Стыдно не знать: 5 разработок ИЯФ, которые меняют мир

В мае Институт ядерной физики СО РАН отметит двойной юбилей — 60 лет со дня основания и 100 лет со дня рождения его основателя, академика Герша Будкера. Новосибирцы привыкли гордиться своими учёными, СО РАН и Академгородком, но лишь немногие понимают, что делают за стенами институтов. Обозреватель НГС пообщался с учёными ИЯФ и попросил их простыми словами рассказать о пяти самых важных разработках института за его 60-летнюю историю. О том, зачем физикам определять возраст коньяка, когда в Новосибирске будут облучать еду радиацией и что же такое коллайдер — в материале НГС.

Для того чтобы исследовать элементарные частицы, нужно ускорять их и сталкивать. «Два паровоза когда сталкиваются, как меня учил Будкер на первой лекции, это помогает добраться до самых внутренних деталей паровоза — они просто разлетаются. И регистрируя эти части, ты можешь понять, как устроен паровоз», — привёл пример работы коллайдера академик РАН Василий Пархомчук. Чтобы заставить провзаимодействовать электроны и позитроны, их разгоняют до очень большой энергии. При столкновении они исчезают, а вместо них рождаются новые [частицы]. Наблюдая этот процесс, ученые получают недоступную ранее информацию о строении частиц. Но главная цель — найти проявления Новой физики, то есть законов природы, которые еще неизвестны и которые могут перевернуть наше представление об окружающем мире.

Частицы разгоняют в коллайдере. В ИЯФ работает два электрон-позитронных коллайдера. Всего в мире их семь. Подобные, только большего размера, есть на границе Швейцарии и Франции, в ЦЕРНе — Европейской организации по ядерным исследованиям, где трудились и ияфовцы, и в других странах.

Установка с таким сложным названием на самом деле выполняет интересную функцию — она позволяет определить возраст каких-либо объектов. Начиная с камней, минералов и деревьев и заканчивая произведениями искусства, останками людей, животных и даже коньяком. Единственное условие — они все должны содержать углерод. Ускорительным масс-спектрометром пользуются археологи, почвоведы, геологи, историки и даже полицейские-криминалисты. В ИЯФе на УМС анализируют около тысячи образцов в год. Например, недавно физики проанализировали образец сосны из Академгородка. Пик концентрации радиоуглерода в биосфере пришёлся на кольца, которые соответствуют 60-м годам, когда в мире проводили наземные испытания ядерного оружия.

Возраст определяют по сохранившемуся углероду. «Есть кость, это была кость молодой бизонихи, мы кусочек этой кости выпилили, отнесли его на наш масс-спектрометр и начали анализировать. Оказалось, что C-14 (углерода. — К.Ш.) внутри очень мало. Это прошло 27 тысяч лет [назад]. Нашли её здесь, под Институтом ядерной физики», — рассказал Василий Пархомчук. Перед началом исследования на УМС химики выделили из кусочка кости коллаген (белок), из которого получили углерод в графитоподобном состоянии. Именно его и поместили в барабан для анализа.

Такой способ датирования объектов археологи любят больше всего, потому что для этого нужно совсем небольшое количество исходного материала.

В 50-х годах советские учёные, которые занимались исследованиями по созданию ядерного оружия, переключились на использование ядерной энергии в мирных целях. Так начались исследования в области управляемого термоядерного синтеза — синтеза тяжелых ядер из более лёгких. Для того чтобы запустить эту реакцию, нужно нагреть плазму (высокоионизованный газ) до 100 миллионов градусов и выше, в то же время её плотность должна быть достаточно большой — только в этом случае КПД будет положительным. Для решения этих проблем создают экспериментальные термоядерные установки. Самый распространённый вариант — замкнутая ловушка типа токамак. Она представляет собой тороидальную — в виде бублика — камеру с магнитными катушками. Такие установки считаются наиболее перспективными, поэтому международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, который строят сейчас во Франции, будет представлять собой именно токамак.

