03.08.2018

Пожиратели радиации

Решение проблемы обращения с радиоактивными отходами (РАО) – одна из важнейших задач, стоящих перед мировой атомной индустрией. Существующие технологии утилизации РАО напрямую связаны с периодом полураспада содержащихся в радиоактивных отходах радиоактивных изотопов, что вынуждает обеспечивать безопасность захоронения РАО на тысячи и даже десятки тысяч лет. Чтобы кардинально изменить ситуацию, нужен поиск новых подходов. И один из них уже есть. Это метод изменения изотопного состава жидких растворов с использованием микробиологических структур, разработанный физиком-ядерщиком, руководителем проекта из МГУ Аллой Корниловой, позволяющий, в случае успешной реализации, сократить потенциальную опасность РАО в десятки раз. Но чтобы внедрить этот метод, необходимо провести его экспертизу, что в случае положительного результата позволит приступить к разработке принципиально новой промышленной технологии утилизации радиоактивных отходов, которая позволит отрасли экономить миллиарды рублей. Солнечным московским утром мы сели в машину и отправились на физфак МГУ к учёному и просто неординарному человеку Алле Корниловой. За рулём сидел Владимир Кащеев, специалист ВНИИНМ. Он и помог организовать эту встречу.

Тема утилизации радиоактивных материалов – одна из важнейших задач, стоящих перед атомной промышленностью. В настоящее время сроки необходимой надёжной изоляции РАО, образующихся в результате деятельности энергетических реакторов, химкомбинатов и заводов по переработке ОЯТ, определяются периодами полураспада присутствующих в этих РАО радиоактивных изотопов. Для некоторых из них этот срок исчисляется сотнями, тысячами и даже десятками тысяч лет. А что, если появится технология, позволяющая производить воздействие на радиоактивные изотопы, следствием которого будет процесс, аналогичный ускорению периода полураспада? Причём в десятки раз. Даже не делая расчётов, очевидно, что подобная технология даст экономический эффект в миллиарды рублей и позволит минимизировать негативное воздействие атомной промышленности на окружающую среду. В настоящее время официальная наука придерживается точки зрения, согласно которой подобного эффекта, опираясь на общепринятые представления о физике, добиться если не невозможно, то крайне сложно. Но учёные продолжают работать над решением этой задачи. И одной из них как раз и является физик-ядерщик Алла Александровна Корнилова. «На сегодняшний момент подобной технологии, основанной на устойчивых, повторяемых результатах, которые можно применять в промышленности, нет, – вводит меня в курс дела Владимир Кащеев. – Есть физическое явление, требующее подтверждения.

Явление, которое называется холодным ядерным синтезом, когда ядерные реакции происходят при низких температурах. Это явление, по большей части, трактуется как лженаука, так как все известные осуществлённые ядерные реакции синтеза или деления эффективно проходят при некоторых специальных условиях (повышенных давлениях и температурах, как, например, в ядерном реакторе или при атомном взрыве). Тем не менее история свидетельствует, что учёные неоднократно совершали открытия, противоречившие известным на тот момент представлениям о физике».

Знакомство и первые эксперименты
«Какова методика Аллы Корниловой и как мы с ней взаимодействовали? Начну с того, что она хороший физик-ядерщик, давно работает в спектрометрии и преподаёт в МГУ», – продолжает рассказ специалист ВНИИНМ. Оказалось, что Корнилова изучала условия, в которых могут возникать ядерные реакции, и пришла к выводу, что живая природа, а именно микроорганизмы,это среда, активирующая подобные явления. Если в жидкой среде создать колебания определённой частоты и интенсивности, можно инициировать реакции, вероятность возникновения которых в обычных условиях чрезвычайно мала. Вообще, квантовая механика – это вероятностная наука, где всё происходит с той или иной степенью вероятности.
И согласно классическому пониманию, возможность возникновения ядерной реакции в обычных условиях является маловероятным эффектом. Однако при создании колебаний среды с определёнными характеристиками вероятность протекания реакций увеличивается.

