Как методы, с помощью которых разрабатывались конструкционные материалы для атомных и термоядерных реакторов, нашли применение в диагностике онкологических заболеваний, рассказывает Владимир Колотов, научный руководитель направления «аналитическая химия» ГЕОХИ РАН, член-корреспондент РАН.

— Владимир Пантелеймонович, знаю, что одной из первых ваших работ стала разработка новых материалов для атомной промышленности. Там нужны какие-то особенные материалы?

Владимир Колотов работает в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского в должности научного руководителя направления «аналитическая химия» и руководит лабораторией методов исследования и анализа веществ и материалов. Фото из личного архива.

— Для ядерной энергетики необходимо разрабатывать специальные конструкционные материалы, способные не терять свои свойства в очень жёстких условиях нейтронного облучения. Радиация может негативно сказываться на свойствах материалов. Вызванные ей повреждения и дефекты структуры, например, делают вещества более хрупкими или даже меняют их размеры. Этими вопросами начали заниматься очень давно, ещё в 50-е годы прошлого века, когда закладывалась наша ядерная промышленность.

Наш институт оказался вовлечён в этот процесс позже, в середине 80-х годов, когда появилась перспектива использования термоядерной энергетики. Тогда предполагалось, что эра термоядерного синтеза уже не за горами.

Термояд, как вы знаете, это источник чистой энергии, основанный на реакции синтеза изотопов водорода — дейтерия и трития. Такая реакции идёт на Солнце. В термоядерном реакторе нет долгоживущих продуктов и делящихся материалов, которые требуют утилизации. Даже аварийные ситуации потенциально менее масштабны, и таких проблем, как, например, в Чернобыле или Фукусиме, быть не может.

— Как и проблемы безопасной утилизации ядерных отходов.

— Совершенно верно. Несмотря на нынешний уровень развития ядерной энергетики, в том числе, благодаря работам, проводимым в нашем институте, проблемы с утилизацией отходов всё равно стоят достаточно остро. С термоядом же другие проблемы. В результате термоядерного синтеза образуются так называемые быстрые нейтроны, которые активируют конструкционные материалы реактора. Это приводит к образованию широкого спектра радионуклидов. Они представляют опасность при обслуживании установки и опять же требуют утилизации при выводе реактора из эксплуатации.

Тогда и появилась идея использовать такие материалы, которые будут либо мало, либо вообще не будут активироваться или будут отличаться быстрым распадом наведённой радиоактивности. Скажем, реактор поработал несколько десятилетий, ещё столько же постоял, «остыл», радионуклиды распались, материалы утилизировали, переработали и использовали в строительстве других реакторов. Таким образом, реализуется своего рода замкнутый цикл материалов — и никаких отходов.

Мы занялись разработкой подходящих кандидатов на роль таких новых материалов вместе со специалистами в области радиационного материаловедения из Института металлургии РАН.

— Вам это удалось?

— Да. Мы совместно создали научные основы разработки нового класса конструкционных материалов, так называемых малоактивируемых, или материалов с ускоренным спадом наведённой радиоактивности. У нас получилась целая серия разнообразных материалов: ванадиевые сплавы с титаном и хромом, с галлием, различные стали ферритного и аустенитного классов. Всё это было апробировано, протестировано, и казалось, что имеет огромные перспективы. Но сейчас интерес к этой теме заметно угас.

— Почему?

— Вы знаете, что сейчас на юге Франции, в Провансе строится международный термоядерный реактор ИТЭР. Его предполагают запустить к 2025 году, впереди длительный период тестирования. Проект должен стать важнейшим шагом на пути к термоядерной энергетике.

Россия участвует в этом проекте, так как именно у нас родилась идея токамака, на основе которого и проектируется ИТЭР. Строится он уже давно. Аналогичные работы по термояду ведутся в Японии, Китае, США и других странах.

Однако куда более серьёзными, чем задача использования материалов с быстро распадающейся наведённой радиоактивностью, стали разного рода технологические проблемы, например, удержание плазмы достаточно длительное время. Обеспечить её устойчивость оказалось куда сложнее, чем полагали ранее. Рекордное время удержания плазмы сейчас составляет десятки секунд, максимум минута. Так что говорить сейчас о термоядерном синтезе как альтернативе традиционной ядерной энергетике пока не приходится.

— В интервью с прежним директором ГЕОХИ, академиком Эриком Михайловичем Галимовым, мы не раз говорили о перспективах добычи гелия-3 на Луне. Может быть, здесь есть какие-то успехи?

— Лунный гелий был одной из любимых тем Эрика Михайловича. На Луне около миллиона тонн гелия-3, в то время как тонна гелия — это эквивалент 15 миллионов тонн нефти. Представляете, насколько это заманчивый источник дешёвой природной энергии? Это тысячелетия безбедного существования для человечества.

