Полвека трансмутаций

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 её 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 фотографии — и наша экскурсия продолжится там. Мощность реактора ТПУ — 6 МВт. Для сравнения, мощности больших АЭС исчисляются тысячами мегаватт. Но исследовательские тепловых 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. Ещё одно обновление реактор пережил в 2006-м, когда в соответствие 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 ещё 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. Секрет философского камня — по крайней мере ту его часть, что касается трансмутации вещества, а не духа — выяснил ещё 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 5 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». 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 учёным, 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 даёт 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 минимальны 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.