Приближаемся к разгадке вселенских тайн29 июля Алексей Захарцев собственный корреспондент (г. Санкт-Петербург)
Петербургскому институту ядерной физики – 40 лет. 29 июля 1971-го, отпочковавшись от Физтеха, он стал самостоятельным научным центром. Сотрудники ПИЯФ завершают подготовку к пуску ядерного нейтронного реактора ПИК и готовы создать на своей исследовательской базе технопарк мирового уровня.
Фото: Ядерный нейтронный реактор ПИК
Все четыре отделения ПИЯФ имени Константинова: нейтронных исследований, физики высоких энергий, теоретической физики, молекулярной и радиационной биофизики – не теряли конкурентоспособности даже в чёрные для науки 90-е. И первый реактор – ВВР–М, которому уже больше полувека, – работает как часы. На его пучках – первоклассные нейтронные инструменты, а новый суперисточник ультрахолодных нейтронов, создаваемый профессором Анатолием Серебровым, будет иметь интенсивность, которая превысит возможности не только существующих в мире, но и проектируемых аналогов.

Другая гордость института – протонный ускоритель на один гигаэлектронвольт. Здесь кроме решения задач фундаментальной физики освоили «протонную терапию» – лечат заболевания головного мозга, такие как аденома гипофиза и другие виды опухолей, плохо поддающиеся хирургии. 15-минутное облучение протонным пучком избавляет пациентов от тяжелейших недугов. Курс лечения прошли около 1500 пациентов.
Начиная с 1997 года одной из основных задач учёных стало участие в подготовке экспериментов на Большом адронном коллайдере. ПИЯФ взял на себя разработку и изготовление оборудования для всех четырёх коллайдерных детекторов. В Гатчине для этого были специально созданы высокотехнологичные производства. Сейчас более сотни сотрудников института участвуют в экспериментах на ускорителе в ЦЕРНе.
ПИЯФ – мировой лидер в области высокоточных измерений. Базой для этого стала сооруженная Ленметростроем уникальная подземная безвибрационная гологорафическая лаборатория. В Гатчине выпускается 14 наименований устройств и приборов для сверхточных измерений с разрешением 10 нанометров по длине и сотые доли секунды по углам. Ноу-хау института подтверждены 51 патентом России, Англии, США, Франции, Швейцарии, Японии и других стран.
Учёные ждут не дождутся пуска нового исследовательского высокопоточного пучкового ядерного реактора ПИК. Сейчас установка практически готова к работе, доделки внешней инфраструктуры планируется закончить в следующем году.
ПИК – один из крупнейших и самых дорогих научных долгостроев. Идея создать мощнейший источник нейтронов возникла ещё в конце 60-х. Строительство комплекса на территории института в Гатчине началось в 1976-м, но до крушения СССР реактор возвести не успели, а дальше – период безденежья, и только сейчас проект наконец-то вышел на финишную прямую. В ближайшее время ПИЯФ вольётся в состав Курчатовского национального исследовательского центра, и, как говорилось в Дубне на заседании правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям, выделенных средств хватит как на достройку, так и на дооборудование реактора. На том совещании Владимир Путин отметил: «Сейчас есть все необходимые условия для того, чтобы именно у нас, в России, развернуть работы по созданию научных комплексов мирового уровня – как говорят специалисты, исследовательских установок мегакласса. Такие проекты – не просто вопрос национального престижа. Они позволяют концентрировать ресурсы на приоритетных направлениях, по сути, осуществлять прорыв в будущее – сначала в фундаментальных знаниях, а затем и в технологиях».
Нейтронные реакторы подобны гигантским микроскопам; их способность просвечивать любые материалы, показывать их атомное строение, раскрывать внутренние молекулярные структуры биологических веществ создаёт неограниченные возможности для развития передовых технологий.
Гатчинское время: точнее не бываетРассказывает заместитель директора института по научной работе Виктор Ежов: «В НИЦ мы отвечаем за нейтронные исследования, центром которых станет новый высокопоточный реактор ПИК. В мире существует только одна близкая по параметрам и возможностям установка – в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле. Однако там реактор работает уже более 40 лет, его возможности не покрывают потребность Европы в нейтронных исследованиях. В ближайшее время строительство подобных комплексов не планируется. У нас будут проводиться фундаментальные и прикладные исследования практически во всех областях современной науки. Возьмём, к примеру, биологию: если аминокислоты пометите дейтерием, а нуклеотиды – нет, вы увидите контрастно, где ДНК. А потом, наоборот, выделяете нуклеотиды и наблюдаете их.

