На вопросы электронного издания AtomInfo.Ru отвечает заместитель генерального директора - директор отделения
перспективных исследований АО "ГНЦ РФ - ФЭИ" Олег ГРУДЗЕВИЧ.
Совместная работа
Олег Теофильевич, в декабре 2015 года в ФЭИ был пущен ускоритель
"Тандетрон".
Да, действительно, совместно с нидерландскими специалистами мы осуществили пуск нового ускорителя, и это
важное для нашего института событие.
Прежде чем переходить к разговору о планах его использования, хочу отметить небольшую, но интересную деталь.
У одного из наших нидерландских коллег, Мартина Боса (его фотография есть в вашем репортаже о пуске
ускорителя), на российскую командировку выпал 50-летний юбилей. Так что для Мартина поездка в Обнинск стала
важной по двум причинам - удачный пуск ускорителя и знаковая веха в жизни.
Какое впечатление оставила совместная работа с коллегами из Нидерландов?
Грамотные крепкие профессионалы, хорошо знающие свою технику. В качестве примера. После того, как был
получен непрерывный пучок, следующим этапом была проверка работы в импульсном режиме. Нужно было
убедиться, что выдерживаются нужные параметры - длительность 2 наносекунды, и так далее.
Утром постановили приступить к проверке режима. Через два часа дело было сделано, 2 наносекунды получены, а
к обеду - 1,2 наносекунды.
Проверки делались совместно?
Последовательно. Сначала инженерами фирмы-поставщика, потом сразу же нашими сотрудниками.
Если характеризовать работу по наладке ускорителя в целом, то можно сказать - она проходит в накатанном
режиме. Окончательная передача машины в нашу эксплуатацию произойдёт в марте, а до этого момента
самостоятельную работу по условиям контракта мы выполнять не можем.
Насколько сложен ускоритель в управлении?
У него простое и продуманное управление. Подключить газовую систему? Пожалуйста, одним движением
компьютерной мыши задали давление. Отключился пучок? Пять секунд, и двери разблокированы. Действительно,
никаких сложностей не предвидится.
Ваши сотрудники уже готовы к работе с "Тандетроном"?
Считаю, что да, готовы.
Судьба ускорителей
Олег Теофильевич, наше издание делало в прошлом году репортаж о других
ускорителях ФЭИ. Что их ждёт с пуском "Тандетрона"?
Не считая "Тандетрона", в ФЭИ действующими являются четыре ускорителя. Два из них, а именно ЭГ-1 и ЭГ-2,5, в
2017 году будут выведены из эксплуатации.
Это самые первые ускорители, появившиеся в ФЭИ. Как утверждают наши старожилы, ускоритель ЭГ-1 был
спроектирован в харьковском Физтехе и изготовлен в Ленинграде в НИИЭФА по личному указанию Курчатова.
Для вывода предусмотрена целая программа, которую финансирует "Росатом". Оба ускорителя в программу вошли.
Сейчас пока идёт стадия бумажной работы. Далее будет проверена радиационная обстановка в помещениях, потому
что ускорители работали много десятилетий - в том числе, с нейтронами и бериллием.
Далее ещё несколько этапов, и в самом конце собственно этап демонтажа и вывоза оборудования. Он самый
простой из всех, так как всё необходимое оборудование - краны, ворота и так далее - уже имеется в помещениях.
Такой заслуженный и исторический корпус не хотелось бы потерять.
Да, нам тоже этого не хочется.
Два ускорителя будут выведены. А два остальных?
Они останутся в работе. Ускоритель КГ-2,5 сильноточный, и мы планируем использовать его для комбинированного
облучения.
В чём состоит основная проблема радиационной стойкости конструкционных материалов? Под действием
облучения происходит не только смещение атомов, но и образование газовых продуктов - в первую очередь,
водорода и гелия.
Соответственно, чтобы максимально приблизить имитационные исследования сталей на ускорителе к условиям
облучения в реакторах, за рубежом используется тройное облучение - одновременно тяжёлыми ионами (хром,
железо или никель), гелием и водородом. Кстати, буквально перед встречей с вами читал статью - на территории
бывшего СССР тройное облучение производят в Харькове.
Композиция для тройного облучения подбирается на основании расчётов - определяется, сколько рождается в
реакторных сталях гелия и водорода при нейтронном облучении. Расчёты не из самых сложных.
КГ-2,5 мы планируем задействовать с "Тандетроном" на пару для двойного облучения. Наши предшественники
сделали всё, чтобы облегчить нам решение этой задачи - пучки выведены в один мишенный зал.
Причина, почему так поступили, была иная, но для нас это обстоятельство оказалось удачным. В противном случае,
сейчас пришлось бы строить общий мишенный зал, и страшно даже представить, во сколько такой проект обошёлся
бы институту.
Но комбинированное облучение будет двойное, не тройное?
Да, пока только двойное. "Тандетрон" будет давать тяжёлые ионы - любые, какие нам потребуются, а КГ-2,5 будет
выдавать водород. Гелий он не ускоряет, но гелий мы можем взять от "Тандетрона".