Она провела эксперименты, результатом которых стало преобразование стабильного цезия в барий. Для этого достаточно присоединить к атому цезия один протон. Иными словами, провести ядерную реакцию синтеза. Автор достигла этого, поместив цезий в биоструктуру, создающую требуемые условия. Преобразование радиоактивного цезия (Cs-137) в барий для внешнего наблюдателя выглядит как ускорение периода полураспада цезия. Что и было зафиксировано. «На один из семинаров, которые Корнилова проводила по этой тематике, попали ребята из нашего института, которые мне это всё и рассказали, – вспоминает Кащеев. – Сначала я не поверил, решив, что это невозможно, но затем решил узнать подробнее. И Корнилова предложила мне провести этот эксперимент самому. Специфика нашей работы позволяет фиксировать динамику активности растворов, я бы сказал, это наша рутинная деятельность.
Корнилова предоставила свои биоструктуры и объяснила методику. Мы засыпали соли в предоставленный ей раствор и начали наблюдение. Каково же было моё удивление, когда мы зафиксировали нехарактерно быстрый спад активности цезия! Хочу подчеркнуть, что такой результат мы получали не каждый раз: из пяти экспериментов удачными были два». Такой же эксперимент пробовали провести специалисты из ВНИИХТа и из ИФХЭ им. Фрумкина, но в их экспериментах подобный эффект обнаружен не был. Корнилова тогда объяснила нестабильность результатов сезонностью активности бактерий. В дальнейшем эта проблема была преодолена. Если снова провести такой эксперимент во ВНИИНМ и даже получить положительный результат, это никого не убедит. Для подтверждения существования эффекта необходимо, чтобы это явление было подтверждено в других лабораториях. «В случае получения положительных результатов, которые надо подтвердить многократно, на основе этого метода может быть создана технология, возможности применения которой колоссальны, – считает специалист ВНИИНМ. – И трансформация радиоактивных элементов в стабильные, лишь одно из направлений, открывающих целый спектр новых возможностей, в том числе в области медицины. Поэтому необходимо понять, насколько это явление реализуемо, и, если этот так, максимально полезно использовать его для целей Росатома. Но лучше послушать саму Аллу Александровну», – подытожил учёный, паркуя машину у корпуса физфака МГУ.

История Корниловой
Войдя в здание и спустившись на несколько лестничных пролётов вниз, мы зашли в кабинет, одна из стен которого была завешена патентами на различные изобретения, и наконец познакомились с его хозяйкой – физиком-ядерщиком, руководителем проекта Аллой Корниловой. Гостеприимно
напоив всех чаем, она продолжила рассказ по интересовавшей нас теме.
Итак, первая публичная демонстрация явления, именуемого «холодный ядерный синтез», произошла в 1989 году, в США, в штате Юта. В эксперименте участвовали такие известные всему миру учёные, как профессор Оксфордского университета Мартин Флэйшман и доктор Стенли Понс. Работа поддерживалась нобелевским лауреатом Брайаном Джозефсоном.

«В специальном электролите при комнатной температуре они провели реакцию ядерного синтеза, продемонстрировав нейтроны и избыточное тепло. После этого в СССР была создана специальная комиссия, а в лаборатории, где я тогда работала под руководством Рунара Николаевича Кузьмина, была создана экспертная группа, которая воспроизвела аналогичный  эффект», – проводит краткий экскурс в историю Корнилова. Однако в то время миллиарды уже были вложены в строительство токамаков, может быть, поэтому, а может, по какой-то иной причине это направление не получило должного развития. Американцы отказались финансировать из бюджетных средств подобные исследования. Так же поступил и Советский Союз.

«Но я тогда подумала, если законы природы позволяют воспроизводить подобный эффект, то почему это должно ограничиваться только дейтерием с водородом, и начала экспериментировать с железом, – вспоминает Корнилова. – Железо имеет 5 изотопов, один из которых железо-57 составляет всего 2,2 % и ценится дороже золота, так как это стратегический материал. Его нарабатывают на циклотроне, производя 1 килограмм в год. Чтобы получить железо-57, нужен предыдущий в таблице Менделеева элемент – марганец. Я взяла пробирку, растворила соль марганца в тяжёлой воде (дейтерированной воде), добавила микробиологичекую культуру (кишечную палочку) и практически в первых же опытах обнаружила в пробирке железо-57. Чтобы доказать возможность превращения одного элемента в другой в природной среде, мне потребовалось провести 500 опытов в четырёх институтах. Это был 1992 год».

Наука и бюрократия
Получив результат, показывающий, что живая природа может создавать условия для превращения одного элемента в другой, содействуя изменению ядра атома, то есть способствовать осуществлению холодной ядерной реакции, Алла Корнилова продолжала работать с живыми структурами, создавала микробиологические катализаторы, которые испытала в Чернобыле, проводя опыты с радиоактивной водой. Эксперименты показали, что с использованием микробиологических структур можно преобразовывать в стабильный барий до 50% радиоактивного цезия в течение 300 дней. При этом период полураспада цезия составляет около 30 лет. Внешний эффект таков, что период полураспада цезия значительно сокращается, но в действительности цезий просто трансформируется в барий. «О результатах  опытов я сообщила в Минатом, сделала доклады в нескольких институтах, но мои эксперименты никого всерьёз не заинтересовали, – рассказывает автор методики. – Помимо опытов по преобразованию радиоактивных изотопов у меня было много другой работы, которая также требовала времени. Я составила таблицу, описывающую возможность трансформации различных изотопов с помощью микробиологических структур. И любую из реакций, представленных в этой таблице, можно реализовать! Биогеохимическая лаборатория им. В.И. Вернадского в 1935 году опубликовала 15 томов данных обо всех известных науке микробиологических структурах на Земле, существующих в почве, воде, воздухе, которые можно использовать в этих целях. Поэтому эта технология обязана родиться в России! У нас сделаны ядерно-физические открытия, у нас есть экземпляры всех необходимых микробиологических структур и есть всё необходимое оборудование. Я не уникальный человек, просто подошло время, когда учёные технологически могут сделать новый прорыв, и я просто сумела соединить все требуемые компоненты в единой методике».

