Що вам відомо про Інститут прикладної фізики НАН України в Сумах? «Більшість думає, що Інститут — це той красивий палац на Петропавлівський, але це не зовсім так» — говорить Андрій Крамченков, фізик-дослідник у галузі ядерного мікроаналізу. У розмові з ним Цукр довідався про те, який внесок роблять сумські науковці в розвиток ядерної медицини, яким чином допомагають археологам та співпрацюють із закордонними вченими. А ще дізнався, що Інститут прикладної фізики — це не тільки пам’ятка архітектури в центрі міста, а ще й експериментальна лабораторія та центр приладобудування, що знаходяться в різних частинах Сум.
Заснування і розвиток
Інститут прикладної фізики в Сумах створили у 1991-му, аби займатися дослідженнями у галузі ядерної енергетики й медицини. Засновником і директором став Володимир Сторіжко — академік, який перейшов до інституту в Сумах із Харківського фізико-технічного інституту НАН України, привізши з собою прискорювач. Кадрове ядро Інституту склали три групи науковців, що приїхали до Сум із Сухумі, Новосибірську та Харкова.
Академік Сторіжко — один з розробників програми ядерної медицини в Україні
Вважається, що для вчасного лікування онкологічних захворювань має бути застосована терапія іонами та масовий скринінг: вчасна діагностика на ранніх етапах. За розрахунками, Україна потребує чотири спеціалізовані центри: по одній установці іонної терапії на 10 млн населення. Єдиний схожий центр сьогодні знаходиться в Харкові, але використаний харків'янами підхід не може бути розповсюджено Україною.
Створюємо систему ядерної медицини
Ми займаємося ядерною медициною, але жодних лікувань не проводимо. Ядерна медицина — широке поняття, що складається, по суті, з трьох блоків: діагностика, терапія та виробництво радіофармпрепаратів.
Наприклад, комп’ютерна томографія, що є діагностичним методом — це прямий нащадок детекторів на великих прискорювачах на кшталт Великого адронного колайдера
Коли говорю про виробництво радіофармпрепаратів як одну з галузей ядерної медицини, то маю на увазі розробку пігулок, що містять радіоактивний ізотоп. Це може бути якась звичайна речовина типу глюкози, у якій деякі звичайні атоми замінені на радіоактивні. Коли хворий приймає таку пігулку, радіоактивний ізотоп накопичується у пухлині. А коли цей ізотоп розпадається, він випромінює гама-промені, що ПЕТ-томограф уловлює та дає змогу лікарям отримати тривимірне зображення пухлини в організмі.
Терапія у ядерній медицині — це окрема розмова
Зараз фізики навчилися опромінювати пухлини пучками прискорених іонів так, щоб завдавати мінімальної шкоди здоровим тканинам. Це називають іонною терапією: технологія вже доведена до серійного виробництва, але в Україні поки не розповсюджена.
Хто сплави досліджує, хто поведінку матеріалів моделює
У нас багато відділів та працівників: близько 300 науковців займаються дослідженнями, і кожен — у своїй галузі. Теоретики, наприклад, займаються квантовою електродинамікою та мультимасштабним моделюванням процесів, що відбуваються в матеріалах при опроміненні. У відділі радіаційної біофізики одні вчені працюють над дослідженням взаємодії протезів з тканинами, а інші розробляють біосумісні матеріали, що згортають кров, є біосумісними та пропускають повітря.
Також у нас є кілька лабораторій, що займаються розробкою іонних джерел та нанесенням захисних покриттів на матеріали
Я, наприклад, працюю на Аналітичному прискорювальному комплексі. Це великий аналітичний прилад, який ми багато років створювали на основі того прискорювача, що свого часу розробив і привіз з Харкова наш директор. Комплекс постійно модернізується: зараз на ньому є чотири аналітичних та один технологічний канал для виробництва дифракційних решіток. Ще один, для дослідження біологічних зразків, поки на етапі будівництва.
Моя команда досліджує матеріали для потреб ядерної енергетики — сплави цирконію та спеціальні нержавіючі сталі
Задача цих матеріалів полягає у тому, щоб витримувати надзвичайно високі дози опромінення. Аби пояснити, навіщо я досліджую ті чи ті метали, зазвичай наводжу приклад з ложкою: людям не важливо, з простого алюмінію вона зроблена, дешевої нержавки чи з рідкісного металу — якщо треба з’їсти суп, підійде будь-яка. А от коли мова йде, скажімо, про корпус ядерного реактора — від його властивостей залежить, скільки пропрацює АЕС і чи не станеться катастрофа. Це штука, яка має довго працювати в умовах високих доз опромінення, температурних навантажень, взаємодії з хімічно агресивною активованою водою тощо.
