На базе уникальных технологий, созданных в свое время для решения задач атомной энергетики, в ГНЦ РФ-ФЭИ разрабатывается инновационная продукция, которая с успехом применяется в других отраслях экономики, обеспечивая связь науки с производством и принося институту немалую прибыль. Значительная часть из множества таких проектов реализуется сегодня в Отделении физико-химических технологий (ОФХТ). Заместитель генерального директора ГНЦ РФ-ФЭИ, директор Отделения физико-химических технологий (ОФХТ), доктор технических наук, профессор Петр Никифорович Мартынов рассказал о нескольких таких проектах.
Атомные технологии – металлургии
В первом из этих проектов использованы технологии жидкометаллического теплоносителя, используемые в реакторах на быстрых нейтронах. Этими ноу-хау по праву гордится ФЭИ. Свинцово-висмутовый теплоноситель был разработан для ядерно-энергетических установок атомных подводных лодок и обеспечил в свое время лидерство нашей страны в этом направлении. В виртуозном владении натриевыми технологиями, применяемыми для охлаждения в быстрых реакторах, России по-прежнему нет равных. И вот теперь жидкометаллические технологии попробовали использовать совсем в другой отрасли – в металлургии, для охлаждения корпуса плавильной установки по переработке радиоактивного металла.
Сама идея такой установки, которая позволила бы вернуть в хозяйственную деятельность материал демонтированных металлоконструкций отработавших свой ресурс АЭС, возникла у челябинских металлургов. В самом деле, выводимые из эксплуатации атомные станции содержат огромное количество ценного, качественного металла, в основном, нержавеющей стали. И дорога ему была одна – в специальные хранилища на охраняемых территориях и фактически – навечно. Понятно, что это нерационально и весьма затратно.
В ходе мониторинга российских предприятий, способных предложить действительно стоящую технологию и осуществлять научное руководство, челябинцы остановили свой выбор на Физико-энергетическом институте. Именно здесь им предложили решение сразу двух задач – экономической и экологической. Первая предполагает возвращение металла в хозяйственную деятельность за счет его высокотемпературной переплавки с применением технологии охлаждения корпуса плавильного агрегата жидкометаллическим теплоносителем. Вторая подразумевает применение оригинальной технологии газоочистки, также в свое время разработанной в ФЭИ для систем очистки воздуха на атомных объектах.
В итоге совместно с челябинскими специалистами был предложен аппарат по переработке радиоактивного металла. Фактически он представляет собой маленькую доменную печь со стальным корпусом. Как они выдерживают температуру плавки металла? Вот в этом-то и заключается ноу-хау ученых Физико-энергетического института: тепло от стен агрегата отводится с помощью жидкометаллического теплоносителя – точно так же, как и в ядерном реакторе атомных подводных лодок. Радиоактивный шлак, собирающийся на поверхности расплава в ходе плавления, удаляется, а отходящие газы очищаются с помощью системы фильтров. В результате из огромной массы радиоактивного металла в отходы идет совсем небольшое его количество, а основная его масса представляет собой чистый качественный металл, пригодный для дальнейшего использования.
Актуальность и новизна данной разработки была рассмотрена и подтверждена экспертами Роснауки, в результате чего был объявлен федеральный конкурс для выбора исполнителя проекта. «Содружество с челябинской группой получило дальнейшее развитие при поддержке «Агентства инновационного развития Калужской области» в лице А.А.Сотникова. Рекомендации агентства были учтены в ФЭИ при формировании предложения в федеральное Министерство образования и науки о бюджетной поддержке проекта на конкурсной основе. Важное значение для достижения успеха проекта имела его оценка губернатором А.Д. Артамоновым. Он отметил его высокую научную и практическую значимость для ФЭИ и региона, а также как пример успешного инновационного развития научных организаций. – рассказывает Петр Никифорович Мартынов. – Актуальность проекта, новизна и эффективность технических решений, а также экономические перспективы позволили выиграть федеральный конкурс на получение существенной финансовой поддержки проекта на 2014-2016 годы».
В конце 2014 года он был принят к финансированию. А в 2016 году уже планируется завершить НИОКР, пройти проектные слушания и начать размещение демонстрационного образца на площадке ФЭИ. На нем планируется «переработать» металлоконструкции Первой в мире АЭС. А в будущем он послужит для тиражирования, организации серийного выпуска и продажи этих агрегатов с целью их установки вблизи выводимых из эксплуатации АЭС. Но это уже – бизнес челябинских партнеров, а участие ФЭИ, казалось бы, должно закончиться вместе с завершением научной части проекта. Однако, по словам Петра Никифоровича, недавно партнеры-металлурги выступили с инициативой о создании совместного предприятия по производству этих установок. Так что ФЭИ предлагается получать свою долю прибыли с производства установок, чем он наверняка воспользуется.