Впрочем, данную работу невозможно проводить без теоретической поддержки, без создания модели, объясняющей, что происходит с элементами в микробиологической среде при комнатных температурах в подобных динамических системах.

Применение и перспективы
«Сегодня существует метод, позволяющий проводить трансформацию изотопов при помощи микробиологических структур. Но для промышленного внедрения необходимо на его основе разработать надёжную технологию. И необязательно начинать с радиоактивных элементов. Можно начать с токсичных, которые также требуют массовой утилизации, – считает Корнилова. – Что мы можем предложить? У нас наработаны синтрофные ассоциации микробиологических культур. Процесс их подготовки – это отдельная технология, кроме того их надо сконцентрировать и лиофильно высушить. После чего необходимо создать аварийные пакеты со сроком хранения не менее трёх лет. При необходимости содержимое пакета высыпается в ёмкость с водой, загрязнённой радионуклидами. В процессе жизнедеятельности синтрофных ассоциаций образуется, условно говоря, «микробиологическая медузка», которая сорбирует все опасные элементы, после чего очищенную воду можно сливать в окружающую среду. Затем мы начинаем работать с «медузками», для роста которых жизненно необходим калий, но мы намеренно создаём условия дефицита калия в питательной среде. Подобным калию элементом является барий, но его тоже нет в среде, и тогда биоструктуры начинают его получать, преобразовывая цезий, проводя тем самым трансформацию химического элемента (изотопа). После того как «медузки» выполни ли свою задачу, мы их высушиваем при 200˚С, превращая в золу, что позволяет уменьшить их в объёме в тысячу раз. И если первая стадия этого процесса – сорбирование – изучена и отработана, то следующая стадия – трансформация изотопа – требует экспертного подтверждения. Так как я работаю в МГУ, то не могу здесь проводить исследования с радиоактивными материалами, а подобные эксперименты удобнее всего производить на радиоактивных изотопах, фиксируя динамику изменения их активности. Если методику проверят авторитетные организации Росатома, имеющие необходимое оборудование и компетенции, это позволит двигаться дальше и приступить к следующей стадии – разработке промышленной технологии утилизации радиоактивных отходов с использованием биоструктур».

Прорыв в мировоззрении

«Все существующие сегодня методы работы с радиоактивными веществами основаны на их периоде полураспада, – вступил в беседу Владимир Кащеев. – И если у цезия-137 период полураспада 30 лет, то уменьшить его количество в два раза можно только за 30 лет. А поскольку его содержание в большинстве видов РАО значительно, то период необходимой надёжной изоляции этих РАО от сферы обитания человека растягивается на столетия. Ничего другого на сегодня в мире не придумали. Алла Александровна предлагает развивать абсолютно новый подход, позволяющий сократить необходимый срок надёжной изоляции РАО, а следовательно, и затраты на обеспечение этой изоляции, в десятки раз!»

Если на основании этого перспективного метода создать надёжную, работоспособную технологию, это позволит решить многие проблемы, связанные с захоронением РАО. Но чтобы создать промышленную технологию, требуется время, над этим надо работать, необходимо доказывать работоспособность метода, проверить его многократно и получить экспертное подтверждение. И всё упирается в затраты. Но затраты, необходимые для создания подобной технологии, невелики по сравнению с возможным экономическим эффектом и затратами, требуемыми на другие технологии, например, лазерные, требующие дорогостоящего оборудования, считает учёный. «Тут же всё можно делать в полевых условиях, что делает данный метод удобным для дальнейшего применения в качестве технологии. Поэтому необходимо его проверить в 3–4 независимых организациях, проведя опыт многократно. И даже если отрицательных результатов будет десять при одном положительном, этого одного положительного результата достаточно, чтобы иметь основания для продолжения работы в этом направлении. Даже если существует небольшая вероятность, что подобная технология реализуема, этим необходимо заниматься, так как в случае успеха перспективы колоссальные», – уверен Кащеев.

Конечно, скептиков при этом всегда будет предостаточно. Даже если метод проверит и подтвердит его эффективность десяток институтов, всё равно найдутся люди, которые будут говорить, что всё это ненаучно. Но ситуация будет уже иной. Чем больше организаций проведут эксперименты, тем большее доверие будет к результатам. В то же время для того, чтобы эти взгляды были восприняты большинством научного сообщества, необходим прорыв в мировоззрении, так как многие люди не воспринимают их изначально: «Этого не может быть просто потому, что не может быть! И это самый частый аргумент, который я слышу», – констатирует Кащеев. Поэтому нужен некий мировоззренческий прорыв, к которому приходится двигаться маленькими шагами, пока количество в какой-то момент не перейдёт в качество.