Вопрос о переносимости результатов на реакторные условия стоял и будет стоять, хоть для двойного, хоть для
тройного облучения. Английский термин
simulation, как мне представляется, более точно отражает суть
ускорительных экспериментов со сталями.
На ускорителе мы не имитируем, а симулируем, подделываем те условия, в которых сталь работает в реакторе.
Начнём с того, что вероятность взаимодействия нейтрона с ядром характеризуется барнами, а тяжёлого иона с
атомом - килобарнами.
Но у такого различия имеется и приятная сторона - переходя от барнов к килобарнам, мы получаем выигрыш в
скорости набора разрушающей дозы облучаемым образцом. В реакторе дозу 100 с.н.а. вы наберёте за годы, а у нас
- за недели. А если, как сейчас требуется, нужны дозы 200 или 300 с.н.а.?
Конечно, только на ускорителях проблему подбора радиационностойких сталей нужных параметров не решить. То,
чем мы в реальности занимаемся по данному направлению, я бы назвал отбраковкой. Если материал не стоит при
облучении тяжёлыми ионами, значит, он точно не будет стоять и под нейтронами.
Иными словами, если вы забраковали материал по итогам эксперимента на ускорителе, то предлагать его для
облучения на БОР-60 не имеет смысла?
Именно так. Соответственно, мы берём на себя поисковые исследования и экономим тем самым дорогостоящее и
дефицитное реакторное время. А вот по итогам исследований мы можем рекомендовать те или иные стали для
более детального изучения в реакторных экспериментах.
Если надо объяснять совсем на пальцах... Вы же не станете делать лестницу из гнилых досок? Вы сначала
осмотрите доски и выберете из них крепкие. Наше участие в материаловедческих исследованиях сравнимо с
этапом осмотра досок.
Четвёртый ускоритель из списка действующих - ускоритель ЭГП-15.
Ускоритель ЭГП-15, он же наша слава. Эта машина имеет одно принципиальнейшее преимущество в сравнении с
большинством других ускорителей России - у него большая энергия.
Есть у него и недостаток. Он очень дорог в эксплуатации. Для понимания, экипаж ЭГП-15 - пять человек.
Потребности на работу ЭГП-15 есть. С одной стороны, они возникают у науки, с другой - у технологии.
Так, 15 МэВ-ными протонами можно имитировать космические процессы, исследовать электронную аппаратуру на
предмет её стойкости в космосе. Этими же протонами можно облучать полупроводниковые пластины для силовой
электроники. Причём не только можно, но и нужно, и это делается в России, но при этом требуется внимательно
рассматривать вопрос экономической эффективности.
Резюме таково. Ускоритель ЭГП-15 в рабочем состоянии, в нём он и останется. Люди есть. Появятся конкретные
заказы - мы их выполним.
Ускоритель для ПЭТ
Следующий вопрос. Каким образом институт планирует использовать "Тандетрон"?
Об одной задаче я уже упомянул - изучение поведения конструкционных материалов под облучением.
Для нас эта область не новая, есть опыт экспериментов на ЭГП-15. Соответственно, мы продолжим работы по
облучению сталей на "Тандетроне" после того, как новую машину передадут в эксплуатацию.
Есть вторая задача, которой мы ранее не занимались, но под которую великолепно подходит "Тандетрон" -
наработка радиоизотопа для ПЭТ, позитронно-эмиссионной томографии.
Какой это изотоп?
Фтор-18. Он оптимален для нужд ПЭТ. У него относительно небольшой период полураспада, 109 минут, и достаточно
низкая энергия.
В России производят фтор-18?
Дело обстоит следующим образом. Как правило, поставляется сразу комплекс, ПЭТ-томограф. В его состав входит
ускоритель - циклотрон, нарабатывающий изотоп для конкретного комплекса. Ещё там имеются детектор гамма-
излучения, радиохимический набор для изготовления фармпрепарата и шприц для вкалывания препарата больному.
Принцип работы ПЭТ-томографа должен быть понятен любому физику. Изотоп фтор-18 испускает при распаде
позитрон, который сталкивается с электроном, далее аннигиляция и два гамма-кванта по 511 кэВ. Гамма-излучение
ловим гамма-детектором, и потом подключается компьютерная программа, собственно и выдающая диагностику по
пациенту.
По стоимости циклотрон составляет примерно половину стоимости от всего комплекта. Кстати, почему для ПЭТ
выбран именно циклотрон? Потому что он маленький по размерам.
В чём проблема встроенных в ПЭТ-комплекты циклотронов? Они нарабатывают фтор не самого лучшего качества. К
сожалению, идут побочные реакции и получаются примеси. А нам нужна только одна реакция, а именно, реакция
(p,n) на кислороде-18.
"Тандетрон" в состоянии помочь медикам решить проблему примесей во фторе. На этой машине мы очень чётко
регулируем энергию, и это позволяет практически избавиться от примесей в нарабатываемом изотопе.