— Но, насколько я понимаю, добыть его непросто...

— Да, это непросто, но есть ещё более сложная проблема. Физикам пока не удаётся удержать достаточное время дейтерий-тритиевую плазму, чтобы успеть получить из неё энергию. Так что уж говорить о куда более энергетически затратном процессе с гелиевой плазмой? Несомненно, это очень соблазнительно, и наши материалы тут пригодились бы, ведь продукт этой реакции — протоны — обладают заметно более низкой активирующей способностью по сравнению с нейтронами. Но это перспектива более далёкого будущего.

— Владимир Пантелеймонович, кроме термояда, до которого пока, видимо, как до Луны, где ещё используются разработанные вами материалы?

— Наши материалы — это мостик к традиционной ядерной энергетике, где используются реакции деления, а не синтеза. Реакторы на быстрых нейтронах становятся сейчас ведущими в нашей энергетике, и конструкционные материалы, свободные от таких «вредных» элементов, как ниобий, никель, молибден, кобальт, на которых нарабатываются долгоживущие радионуклиды, там тоже нужны.

Корпуса традиционных реакторов, реакторов для подводных лодок, ледоколов нужно изготавливать из малоактивируемых материалов. Они успешно апробированы, хотя надо понимать, что радиоактивность «обычных» конструкционных материалов несравнимо ниже, чем продуктов деления ядерного топлива. Поэтому утилизации и переработке ядерного топлива традиционно уделяется первостепенное внимание.

Есть и другие применения. Когда мы занимались малоактивируемыми материалами, выяснилось: чтобы их получить, нужно минимизировать содержание в них нежелательных микропримесей. Для этого необходимо уметь определять очень низкие, следовые концентрации широкого спектра элементов.

Поэтому при разработке малоактивируемых материалов был проанализирован широкий круг реальных материалов, которые уже производятся, например, железо, ванадий, лигатуры для производства стали, шихтовые и другие материалы. Это необходимо для выбора материалов с допустимыми уровнями концентрации элементов, которые потенциально могут быть источниками долгоживущих радионуклидов.

Задачу определения следовых концентраций элементов мы и сегодня успешно решаем, опираясь уже не на метод нейтронно-активационного анализа, а на методы масс-спектрометрии и эмиссионного анализа. Мы выполняем заказы крупных компаний и госкорпораций для металлургии, рудной промышленности, добычи полезных ископаемых.

— А как всё это связано с анализом биологических объектов?

— Это тема, которая начиналась ещё в 70-е годы прошлого века, когда были проведены пионерские работы с использованием метода нейтронно-активационного анализа. После широкого внедрения в практику метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой это направление получило новое развитие. Оно получило название металлопротеомика. И здесь пригодились разработанные нами методики.

Металлопротеомика изучает роль различных элементов в биохимических процессах, в тех же реакциях с белками. Исходной точкой здесь служит как раз определение следовых концентраций металлов в различных тканях биологического происхождения — пункции тканей, волосах, биофлюидах и так далее.

Одна из прикладных задач — выявление корреляций между патологическим состоянием организма и присутствием в нём тех или иных элементов даже в микродозах. На этой основе может быть создана диагностика разного рода заболеваний — в первую очередь речь идёт об онкологических проблемах.

— Сотрудничаете ли вы в этом направлении с медицинскими организациями?

— Да, мы сейчас активно сотрудничаем с Владимиром Ефимовичем Зайчиком из Медицинского радиологического научного центра в городе Обнинске. В фокусе наших исследований — ткани молочной железы. Хотя понятно, что таким образом можно работать не только с материалом пункции молочной железы, но и с любыми другими тканями.

Проблема анализа состоит в том, что масса отбираемых образцов очень мала (20-30 мг), а жировая ткань очень обеднена по химическим элементам. Поэтому необходимо уметь определять не просто низкие, а ультранизкие концентрации элементов. Для решения этой задачи мы разработали специальные автоклавы, в которых проходит разложение образцов малой массы в кислоте. Мы также создали программное обеспечение для оценки неопределённости измерения концентрации элемента из единичной пробы. Это важно для сбора корректной статистики проводимой работы. Конечная цель — не просто найти корреляции между патологией и количеством тех или иных элементов в тканях, но и научиться по этим признакам различать, чем эти ткани отличаются между собой. Мы думаем, что этот способ поможет не только обнаружить патологию на ранней и сверхранней стадии, но и увидеть предрасположенность к ней, когда человек ещё полностью здоров. Это означает, что болезни можно избежать, приняв те или иные превентивные меры.

— Каковы результаты исследования?

— Такая корреляция прослеживается, хотя окончательные выводы делать пока рано. Сейчас мы продолжаем вести анализы проб, первые публикации должны появиться в этом году. Мы надеемся использовать эти подходы для создания новых диагностических решений, что поможет многим людям избежать тяжёлой болезни.