Строительство дока для самой северной плавучей АЭС в мире, разработка источника питания со сроком службы более 100 лет, обзор лучшего в мире оптического микроскопа, сделанного в России, а также о русских ядерных реакторах, признанных лучшими в мире.
Российские ядерные реакторы лучшие в мире
Самой распространённой конструкцией термоядерного реактора в современности является токамак, и в США имеются проблемы даже с ним. Давайте посмотрим, что сейчас происходит в мире с атомной энергетикой.
Вспомним, что первый токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) был построен в СССР в 1954 году, а другие страны поверили, что реактор реально работает, лишь в 1968 — мол, врут всё эти русские, не может такого быть. Конструкции уже более полувека, и способ удержания плазмы комбинированным магнитным полем (тороидальным внешним и полоидальным полем тока, протекающим по плазменному шнуру) давно проверен практикой на надёжность.
Однако технология разделения изотопов урана на центрифугах также давно известна и отработана в России, но в США так и не смогли её даже повторить, и сейчас «Росатом» уверенно завоёвывает позиции в США.
Похоже, ситуация с токамаками в США также становится всё более грустной: американское Министерство энергетики закрывает один из двух мощных термоядерных реакторов в стране, главу Принстонской лаборатории физики плазмы с 2008 года Стюарта Прагера отправили в отставку, оставив в лаборатории простым исследователем. Конечно, подаётся это как «по собственному желанию», но оцените убедительность:
«Руководство Принстонской лабораторией физики плазмы — замечательный опыт. Но, преодолев семилетний рубеж, я начал думать о том, как перейти к новому этапу жизни. Недавний технический регресс на объекте NSTX-U неожиданно и внезапно определил момент, который мне кажется подходящим для этого перехода».Стюарт Прагер
«Технический регресс» заключается в выходе из строя магнита на установке NSTX-U всего лишь через 2,5 месяца эксплуатации. Сообщается, что замена конструкции займет год (честно говоря, странный подход к проектированию). В прессу проникли данные о том, что причиной неисправности магнита является «слишком жесткая медная намотка катушки», но, извините, это, во-первых, должно определяться контролем качества, а во-вторых — что, при работе с такими нагрузками витки должны быть намотаны не жёстко? Явная маскировка действительной причины.
Особо отметим, что NSTX-U создавался на базе установки NSTX 1999 года, модернизация обошлась в 94 миллиона долларов, и в результате (если бы она работала) установка была бы самым мощным в мире сферическим токамаком с магнитной индукцией в 1 тесла и тепловой мощностью 10-12 мегаватт. Заодно американцы закрыли лабораторию Alcator C-Mod (20 лет работы!) в Массачусетском технологическом институте, точные причины неизвестны. В итоге в США последняя действующая установка по исследованию термоядерного синтеза мощности, о которой стоит говорить, осталась у оборонного подрядчика General Atomics в Сан-Диего.
Европа тем временем в 2006 году решила создать Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) — проект, по сложности и стоимости вдвое превосходящий знаменитый Большой адронный коллайдер, с заявленной температурой плазмы на установке — до 150 миллионов градусов Цельсия, т. е. на порядок выше температуры в центре Солнца.
Россия в проекте участвует в доле около 10%, что даёт доступ ко всем задействованным технологиям. В производственном плане наша задача — производство сверхпроводящих магнитов, анализаторов структуры плазмы и диагностических датчиков.
Однако проект тормозится. Запуск отложен на шесть лет. Работы были начаты в 2006 году с бюджетом 5 млрд евро, начало экспериментов заявлялось в 2016 году. Потом бюджет увеличился до 13 млрд, затем — до 19 млрд с переносом запуска на 2019 год, а сейчас запуск перенесли на 2025 год. Неудивительно, что при таком раздувании бюджета страны-участники уже не столько работают над проектом, сколько пытаются разобраться и «найти способы вернуться к более приемлемым срокам и затратам». Показательно, что по графику смогли работать лишь Россия и Китай. Что получится в результате — непонятно, но, похоже, будет долгострой.
В Германии запущен термоядерный реактор Wendelstein 7-X, который построен по принципу стелларатора, т. е. магнитное поле целиком формируется внешними катушками. С одной стороны, такое устройство реактора позволяет работать в стационарном режиме более длительное время, с другой — требуются сверхпроводящие магниты специальной формы, охлаждение жидким гелием и т. д.