Наше участие могло бы выглядеть следующим образом. На "Тандетроне" мы получаем фтор-18, в соседнем с нами
здании делают радиохимию, затем машиной полученный образец доставляется в Калугу. Период полураспада,
напомню, 109 минут - то есть, за время перевозки до Калуги активность упадёт всего лишь вдвое, а это вполне
приемлемо.
По нашим расчётам, за час работы "Тандетрона" мы сможем нарабатывать активности на десяток доз.
Насколько такая задача может быть востребована?
Вопрос интересный. С одной стороны, медики утверждают, что в стране достаточно ПЭТ-томографов. С другой
стороны, на обследования с их применением - очередь.
Сейчас мы заняты двумя вещами. Нужно оценить ситуацию и понять, насколько наш фтор-18 может быть
востребован отечественной медициной. Одновременно мы должны проверить на практике все технические
моменты, чтобы чётко для себя понимать - мы столько-то времени работаем и выдаём потребителю такую-то
активность.
И, кстати говоря, нужно будет ещё взять гамма-спектрометр с разрешением 1 кэВ и померить, что будет в нашем
фторе-18. После этого с медиками мы сможем разговаривать со спектрами в руках: "Вот наш фтор после
облучения, вот он же через два часа транспортировки, а вот примеси".
Пока везёте фтор в Калугу, примеси распадутся.
В идеальном случае распадутся. Вполне может статься так, что во фторе по нашей технологии будет присутствовать
какая-нибудь долгоживущая "гадость". Но это задача для радиохимиков, как её отделять.
Медики в курсе ваших предложений?
В курсе. В конце января мы собирали в ФЭИ всех возможных потребителей нашего пучка. Первый день был
посвящён вопросам исследования конструкционных материалов, а во второй день обсуждались темы
радиоэлектроники и медицины.
Точки соприкосновения мы нашли. Далее будут обсуждаться конкретные вопросы взаимодействия, но это уже
уровень генерального директора института.
Нейтрон-захватная терапия
А как насчёт нейтрон-захватной терапии?
Очень перспективная область. Приятно, что направление для нашего института не чужое, она проводилась в своё
время на БР-10, причём в массовом порядке, лечению подверглись сотни людей.
Наши обнинские медики приводят впечатляющие данные о результатах. Выживаемость после сеансов лечения
составила порядка 10%, если я помню правильно. Это потрясающе много для рака последней степени. Но
подробнее вам лучше поговорить на эту тему
с врачами.
В реакторе нейтроны рождаются непосредственно. Ускоритель нейтронов не даёт. Значит, нужно их тем или иным
образом получить. Подойдут любые реакции (p,n) или (d,n). Конечно, выгоднее их производить на лёгком ядре.
Хорошим выбором мишени является литий-7.
Технические сложности будут. Нейтронов нужно много, а пучок несёт с собой энергию. Если вы станете тупо бить
большими токами по литиевой мишени, то она расплавится. Ещё точнее, вы проплавите в мишени дырку, в которую
и пойдёт бесполезным образом пучок протонов или дейтонов.
На ускорителе КГ-2,5 под руководством Виктора Николаевича Кононова была разработана технология,
позволяющая изящным образом решить проблему теплосъёма с мишени.
Подведём итог. Протоны и дейтоны у нас есть, мишени есть, тепло отводится, энергия достаточна. Осталась одна
техническая проблема - к сожалению, не могу её вам назвать, так как это чревато раскрытием ноу-хау. Но мы её
обязательно решим. И, собственно, всё. С технической точки зрения мы будем готовы к нейтрон-захватной терапии.
Строго говоря, ещё потребуется сделать помещение для облучения, но и это не чрезмерно трудная задача.
К сожалению, помимо технической стороны дела, есть и бумажная. На внедрение новых технологий в медицину
требуется время, причём иногда речь идёт о годах. Таковы правила. На крысах и мышах - пожалуйста,
экспериментируйте, но как только ставится вопрос о людях...
Мы всерьёз намерены внедрить на "Тандетроне" нейтронно-захватную терапию и сделаем для этого всё
возможное. Кстати, когда я рассказал Мартину и его коллеге Роберту о том, что монтируемый в ФЭИ ускоритель
будет работать для здоровья людей, они были горды услышать эту новость.
Повторю, что непреодолимых технических препятствий для этого нет. Есть организационные вопросы, бумажные
вопросы, и нужно время для их решения.
Часть пути мы прошли на КГ-2,5, где были сертифицированы пучок и мишень. На нём были реальные облучения -
естественно, только на крысах.
Хочу напомнить, что в ФЭИ был в своё время разработан проект "Элегия" - система из промышленного ускорителя
электронов размером с письменный стол и мишени из галлия. Отсюда и название "Электроны и галлий", или по
созвучию "Элегия".
Руководителем проекта был Андрей Александрович Говердовский, и подробности лучше узнать у него. Скажу
только, что у галлия температура плавления менее 30 градусов - то есть, он плавится в руке.
Проект был обоснован расчётно, а затем и экспериментально у нас и в Дубне. На выходе из мишени получались
спектры нейтронов нужного качества. Возможно, в будущем к проекту вернутся для нужд нейтрон-захватной
терапии.
Спасибо, Олег Теофильевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.
