Производные элементы

Ядерные технологии выходят далеко за пределы электроэнергетической отрасли. В России новые разработки «Росатома» применяются, казалось бы, в самых неожиданных сферах и становятся настоящим чудом медицины, строительства и космической промышленности. Благодаря современным подходам к использованию атома создаются живые ткани для трансплантологии, инновационные материалы, выдерживающие колоссальные нагрузки, и такой критически важный для миллионов людей ресурс, как пресная вода. В перспективе, уверены ученые, список направлений применения атомных технологий продолжит расширяться.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Органы будут собирать по клеточкам

Сюжеты фантастических фильмов, в которых в инкубаторе выращиваются поврежденные ткани человека или даже отдельные органы, уже в обозримой перспективе могут стать реальностью. Ученые «Росатома» ведут разработку комплекса инновационных устройств для биофабрикации — формирования живых тканей из собственных клеток пациента, что позволяет избежать иммунного ответа от организма и способствует лучшей приживаемости.

Созданный учеными «Росатома» биофабрикатор уже сегодня позволяет с помощью ультразвукового акустического поля выращивать биосовместимые эквиваленты кровеносных сосудов длиной до 10 см из клеток пациента. Первая операция по установке такого эквивалента была проведена в начале года: искусственный сосуд, выращенный в биофабрикаторе, успешно имплантировали кролику в бедренную артерию. Последующие исследования подтвердили функциональность созданного сосудистого эквивалента.

Применение этой технологии в будущем поможет людям, страдающим от варикоза, тромбоза, ишемической болезни сердца и других сосудистых заболеваний. «На сегодняшний день потребность одних только сегментов сосудов достигает около 50 тыс. случаев в год, а про очереди в ожидании органов типа почки мы все знаем не понаслышке. Пациенты годами ждут своей очереди, мы хотим улучшить качество жизни людей, которые страдают и для которых это уже вопрос жизни и смерти»,— говорит ведущий специалист научного института «Росатома» в Троицке в области аддитивных технологий и биоинжиниринга Егор Плахотнюк.

В ближайшие годы разработка ученых позволит «ремонтировать» и другие поврежденные ткани и органы. В будущем они планируют на основе биофабрикации трубчатых тканей перейти к более сложным железистым тканям.

«Росатом» ведет активное развитие и других медицинских и биотехнических компетенций, таких как генетика и биопечать. Среди уникальных разработок — имплантаты, создаваемые с помощью лазеров из металлического порошка. Чтобы повысить совместимость с тканями пациента, на всю поверхность изделий, которые уже имеют биоподобное ячеистое строение, наносят специальное остеотропное покрытие, эквивалентное минеральной составляющей костной ткани.

Использование перспективных технологий позволяет изготавливать готовые индивидуальные медицинские изделия за семь дней вместо двух месяцев, которые процесс занимает сейчас. Это может сократить процесс восстановления пациентов в два-три раза, поясняет Егор Плахотнюк. Он отмечает, что в госкорпорации прилагают все усилия для того, чтобы разрабатываемые технологические подходы могли быть внедрены в ближайшие 10–20 лет.

В свою очередь, руководитель группы реализации научных проектов АО «Росатом Наука» Владислав Парфенов подчеркивает, что «Росатом» сделал возможным перевод технологии, к которой долгие годы никто не мог подступиться, из разряда «научная фантастика» в услуги, условно входящие в ОМС. «Зарубежные партнеры и коллеги используют также бесскаффолдную биопечать тканей и небольших органов, другие печатают сосуды. Но наш технологический подход нацелен на фундаментальный, платформенный подход, который сможет создавать не только одну конкретную структуру организма, меняя лишь длину и ширину, а быть вне ограничивающих рамок при создании клеточных эквивалентов органов и тканей, необходимых пациентам уже сейчас»,— подчеркивает он.