В результате отбраковки этих важных деталей в период 2003-2007 гг. проект был практически закрыт, а его стоимость возросла вдвое, до 1,06 миллиарда евро.
При этом рапорт о запуске весьма условен: доработка охлаждаемых диверторов с учётом полноценной работы требует ещё пару лет как минимум, и сейчас на 2019 год планируются испытания лишь продолжительными импульсами. Глава проекта, профессор Томас Клингер, ранее признавал, что практический результат стоит ожидать не ранее второй половины XXI века.
А что происходит у нас?
Про успехи атомной энергетики, в частности — про реакторы на быстрых нейтронах, «Политическая Россия» писала не раз, как и про перспективы: пока «развитые страны» закрывают свои реакторы из-за окончания сроков эксплуатации и «зелёной» пропаганды, российская отрасль развивается. Причём не только количественно, но и качественно: Россия совершила рывок в решении проблемы управляемой термоядерной реакции: в новосибирском Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера осуществлён нагрев плазмы до 10 млн градусов в газодинамической ловушке. Зам. директора ИЯФ по научной работе Александр Иванов поясняет прорыв:
«Разогрев плазму в пять раз горячее, чем это удавалось раньше, мы не просто добавили количественное значение, мы совершили качественный скачок. По аналогии со спортом, мы не просто "пробежали дистанцию" на доли секунды быстрее, мы как бы оторвались от беговой дорожки и полетели».Зам. директора ИЯФ по научной работе Александр Иванов
Такое сравнение становится понятным, если учесть, что при увеличении времени нагрева плазмы её температура существенно вырастет, а размер установки — значительно меньше классических токамаков. Поэтому учёные ИЯФ СО РАН готовы предложить вместо долгостроя ИТЭР более привлекательный в коммерческом отношении проект, в котором плазма удерживается при помощи газодинамических ловушек (ГДМЛ). Даже на стадии проекта темой уже заинтересовались в Японии, США и Китае. Кратко перечислим преимущества использования ГДМЛ:
- большая плотность энергии плазмы (в 5-10 раз);
- форма в виде прямой трубы значительно упрощает обслуживание и ремонт;
- в случае сбоя поток частиц по-прежнему направлен в штатную ловушку, а не прожигает стенку;
- возможность прямого преобразования энергии, без тепловой машины;
- в отдалённой перспективе — наработки для плазменных двигателей.
Таким образом, кратко ситуацию по современным реакторам можно описать следующим образом: США сворачивают разработки, Европа их откладывает при одновременном удорожании проектов и лишь Россия выбивается из мировой тенденции, не только продолжая массово строить уже известные модели реакторов, но и разрабатывая новые. Как мы были первыми в мире в этом отношении в 50-60-х годах, так уверенно и возвращаем свой статус.
Началось строительство дока для самой северной плавучей АЭС в мире
В городе Певек начато строительство комплекса береговых сооружений для установки плавучей атомной электростанции (ПАТЭС) в 2019 году, сообщает life.ru
В Певеке, самом северном городе России, началось строительство корабельного дока и инфраструктуры береговой линии для установки плавучей атомной электростанции (ПАТЭС) в 2019 году. На церемонии начала строительства присутствовал губернатор Чукотского автономного округа Роман Копин. Он рассказал о значении ПАТЭС для региона.
В данный момент тепло- и энергоснабжение Певека обеспечивается Билибинской АЭС 1974 года постройки и Чаунской ТЭЦ — теплоэлектростанцией, открытой в 1944 году. Обе они уже выработали свой ресурс и должны быть заменены ПАТЭС.
Сама ПАТЭС "Академик Ломоносов" в данный момент строится в Санкт-Петербурге на Балтийском заводе. Предполагается, что электричество в Певеке будут вырабатывать два установленных на ней водо-водяных ядерных реактора КЛТ-40С, разработанных в ОКБМ имени И.И. Африкантова и изготовленных на Нижегородском машиностроительном заводе. Их совокупная мощность позволит выдавать 70 мегаватт энергии. Этого достаточно для полного обеспечения 6000 жителей города, близлежащих рудников и горно-обогатительных комбинатов.