Виктор Ежов
Сопоставляете изображения и в результате получаете 3D-картинку клетки: что над чем и в какой последовательности. Можно выращивать алмазы и с помощью нейтронов смотреть, как происходит процесс формирования кристалла при высокой температуре и гигантском давлении. Или поместить под пучок нейтронов целый двигатель и изучать работу системы смазки цилиндров в реальном времени – неразрушающий метод контроля. На западе фирмы используют нейтроны даже при обследовании гелей для волос! Для того чтобы всё-всё увидеть, измерить и зафиксировать, на реакторе ПИК будет размещено 50 устройств (в Гренобле – 40). Это всякого рода спектрометры, дифрактометры, рефлектометры, каждый ориентирован на определённый круг задач. У нас уже разработано около двух десятков приборов. Российская нейтронная школа, особенно в области фундаментальных исследований, всегда удерживала лидирующие позиции в мире. Учёные ПИЯФ выполнили наиболее точные на сегодня измерения времени жизни нейтрона. Свободный нейтрон "работает" всего 880 секунд, и именно это оказывается сверхважным на ранней стадии формирования Вселенной. Окажись его время жизни 10 секунд, и весь мир состоял бы из водорода и, может быть, гелия, а более тяжёлые элементы просто не успели бы образоваться при остывании Вселенной. Другой параметр нейтрона – его электрический дипольный момент – связан с нарушением инвариантности относительно обращения времени и существованием антиматерии. Именно такие эксперименты должны приблизить человека к разгадкам вселенских тайн: почему, скажем, материю мы видим, а антиматерию – нет, можно ли перемещаться во времени, как в пространстве. Из более близких по времени задач – в МАГАТЭ есть программа нейтронного анализа веществ и материалов. Под эгидой ЮНЕСКО ведётся исследование древних артефактов, в частности, изваяний шумерской эпохи. Они представляют огромную ценность, их нельзя подвергать каким бы то ни было механическим воздействиям. Наиболее подходящие в этих условиях – нейтронные методы анализа. В результате выяснилось, что трёхтонные каменные скульптуры внутри… полые. То есть скорее отливка, чем изваяние. Фантастика!»
Сделано в ПИЯФ: клетки побеждают опухоль«Институт ядерной физики – не только реакторы и ускорители, это и колоссальная база для медицинских исследований, – продолжает разговор директор отделения молекулярной и радиационной биофизики доктор биологических наук Владимир Королёв. – В 1965 году для изучения внешнего и внутреннего воздействия радиации, то есть изотопов, на живые организмы от вирусов до высших приматов был создан радиологический отдел с большим виварием. Эти исследования очень пригодились для «подразделений особого риска» – специалистов, работающих на ядерных объектах. В 80-е наш коллектив открыл несколько групп генов, которые вошли во все международные таблицы. Сейчас мы раскрываем механизмы, которые позволяют обнаружить причину заболевания и найти возможность лечения на клеточном уровне. Ведь все болезни начинаются с клетки, но наука и медицина пока не могут это диагностировать. Однако установлено, что изменив активность одного гена, вы заставляете работать хуже или лучше сразу 200, а то и 500 других. Оказывается, с возрастом у нас происходит отключение генов, которые работали в молодости. Самый простой пример: все младенцы пьют молоко, усваивают лактозу. В пять лет каждый третий малыш его уже не любит, а ближе к 50-ти 90% южан от молока отказываются, потому что ген, который отвечает за переваривание лактозы, отключается. Он словно закрыт на замок. Активизировав или, наоборот, заблокировав ту или иную группу генов, можно добиться требуемых изменений в работе организма. Другое дело, как вычленить нужный и как воздействовать, чтобы не навредить. Над этим сейчас ломают головы учёные всего мира. И скорее всего, в обозримом будущем появится набор таблеток, каждая – от конкретной болезни. Уже сейчас с помощью наших технологий у больных раком можно подавить метастазы, чтобы они после операции не расползались, продолжая убивать организм. Требуется 2–3 недели, чтобы «обучить» борьбе с опухолями клетки пациента, после чего они достаточно быстро справляются с задачей. Вместе с Поленовским институтом мы сделали около 200 операций; половине пациентов наш метод помог. На Западе КПД подобных методик около 15%, у нас – близко к 50%!