Найти и обезвредить

В 2024 году в России было выявлено более 630 тыс. случаев онкологических заболеваний. Одним из залогов успешного лечения злокачественных опухолей, как и других заболеваний, является их ранняя и точная диагностика. При этом само исследование, проводящееся с радиоактивными изотопами, должно причинять как можно меньше вреда организму. В этом врачам помогает уникальная разработка АО «НИФХИ им. Л. Я. Карпова» для медицинской сферы — генератор технеция-99m. Этот препарат — продукт распада материнского изотопа молибдена-99 и один из самых востребованных радиоактивных изотопов в диагностике. Он используется как самостоятельно, так и для приготовления радиофармацевтических препаратов с помощью специальных реагентов, так называемых холодных наборов. Такие препараты применяются для лучевой диагностики мозга, щитовидной железы, слюнных желез, а также рентгенологического обследования сердца, вен и артерий с контрастом. Особенность технеция в том, что он накапливается конкретно в опухоли, делая диагностику более точной и безопасной.

В то же время применение этого изотопа осложняет короткий период полураспада, что требует приготовления радиофармпрепаратов непосредственно в клинических лабораториях, где он впоследствии используется. Эту задачу позволяет решать генератор технеция.

Разработку таких приборов НИФХИ начал еще в 1980-е годы ХХ века, а первые опытные генераторы были поставлены в клиники в 1987–1988 годах. Массовые поставки по всей территории страны стартовали в конце 2017 года, и сейчас генераторы используются в 170 российских клиниках.

Как поясняет гендиректор АО «НИФХИ им. Л. Я. Карпова» Олег Кононов, появление генераторов сделало возможным проведение компьютерной томографии с использованием однофотонных радиофармпрепаратов. «До этого можно было попробовать идентифицировать опухоль при помощи контрастов и рентгена, но это совсем другая точность и эффективность, особенно при наличии метастаз. При обнаружении странных темных образований на фотопластинках следовало взять частичку на анализ для уточнения диагноза и надеяться на то, что на снимке выявлены все локализации опухоли в организме. Диагностика же с применением генераторов технеция позволяет убедиться, является ли опухоль единственной или она разбрелась по организму, а применение "холодных наборов" избирательно подсвечивает то или иное онкологическое заболевание. При этом очень важно, что такая диагностика является неинвазивной, то есть без хирургического вмешательства»,— отмечает он.

Опреснительные установки: чистая вода с АЭС

Проблема нехватки пресной воды является одной из ключевых проблем человечества. Уже в 2025 году, по оценке ООН, около четверти населения планеты будет испытывать дефицит этого ресурса. Решением задачи является в том числе опреснение морской воды. Более 16 тыс. таких установок работают в 177 странах мира. Особенно это актуально для островных государств и стран с жарким и засушливым климатом (Мальдивы, ОАЭ, Саудовская Аравия и т. д.), некоторые из которых полностью удовлетворяют свои потребности в воде за счет ее опреснения.

Но большая часть используемых для этого способов требует большого количества энергии. Поэтому с 1970-х годов прошлого века для этого используют мощности АЭС.

Как поясняет начальник отдела экологии, радиационной и промышленной безопасности, и. о. заведующего кафедрой атомных электрических станций НИУ МЭИ Марина Хвостова, конструкция с системами перегонки или мембранами, которые фильтруют воду от солей и примесей, может быть установлена на любой атомной станции. Ключевое преимущество такого подхода заключается в объединении двух производств, обеспечивающих важнейшие ресурсы для жизни человека — воду и электроэнергию. «Пресная вода, полученная на АЭС, совершенно безопасна для питья. Она изначально не содержит техногенных радионуклидов и не имеет контакта с радиоактивными веществами и ионизирующими излучениями на станциях»,— утверждает Марина Хвостова.

Одна АЭС может обеспечивать водой население крупного города. Например, специалисты «Росатом Инфраструктурные решения» разработали базовый проект опреснительной установки мощностью 170 тыс. куб. м в сутки, что может покрывать потребности до 1 млн человек. Очищение происходит в двух работающих параллельно системах. Первая работает по термической технологии от пара, вторая — по мембранному принципу с помощью электроэнергии. Если одна из систем вдруг остановится, вторая продолжит работу. Такая базовая система стала частью комплексного предложения «Росатома» будущим заказчикам больших АЭС.

