного комплекса «Курчатовский источник синхротронного излучения» (КИСИ).
Фото РНЦ «Курчатовский институт»

Существо глобальных энергетических процессов сегодня – в начинающемся переходе от доминирующего в мировой энергетике традиционного органического топлива к ядерной энергетике деления и синтеза как основе энергетической системы будущего. И Курчатовский институт не может пройти мимо них. В последние годы в институте бурно развивается научное направление, заявившее о себе лишь в последней трети прошлого века, – нанотехнологии, представляющие собой атомно-молекулярное конструирование и оперирующие количествами вещества с характерными размерами в нанометры, то есть миллиардные части метра. Напомним, что атом имеет размер порядка одной десятой нанометра.

Возникает естественный вопрос о глубинной связи макроэнергетики и нанотехнологий, побуждающей заниматься ими в одном, пусть и очень большом, физическом институте – по сути, национальном исследовательском центре. Что заставляет нас одновременно взлетать на два десятка порядков от основных физических единиц или углубляться на десять порядков внутрь вещества?

Прежде всего надо ясно понимать, что новое «прорывное» и наддисциплинарное направление, позволяющее «увидеть» перемещения и воздействовать на отдельные атомы и молекулы вещества (например, нейтронами или электромагнитным излучением заряженных частиц), опирается на инструменты – ускорители, реакторы и т.д., которые были созданы в процессе освоения ядерной энергии.

В Курчатовском институте это мощный исследовательский реактор ИР-8 с системой горизонтальных каналов, отводящих пучки нейтронов для воздействия на вещество, специализированный источник синхротронного излучения с уникальными свойствами непрерывного спектра от инфракрасной области до жесткого рентгеновского излучения и огромной яркостью, «горячие» материаловедческие камеры и еще десятки физических установок мирового класса.

Нанотехнологии уже сегодня обещают принципиальные достижения в создании материалов, выводящих ядерную энергетику на новый технологический уровень. Это и новое ядерное топливо с повышенным энерговыделением и ресурсом, и новые радиационно-стойкие конструкционные материалы, и, конечно, реакторные корпуса, мало подверженные радиационному охрупчиванию и обладающие малой наведенной активностью, нанокомпозиты для защиты от излучения и многое другое.

Конечно, воздействие нанотехнологий на решение энергетических проблем человечества гораздо шире только их ядерной составляющей. Новые материалы нужны всем направлениям энергетики. Укажем только на фантастические возможности усовершенствования возобновляемых источников, использующих энергию солнечного излучения.

Нанотехнологии способны уже в ближайшее десятилетие существенно помочь решению одной из фундаментальных задач человечества – снижению энергетических затрат практически во всех областях экономики (вспомним хотя бы о светодиодах, способных сократить потребление тех 20% электроэнергии, которые уходят на освещение).

Однако есть еще одна многообещающая перспектива ближайшего будущего, где смыкаются ядерная энергия и нанотехнологии. В научных журналах уже появился пока малоизвестный широкой публике термин «изотопная экономика». Он означает давно начавшийся процесс постепенного включения в экономику новых видов атомов, или изотопов, из уже известного науке массива порядка трех тысяч, который продолжает расти за счет открытия новых сверхтяжелых (трансурановых) элементов и «экзотических» изотопов существующих элементов. Так что жизнь давно раздвинула узкие рамки 92 элементов таблицы Менделеева и продолжает вводить в экономическую практику широкую систему изотопов. Заметим, что спрос на изотопы в настоящее время растет в основном из-за применений в медицинской сфере.

Можно ожидать, что сначала разработки будут концентрироваться на сравнительно долгоживущих изотопах, но впоследствии возрастет число используемых изотопов короткоживущих, нестабильных ядер, которые наука сумеет сделать пригодными для использования.

Человечество открывает потенциальные перспективы «изотопно сконструированных» материалов, принципиально расширяя возможности нанотехнологий, за счет исключительно точной настройки субатомных процессов, используя эти подчас уникальные «кирпичики материи» как прекрасный объект для управления свойствами вещества. Материалы, содержащие единственный выделенный изотоп элемента, часто имеют свойства, существенно отличающиеся от изготовленных из смеси изотопов. Известный пример – «изотопно-чистые» алмазы, значительно более прочные, чем встречающиеся в природе.

Ядерные реакторы и ускорители становятся генераторами новых, нужных человеку атомов. При этом реакция распада тяжелых ядер (источник ядерной энергии) дает широкий спектр более легких изотопов, многие из которых очень трудно получить другим путем. Например, относительные концентрации редких металлов в отработавшем топливе реакторов подчас в десятки тысяч раз превышают их среднее содержание в земной коре. Это позволило, например, японским специалистам объявить отработавшее топливо одной из самых лучших руд, известных на Земле.

В этом смысле то, что сами атомщики недальновидно нарекли отходами, может быть, самый ценный продукт, оставляемый грядущим поколениям, вместо беззастенчиво отбираемого у них органического топлива.

Исследовательский реактор ИР-8 с системой горизонтальных каналов, отводящих пучки нейтронов для воздействия на вещество – свечение активной зоны. Фото РНЦ «Курчатовский институт»