Недавно разработали диагностику онкозаболеваний на ранних стадиях. Давно известно, что фолиевая кислота активно поглощается быстрорастущими клетками, в первую очередь раковыми. Мы придумали быстрый и эффективный механизм введения радиоактивных изотопов (в данном случае йода–125), чтобы не пострадала биологическая активность индикатора. И теперь едва намечающуюся опухоль уже можно увидеть на приборах. Метод запатентован.
Наши биологи помогли сделать открытие геологам. Изучая ледяной керн, поднятый с 3,5-километровой глубины перед вхождением в древнее реликтовое озеро Восток в Антарктиде, на предмет живых организмов по останкам их ДНК, обнаружили (сенсация!) вкрапления почвы – какие-то твёрдые частицы. Стали анализировать – нашли виды бактерий, которым на Земле известен лишь один аналог. Более того, микроорганизмы оказались… теплолюбивыми, живущими при температурах около 60 градусов. А откуда такие под толщами льда? Возникла мысль, что там есть горячие источники, вокруг них и сохранилась жизнь. И действительно, геофизики обнаружили на дне озера разлом – снова открытие».
Бизнес-план для технопаркаКолоссальный научно-исследовательский и творческий диапазон Петербургского института ядерной физики – весомый аргумент в пользу создания на его базе технопарка. Вот лишь контуры будущего мегапроекта.
Легирование кремния для изготовления высокоточных полупроводников, без которых уже не работает электроника. Для неё нужен сверхчистый материал, которого в природе нет. Но можно взять «грязный», поместить его в нейтронный поток и «выбить» всё лишнее.
Производство радионуклидов: многие короткоживущие изотопы на реакторах малой и средней мощности не получить – они быстро распадаются. А здесь можно производить все изотопы и для медицины, и для промышленности.
Ещё одно стратегическое направление – материаловедение. Никакими другими способами, кроме нейтронного, внутреннюю структуру не просветить: ни гамма-кванты, ни другие излучения внутрь металла не проникают. К тому же мало просто рассмотреть – нужны новые стали, материалы с заданными свойствами. Не случайно рядом с реактором ПИЯФа находится площадка ГНЦ конструкционных материалов «Прометей».

В технологическом зале реактора ПИК. Фото ИТАР-ТАСС
Производство йода–125 для лечения простаты. В институте есть технологии, позволяющие производить чистый 125-й, но в простату он вводится через микроисточники – «иголки». Мы покупаем их в Германии. Отдаем йод за 1 евро, а за начинённую им «иголку» платим в 150 раз дороже. Почему бы не установить в технопарке линию, которая снабжала бы ценными препаратами всю страну.
Эндокринологи обеспокоены лечением щитовидной железы. В этом только в Петербурге нуждаются 60 тысяч женщин. После операции болезнетворные остатки надо прижигать йодом–131, (который тоже может производиться в Гатчине). Но 90% его уходит в отходы, их надо собирать в спецканализации. В клиники российского Обнинска и белорусского Гомеля – дикие очереди. А в условиях технопарка подобный центр можно организовать за несколько месяцев.
Власти Ленинградской области и Гатчины готовы выделить необходимую территорию, но важна поддержка на федеральном уровне: утрясти некоторые юридические формальности, сделать сравнительно небольшие вложения, которые окупятся.
А главное, технопарк поможет привлечь молодых специалистов, с которыми в институте, как и в большинстве научных центров страны, – туго. На аспирантскую стипендию (1500 рублей), да и на зарплату учёного из Питера в Гатчину не наездишься. Многие молодые исследователи живут за счёт загранкомандировок и грантов. Но не уезжают, понимая, что занимаются действительно интересным, перспективным и важным для страны делом, за которым – будущее.
От редакции «Файла-РФ»:Поздравляем коллектив Петербургского института ядерной физики имени Константинова с вступлением в пору зрелости. Да станет ещё проницательнее ваш взгляд в бездну материи, будут неожиданней ваши открытия и основательнее знания, которые вы дарите человечеству!
http://file-rf.ru/analitics/232