Например, в апреле опреснительный комплекс госкорпорации начал работу на площадке АЭС «Аккую» в Турции. Его производительность составляет 2 тыс. куб. м в сутки. Он будет снабжать атомную электростанцию опресненной водой для хозяйственных нужд и систем пожарной безопасности. К середине мая он выдал более 1 млн куб. м чистой воды.

Комплекс опреснения на «Аккую» может стать референтным объектом для установки аналогичных агрегатов на другие станции, в том числе для строящейся в Египте АЭС «Эль-Дабаа».

У размещения опреснительных установок на атомных станциях есть существенное экономическое преимущество. По расчетам экспертов «Росатома», 1 куб. м обессоленной воды здесь будет стоить 40–60 руб., что почти на 100 руб. дешевле средней стоимости других способов.

Помимо этого, ядерное опреснение может работать на мощностях в несколько сотен мегаватт, позволяя получить больше чистой воды. При этом установка может работать десятилетиями с учетом длительного цикла жизни АЭС. Кроме того, процессы очистки не влекут за собой выбросов CO2 и других продуктов сгорания, поэтому процесс экологичен и не вредит окружающей среде.

Помимо установок для станций на суше, в «Росатоме» запускают проекты опреснения на базе плавучих атомных энергоблоков. На борту таких судов размещают компактные установки, в которые поступает вода напрямую из моря.

До космоса только крыло протяни

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Развитие космической программы России невозможно без применения уникальных технологий. Одним из ключевых направлений в этой сфере стала разработка нового материала — углеродного волокна. Оно состоит из тонких нитей, обеспечивающих низкий вес, высокую теплопроводность и способность не реагировать на температурные изменения. Разработкой одного из видов такой продукции — высокомодульных углеродных волокон на основе мезофазных пеков (произведенных из нефти или угля) — для космической отрасли занимается Химико-технологический кластер Научного дивизиона «Росатома». Новый материал существенно превосходит по своим свойствам традиционные материалы. Таким образом в перспективе инновационные углеродные волокна на основе мезофазных пеков заменят продукцию предыдущих поколений. Например, как поясняет заместитель директора Химико-технологического кластера Научного дивизиона «Росатома» Артур Гареев, теплопроводность углеволокна в 3–5,5 раз выше, чем у алюминия, и в 1,5–2,7 раза больше, чем у меди, которые традиционно использовались в авиации и космической отрасли. «Еще один немаловажный показатель – околонулевой или отрицательный коэффициент термического расширения в широком диапазоне температур — от 0 до 600 кельвинов»,— отмечает ученый.

Он напоминает, что углеродные волокна с сопоставимыми параметрами тому, что разработал «Росатом», ранее поставлялись из-за рубежа в основном компаниями Granoc и японской Mitsubishi. «При появлении отечественного коммерчески доступного волокна стоимостью порядка 150–250 тыс. руб. за килограмм, сравнимого с зарубежными аналогами по свойствам, следует ожидать быстрого роста спроса как внутри России, так и на мировом рынке. По расчетам «Росатома», ожидаемые потребности в высокомодульных углеволокнах на мезофазных пеках — 2–3 тонны в год. «Обеспечить отечественную промышленность таким количеством высокомодульного углеволокна вполне возможно»,— отметил Артур Гареев.

По его словам, новый материал качественно улучшит характеристики композиционных материалов, применяемых в специальной технике. Уникальные свойства углеволокна будут востребованы при создании целого ряда космических устройств: рефлекторов крупных спутниковых систем, элементов корпусов и холодильников-излучателей космических станций длительного пребывания и дальних миссий, орбитальных конструкций и систем теплоотвода.