Проект плавучей атомной электростанции был создан в 2006 году и сейчас уже близится к своему завершению. Длина судна — 144 метра, ширина — 30 метров. Водоизмещение — 21,5 тысячи тонн. Судно не может передвигаться само, поэтому после завершения строительства в 2017 году оно будет отбуксировано к месту работы. Судно рассчитано на четыре двенадцатилетних цикла службы. Планируется, что ПАТЭС сможет давать энергию Певеку до 2066 года.
Проект по обеспечению Певека электроэнергией включает в себя не только постройку ПАТЭС, но и создание комплекса береговых сооружений, таких как шестисотметровый мол, который защитит атомную электростанцию в случае непредвиденных обстоятельств.
В России разрабатывается источник питания со сроком службы 100 и более лет
Основной технологией создания так называемой «вечной батарейки» является сегодня использование радиоактивного изотопа, энергия излучения которого преобразуется в электрическую. Российские атомщики уже готовят производство такого источника питания на основе никеля-63 (Ni-63) в Красноярском крае с 2017 года.
Но сегодня мы расскажем еще об одном варианте «батарейки», созданном в Самарском национальном исследовательском университете, - на основе углерода-14.
Если источник питания на базе Ni-63 стоит довольно дорого и больше подходит для космической и военной сферы, то «атомная батарейка» на углероде-14 практически нетоксична и главное – стоит значительно дешевле. При этом период полураспада изотопа, использованного в самарской разработке, составляет 5700 лет. Как говорят разработчики, «в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетеро-структура».
Технология уже запатентована российскими учёными: на готовой кремниевой подложке наращивается карбидная пленка «методом эндотаксии», а стоимость такой «подложки» уменьшается в 100 раз. Кроме того, карбидокремниевая структура устойчива к радиации. При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет батарейке работать неограниченный срок по меркам человеческой жизни.
Также создатели «атомной батарейки» отмечают, что они уже «научились делать нано- и мезопоры на подложке кремния, затем преобразовывать их нестабильные свойства в стабильные». То есть переводить фазу кремния в фазу карбида кремния.
«Это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния в 10 раз радиационно пассивнее кремния, то есть, если в Чернобыльской ситуации роботы переставали слушаться, то на карбиде кремния уровень облучения допускается в 10 раз выше», - сообщает научный руководитель и главный конструктор проекта, доцент кафедры радиофизики, полупроводниковой микро- и наноэлектроники Самарского университета Виктор Чепурнов.
Удешевление технологии «вечной батарейки» и ее безопасность позволяют говорить о приближении времени, когда многие приборы и датчики смогут работать автономно десятилетиями вне зависимости от климатических условий и наличия «традиционных» источников питания.
МИМ-340 — лучший в мире оптический микроскоп
Использование тех принципов, на которых построен этот микроскоп, это высокая наука и плод серьезных многолетних исследований. У нас этой темой занимаются с середины 80-х годов, тогда как на Западе таким исследованиям всего 10-15 лет. Именно поэтому Россия и смогла создать лучший в мире оптический микроскоп — МИМ-340 это не только плод усилий инженеров Швабе, это еще и продукт больших достижений России в науке.
Что важно, эта технология позволяет не просто рассмотреть объект со всех сторон, важно, что с помощью этой технологии можно заглянуть внутрь объекта, например клетки. Правда в отличии от электронной микроскопии, МИМ не видит отдельные элементы клетки или молекулы, но он может дать полную картину их изменений во времени, и что важно, в отличии от электронного микроскопа, не убивая клетку. Для многих задач этого достаточно.
Необходимо сразу сказать — МИМ-340 не содержит каких-то революционных открытий и изобретений, технология интерференционно-модуляционной микроскопии применяется на практике в России уже десятки лет — первое устройство, основанное на этой технологии, было создано в 1985 году. Запад отстал, но тоже не стоит на месте. Поэтому МИМ-340 это не революция, а скорее эволюция технологии, переложенная на новую, более совершенную элементную базу и новые, более эффективные программные алгоритмы обработки информации — современный микроскоп это не только «железо» но и программное обеспечение.
Чем же так хорош МИМ-340? В первую очередь это его потрясающая разрешающая способность (разрешение — до 0,1 нм по вертикали (ось Z) и до 10 нм в плоскости XY) при высокой скорости съемки — 3 кадра в секунду. Это позволяет наблюдать рекордно мелкие объекты в реальном времени. И что еще важно — микроскопу для этого не требуются подкрашивающие вещества, чаще всего токсичные, а значит возможно наблюдать, например, живую клетку. Именно живую, что очень важно в медицине и биотехнологиях, и позволяет наблюдать процессы в клетке продолжительное время. Причем в трех измерениях — то есть в объеме. В электронной микроскопии — раз посмотрел, и всё, нужна новая клетка.