«Законсервированный» наноматериал
Удивительные свойства наноматериалов все шире применяются в самых разных отраслях человеческой деятельности. Даже небольшие добавки нанопорошков кардинально меняют свойства материалов, улучшая их характеристики. Но те самые механизмы, за счет которых наночастицы придают новые свойства материалам, имеют обратную сторону: благодаря высокой поверхностной энергии наночастиц происходит их взаимное прилипание, укрупнение, образуются конгломераты, и наноматериал перестает быть таковым. В Физико-энергетическом институте научились делать такой наноматериал, который хранится сколь угодно долго за счет своей волокнистой структуры. Поэтому Петр Никифорович и называет его «законсервированный» наноматериал. А непосредственно перед использованием эти хрупкие волокна остается лишь растереть.
Эти нановолокна – из оксида алюминия. Внешне они похожи на пух. Впрочем, и весят тоже как пух: их плотность — 15 грамм на литр. Для их получения была использована технология жидкометаллического теплоносителя. Оказалось, что если определенным образом обработать водяным паром расплав алюминий-галлий, то образующийся в результате оксид алюминия как раз и будет иметь волокнистую наноструктуру. Он, по словам Петра Никифоровича, словно айсберг всплывает на поверхности расплава жидких металлов, которые, кстати, можно использовать повторно для получения следующей «партии» нановолокон. Несмотря на кажущуюся простоту, технология эта довольно сложная – необходимо было подобрать определенную температуру, давление, установить скорость подачи водяного пара, под действием которого происходит окисление алюминия и образование нановолокон.
Жидкометаллическая технология получения наноматериала, разработанная в ФЭИ, запатентована и предлагается сегодня для производства особых видов керамики, предназначенной для работы в специальных условиях. И, соответственно, производится наноматериал небольшими партиями, по спецзаданию, например, с целью придания электронным изделиям особых теплоизолирующих и электроизолирующих свойств, а также радиационной стойкости, в чем, кстати, наноматериалу, полученному в ФЭИ, нет равных. Ожидается на него спрос и в производстве резин: обнаружилось, что при введении в резину этого материала она становится более бензостойкой и маслостойкой. При добавлении наноматериала в керамику, та приобретает уникальные свойства, в частности, устойчивость к термоудару. Так вот если добавить в керамику наноматериал, то она выдержит резкий переход из расплавленного металла в холодную воду без разрушений! Именно такие свойства приобретают керамические датчики после добавления наноматериала, выдерживая термоудар в 100 градусов в секунду. И технология продолжает развиваться, принося высокие научные результаты. И хотя материал пока дорог и она используется лишь в специальных изделиях, но уже во многих случаях незаменим, например, в изделиях военной техники.
Выстрел в «десятку»
Сегодня Обнинск по праву называют центром брахитерапии – уникального метода лечения рака предстательной железы. В самом деле, вместо традиционной калечащей операции и, как правило, последующего тотального облучения, затрагивающего соседние органы и ткани – органосберегающий метод, который подразумевает точечное облучение с помощью имплантированных непосредственно в опухоль микроисточников радиоактивного иода-125. Таким образом, удается сосредоточить всю мощность излучения именно в опухоли и свести к минимуму облучение соседних органов и тканей. Одним словом, излучение попадает точно в цель, в «десятку», как выражается Петр Никифорович Мартынов, в отделении которого сейчас реализуется проект производства тех самых микроисточников – тонких капсул, которые вводятся в опухоль.
Сам микроисточник представляет собой миниатюрную капсулу 4 мм длиной и 0,8 мм в диаметре, внутри которой находится серебряная вставка с йодом-125. Изготовить ее – очень трудоемкая и поистине ювелирная работа, состоящая из множества высокотехнологичных операций. Цепочка технологических процессов начинается с изготовления комплектующих и включает в себя технологию нанесения изотопа йода на серебряную вставку внутри капсулы, ее герметизацию лазерной сваркой и последующую проверку на герметичность. Понятно, что никаких следов активности на поверхности быть не должно, поэтому после герметизации проводится дезактивация. После этого капсулы сортируются по активности и упаковываются в так называемый стренд – оболочку, которая потом рассасывается. Она позволяет вводить в опухоль микроисточник не по одному, а сразу пучком. Ведь на каждую операцию требуется порядка 100 микроисточников! Технология стерилизации стрендов – отдельная стадия, также требующая высочайшей квалификации специалистов. И, наконец, завершает цепочку стадия упаковки стрендов, также представляющая собой высокотехнологичный процесс. Для каждой стадии была в свое время разработана своя технология, так что сегодня ФЭИ обладает оригинальными разработками, позволяющими организовать собственное отечественное производство микроисточников для брахитерапии.