Применение пековых углеродных волокон позволит создавать космические аппараты нового поколения, значительно превосходящие по своим характеристикам современные. Например, орбитальные конструкции из полимерных композиционных материалов с линейными размерами около 200 м, говорит Артур Гареев. Серийный выпуск таких материалов со стабильными характеристиками может начаться через два года, уточняет он.

Автомобильная отрасль получит заряд

Сегодня в России насчитывается около 45 млн легковых автомобилей. Ожидается, что к 2045 году не менее 20% этого парка будут составлять машины на электроприводе. Помимо этого, во многих российских городах есть масштабные планы по переводу на электричество пассажирского транспорта. Так, в 2035 году в Москве планируется перевести на электрическую тягу весь парк «Мосгортранса», а также половину такси. С учетом таких планов будет расти потребность в отечественных решениях для электротранспорта и инфраструктуры. Комплексные разработки в этой области уже ведут структуры «Росатома». «Электромобильность рассматривается как одно из приоритетных направлений, в рамках которого Россия уже формирует собственные технологические решения»,— говорит директор направления «Электромобильность» АО ТВЭЛ Александр Бухвалов. По его словам, это системная работа, выстроенная по полной производственной логике: от добычи сырья до выпуска аккумуляторов, электротранспорта и развития зарядной сети.

«Росатом» реализует сразу два масштабных проекта по строительству гигафабрик по производству аккумуляторных батарей — в Калининградской области и Новой Москве. Общий проектный объем производства — до 100 тыс. батарей в год, чего достаточно для обеспечения серийного производства как легкового, так и коммерческого электротранспорта в России.

При этом «Росатом» будет не только производить батареи, но и позаботится об их утилизации по завершении жизненного цикла. Для этого в Дзержинске (Нижегородская область) строится специализированный комплекс по переработке литий-ионных аккумуляторов с проектной мощностью до 20 тыс. тонн в год.

Батареи, как отмечают в компании, необходимы не только в транспортном сегменте, также они могут использоваться для компенсации дефицита сетевых мощностей. Речь идет о зарядных станциях с большими литий-ионными батареями, которые в часы низкого потребления накапливают энергию, а в пиковые — отдают, выравнивая нагрузку. Изучается концепция магистральных зарядных хабов — мини-электростанций, способных работать там, где отсутствует сетевое подключение. Кроме того, ведется работа над мобильной зарядной станцией на базе автомобильного шасси, которую можно направить туда, где невозможно установить стационарную инфраструктуру.

Пилотным регионом для развития комплексной экосистемы электромобильности была выбрана Калининградская область. Здесь «Росатом» открыл два крупных электрозарядных хаба: в аэропорту Храброво (пять станций мощностью 750 КВт) и на острове Октябрьский (десять станций мощностью 1,5 МВт). Проекты примечательны своим масштабом: в Храброво можно одновременно заряжать 10 электромобилей, на Октябрьском — 20. В перспективе количество хабов, которые позволяют гарантированно зарядить машину в понятные временные сроки, будет расти, отмечают в ТВЭЛе.

Еще одним приоритетным направлением для «Росатома» в сфере электромобильности является разработка и запуск в производство интегрированного электропривода, которое является ключевым решением для всей будущей линейки российских электромобилей. Механизм включает в себя электродвигатель, редуктор и инвертор, объединенные в один корпус с общей системой охлаждения максимальной мощностью до 150 кВт. Серийное производство такого узла, который будет совместим почти с любым легковым автомобилем, должно начаться в 2026 году в особой экономической зоне в Липецке.

С развитием сектора электротранспорта дополнительный импульс получает и энергетический сектор. По расчетам специалистов, около 1,8 млн электромобилей на дорогах России создают дополнительный спрос, эквивалентный мощности одного энергоблока атомной электростанции. С каждым приростом автопарка на 4 млн электромобилей потребление электроэнергии увеличивается на 1% от общего объема в стране. Это откроет новые возможности для увеличения выработки экологически чистой электроэнергии, производимой атомной отраслью.

Ирина Салова