Понятно, что на форуме посвященном биотехнологиям был сделан акцент именно на способности микроскопа исследовать живые клетки, но это далеко не единственное его применение. Микроскоп уже с успехом применяют в микроэлектронике — с его помощью можно рассматривать элементы микросхем. В материаловедении, можно изучать структуру материалов. В оптической промышленности с помощью этого микроскопа изучают оптические приборы, поверхности линз, свойства оптических покрытий.
Уже сейчас микроскоп применяется в ведущих исследовательских центрах нашей страны. Его применяют для исследования клеток крови, визуализации вирусов, изучения морфологии раковых клеток. Первым научным центром, получившим этот микроскоп стал Северо-Западный федеральный медицинский исследовательский центр имени В. А. Алмазова. Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники стал вторым научным учреждением, получившим этот микроскоп. Там его используют для контроля геометрии и шероховатости медицинских изделий. Всего же этот микроскоп уже работает в более чем 20 научных центрах страны. МИМ используют для исследований по гематологии, онкологии, иммунологии, вирусологии и в других направлениях науки. Мало того, МИМ открывает новые возможности в исследовании эффективности новых препаратов, позволяя уйти в ряде случаев от опытов над животными, к исследованию действия препаратов непосредственно на живые клетки человека, что не только экономит время, но и даёт гораздо более точные результаты.
То есть конкретно у модели МИМ-340 чисто исследовательская функция. Но создатели рассматривают этот микроскоп как платформу, как основу для множества более узкоспециализированных устройств. Причем не только микроскопов, но и различных диагностических устройств, использующих эту технологию. Например, эта технология очень нужна врачам, в частности для определения реакции клеток конкретного человека на действие препаратов. Как пример можно приПубликации Преднизолон. Этот препарат подавляет функции лейкоцитов, что используется при пересадке органов, для их лучшей приживаемости и снижения риска отторжения. Но проблема в том, что иногда лейкоциты человека оказываются невосприимчивы к Преднизолону, и раньше узнать это можно было только по факту, то есть уже после пересадки органа, когда спасать нужно уже не орган, а всего человека. С использованием МИМ-340 проверить действие преднизолона на клетки человека можно заранее. Есть и другие области применения этого микроскопа в клинической практике, но для больниц будет создана другая, более простая и компактная модель. Одна из целого семейства микроскопов для различных сфер применения.
Всего Швабе планирует выпускать около 1000 устройств разных модификаций в год. Причем микроскопом заинтересовались и за рубежом, так что спрос на него очевидно будет.
Надо сказать, что МИМ-340 не единственный в мире микроскоп, созданный по этой технологии, и не единственный микроскоп, позволяющий наблюдать живые клетки в реальном времени. Но он лучший. Главное его отличие от аналогов в том, что он позволяет рассматривать клетку в максимальном разрешении не жертвуя при этом скоростью, тогда как зарубежные аналоги либо слишком медленные, либо не обеспечивают качественного изображения.
Теперь, что касается локализации. В этом микроскопе есть импортные запчасти, прежде всего это объектив. Впрочем, на первом прототипе стоял объектив ЛОМО, и особых нареканий не было, но в серийном устройстве все же был выбран импортный микро-объектив Olimpus — лучший на данный момент в мире. В остальном же — это полностью российское производство. Конечно, отдельные микросхемы, как и в любых других устройствах, импортные, но схемотехника, производство многослойных печатных плат, монтаж элементов, все это делается у нас в России на Уральском оптико-механическом заводе. Ну и программное обеспечение — важнейшая часть микроскопа, сложнейшие алгоритмы обработки и визуализации информации, дающие немалый вклад в общую эффективность МИМа — так же созданы в России.
Отдельно хочется остановиться на дизайне микроскопа. Посмотрите на него, может это и не верх дизайнерского искусства, но очевидно, что внешнему виду устройства уделили не последнее значение, дизайн проработан до деталей, причем не только в форме, но и в свете — обратите внимание на святящиеся элементы. Внешний вид подчеркивает насколько серьезное устройство скрывается за ним. Часто у нас этому уделяют мало внимания, но это очень важно для успеха продукта на рынке.