В свое время в ФЭИ на средства МНТЦ был сделан небольшой опытный участок для апробации технологий, разработанных для изготовления микроисточников, потому что каждый этап их производства – это отдельная довольно сложная технология. Именно тогда удалось разработать и установить оборудование для производства микроисточников. Сегодня эти работы получили новый импульс в связи с открытием финансирования в рамках выигранного ФЭИ инвестиционного проекта Росатома. Проект предусматривает конкретные сроки реализации каждого из этапов организации производства, согласно которым в этом году планируется выйти на клинические испытания микроисточников, произведенных в ФЭИ. «Мы надеемся, что они пройдут успешно. Вся работа осуществляется под контролем Росатома. Мы еженедельно отчитываемся перед ним о ходе этого проекта и надеемся вместе с нашим партнером – МРНЦ — выйти на клинические испытания», — говорит Петр Никифорович, особо отмечая, что результаты достигаются сравнительно малыми финансовыми вложениями, прежде всего, за счет разработки новых технических решений, то есть, за счет интеллектуальной составляющей. Именно она – основная ценность института, обеспечивающая перспективное развитие этой и других технологий.
«Независимо от запуска производства мы будем продолжать исследования и разработки, связанные с методом брахитерапии, — говорит Петр Никифорович. – Если сейчас в качестве источника излучения мы используем йод-125, то в будущем планируем апробировать и некоторые другие радионуклиды. Одним словом, работа над совершенствованием технологии будет продолжена. Именно связь науки и производства сейчас на самом острие, и мы нацелены на разработки, имеющие практический выход».
Планируется, что производственный участок ФЭИ после его ввода в эксплуатацию позволит выпускать порядка 50 тыс. микроисточников для брахитерапии в год. Они будут полностью закрывать потребности города. Напомним, сегодня в Обнинске брахитерапию осуществляют МРНЦ и Клинической больницы №8 ФМБА России, использующие импортные микроисточники, значительно подорожавшие в последнее время. В итоге, по словам Петра Никифоровича, в Обнинске сегодня делают порядка 30% от общего числа этих операций по России. И он видит в развитии этого метода большие перспективы для города. В самом деле, не где-нибудь, а именно в Обнинске сложились для этого уникальные условия, а именно: наличие на одной территории и производителей микроисточников — ФЭИ, и их потребителей – МРНЦ, Клинической больницы №8 ФМБА России. То есть, Обнинск способен обеспечивать всю цепочку и, главное, ее научное сопровождение и дальнейшее совершенствование метода в содружестве физиков, химиков и медиков.
«Наличие связки «разработчик — производитель и хирург» в этой цепочке очень важно, поскольку позволяет осуществлять новые исследования и разработки, ориентируясь на потребности и запросы медиков, на их опыт»,
— подчеркивает Петр Никифорович.
Есть дальнейшие возможности и для расширения производства микроисточников. «Страна нуждается в гораздо большем количестве микроисточников, чем 50 тысяч в год, и, соответственно, большем количестве операций,- говорит Петр Никифорович. – По нашим оценкам эта цифра должна быть выше, по крайней мере, в 10 раз. Но 500 тысяч микроисточников мы уже не потянем. И я вижу дальнейшие перспективы в объединении усилий Карповского института, МРНЦ, Клинической больницы №8 ФМБА России, чтобы сообща создать эффективную кооперацию по производству и использованию микроисточников».
Более того, именно Обнинск с его возможностями, по его глубокому убеждению, мог бы стать центром целой индустрии, приносящей доход городу. Помимо того, что Обнинск мог бы взять на себя не 30% операций в России, как сейчас, а примерно 80% операций брахитерапии, обеспечивать их полностью микроисточниками собственного производства, началось бы активное развитие вокруг такого центра сервисных услуг, включение в эту орбиту малого бизнеса. Малые предприятия обеспечили бы сервис по приему пациентов, их сопровождению, расселению и т.д. Фактически в этом случае формируется кластер, где на одной территории будут осуществляться и производство изотопов, и выпуск микроисточников, и диагностика, и сами операции, и сопутствующие сервисные услуги, обеспечивающие удобство и комфорт пациентам. Плюс близость Москвы, наличие хороших коммуникаций, — с таким кластером будет трудно конкурировать.
Но, прежде всего, он должен быть доступен для всех нуждающихся. И здесь, по мнению Петра Никифоровича, должно быть совестное с медиками стремление к снижению стоимости лечения. Кстати, в МРНЦ такая работа уже ведется новым руководством, а в ФЭИ стремятся максимально снизить стоимость изотопной продукции. Кроме того, при сосредоточении всей цепочки на одной территории получается значительный выигрыш в цене микроисточников за счет сокращения транспортных расходов. «При такой обоюдной работе по снижению стоимости продукции и услуг мы даже за те деньги, что выделяются государством, сможем охватить гораздо большее количество больных», — утверждает Петр Никифорович. Тем более, что такой проект хорошо вписывается в стратегию развития региона, направленную на концентрацию новых медицинских и биофармацевтических технологий и производств на его территории. Именно за такой инновационный подход ратует губернатор Калужской области Анатолий Артамонов, что в итоге обеспечивает Калужской области динамичное развитие ее экономики и лидирующие позиции в соответствующих рейтингах.