В Институте ядерной физики проводят исследования на другой конфигурации термоядерной установки — на открытых ловушках. Это незамкнутые системы для удержания плазмы. Идею создания таких установок впервые предложил Будкер ещё в начале 60-х годов. «Сейчас разработан концептуальный проект ловушки нового поколения — она может стать прообразом термоядерной электростанции, экологически безопасной и работающей. Но это долгий ещё путь: чтобы достичь этой цели, нужны экспериментальные проверки этих новых идей», — пояснил заместитель директора по научной работе Александр Бурдаков.

В России, как и в других странах, есть программы развития термоядерной энергетики, чтобы создать термоядерную электростанцию. Такие электростанции привлекательны, потому что не требуют ископаемого топлива, в отличие от других способов получения энергии. Но на пути к дешёвой и экологичной термоядерной электростанции ещё много проблем, которые и пытаются решить учёные.

Синхротрон — по сути, гигантский микроскоп. Он позволяет учёным наблюдать процессы, которые происходят внутри веществ, на очень маленьком, атомарном уровне. Синхротронное излучение, возникающее при движении заряженной частицы в магнитном поле по искривленной траектории, считают одним из самых востребованных приложений ускорительной техники.

Синхротронное излучение используют в разных областях науки, например в фармакологии. С его помощью химики смогли изучить молекулы висмута трикалиядицитрата — одного из самых эффективных средств против язвы желудка, и на его основе создать отечественный препарат, который скоро появится в аптеках.

В 70-х годах в мире было всего два синхротронных излучателя — в ИЯФ и в Стэндфордском университете в США, рассказал заместитель директора по научной работе Николай Мезенцев: «Сразу многие в то время исследователи потянулись сюда, к нам, — из Англии, Германии, Чехословакии, — проводили эксперименты. Мы в этом смысле были пионерами, и многие методики, которые здесь разработаны, они используются сейчас по всему миру, и все работают».

В скором времени в Академгородке могут сделать целый центр синхротронного излучения — об этом учёные попросили президента Владимира Путина, когда он приезжал в Новосибирск в феврале.

Одно из направлений, которым занимаются учёные ИЯФ и которое уже используют на производстве, — это промышленные ускорители. В 70-х годах Будкер поставил задачу: выйти на рынок промышленных ускорителей, которые уже существовали до этого, но были недостаточно мощные и надёжные.

Ускоритель — источник радиации, но его, в отличие от постоянных радиационных источников, можно включить и выключить, и он станет абсолютно безопасным, особенно для работы в сложных заводских условиях. Новые модели ускорителей стали применять для облучения проводов, которые после этого увеличивали срок своей службы и стали более стойки к перегревам и возгоранию. Со временем стало возможным использовать эти установки для стерилизации медицинских изделий: халатов, масок, одноразовых шприцев. «Пластиковые шприцы невозможно обеззаразить кипячением или чем-то ещё. Радиационная стерилизация недостатков не имеет, потому что нет ничего чище электронов. Электроны сделали свою работу, проникли внутрь упаковки, убили все живые организмы и сами ушли. Никакой химии даже принципиально быть не может», — пояснил заведующий лабораторией Александр Брязгин.

Сейчас учёные ждут, когда законодательство полностью позволит использовать такие ускорители и для обработки пищевых продуктов: предполагается, что они исключат из состава продуктов консерванты и химические добавки и увеличат сроки хранения. Чтобы избежать возможных проблем с неграмотным применением радиации в пищевой промышленности, нужно дождаться, чтобы в технических регламентах и ГОСТах прописали все условия применения ионизирующего излучения для пищевых продуктов.

«Метод облучения пищевых продуктов мы сейчас по-другому называем, чтобы преодолеть радиофобию, — метод холодной электронной пастеризации», — отметил Брязгин. По его словам, это должно произойти ближайшие несколько лет.

Читайте также:

СО РАН разнесло. Власти присоединят к Академгородку соседние районы — учёные заявили, что им нужны земли и дома.