І корпус — це єдине, що не можна в реакторі повністю замінити
Фактично, реактор працюватиме й вироблятиме електроенергію доти, поки його корпус здатен витримувати жахливі умови своєї роботи.
Допомагаємо археологам знаходити підробки
Нам немає різниці, які зразки помістити під пучок іонів. Крім аналізу сталі, цирконію та інших матеріалів, ми займаємося ще й, наприклад, дослідженнями археологічних зразків. Взагалі, коли ядерні методи — датування, аналіз та консервація — прийшли в археологію, в ній змінилося все включно з назвою. Тепер археологію частіше називають археометрією, бо ця наука стала базуватися на точних кількісних методах, а не лише на розповідях і розкопках.
Колись була курйозна історія: археологи з Харкова, які копали поселення готів, привезли нам зразок, підписаний «Срібна монета», і сказали, що це монета часів Римської імперії. Ми стали перевіряти, запустили прискорювач, а в тій монеті немає навіть домішок срібла. З’ясували, що це не срібна монета, а олов’яний ґудзик з іншої епохи. Археологи пояснили, що для них окремий інтерес становлять такі собі варварські підробки — фальшиві монети, що карбували сусіди Римської імперії.
Взагалі нам не принципово, що ставити на прискорювач: монети, кераміку, зразки кременя чи прикраси — можемо проаналізувати будь-що
Нещодавно з’явилася окрема тема, пов’язана з археологією — методи ядерної консервації. Часом з-під води чи землі археологи дістають частини дерев’яного човна чи будівлі, які не гнили, поки їх не чіпали, а щойно стали контактувати з повітрям — почали розкладатися. Після того, як на Подолі в Києві викопали дерев’яні будівлі, що становлять для історії особливий інтерес, в Україні почали створювати центр консервації археологічних знахідок. Наскільки мені відомо, Інститут прикладної фізики є головною науковою установою, що займається трансфером цієї технології від фізиків до археологів.
І розробляємо, і експериментуємо
Більшість думає, що Інститут прикладної фізики — це лише красивий палац у центрі міста. Але це не зовсім так, бо в головному корпусі працють переважно адміністрація і теоретики. Крім головної будівлі є ще два великих корпуси: на Хіммістечку — лабораторний, у якому зберігається все експериментальне обладнання і працюють фізики-експериментатори.
На Прокоф’єва — Центр наукових і навчальних приладів, де займаються розробкою сучасного обладнання для лабораторних робіт в школах та університетах
Науковці беруть навчальні програми й розробляють під них лабораторне обладнання: термометри, манометри, динамометри та інші прилади, що за допомогою спеціального контроллеру під'єднуються до комп'ютера і дають змогу отримувати графіки одразу на екрані. Розробляють ці комплекси лабораторного обладнання у Сумах, а виробляють в Житомирі.
Звідки гроші
Фінансування наукових досліджень відбувається з декількох джерел. Перше — базове фінансування від Національної академії наук. Потім йдуть різні наукові конкурси, міжнародні та українські гранти, прямі договори із замовниками на наукові дослідження. Для того, щоб Інститут жив і розвивався, його наукові групи мають постійно конкурувати з іншими науковцями не лише в Україні, а й в усьому світі.
Але це не конкуренція заради знищення опонента, ніби в дикій природі чи бізнесі, це більш схоже на конкуренцію-співпрацю. У нас навіть так звані координовані дослідницькі проєкти існують: це коли над однією великою задачею працюють одразу декілька наукових груп з різних інститутів по всьому світу, а координує їх, наприклад, МАГАТЕ чи ЄВРАТОМ, періодично збираючи всіх учасників проєкту на семінарі.
Наші теоретики працюють з CERN — Європейським центром ядерних досліджень, лабораторією лінійних прискорювачів у Франції та Інститутом ядерної енергії в Китаї
І з кожним ця співпраця виглядає по-різному. З французами, наприклад, партнерські умови: вони отримують фінансування зі своєї академії наук, ми зі своєї, а дослідження робимо спільні. З китайцями укладаємо прямі договори: вони дослідження замовляють — вони їх і приймають. Маю сказати, що якби не міжнародні проєкти, інститут давно б вже зійшов нанівець без достатнього фінансування.
На науковців доводиться полювати
Нові люди в інститут самі не приходять. Ми ж не «маршруточний» бізнес, де можна водіїв найняти на ринку праці, й не морочитися. У нас все складніше: зазвичай мова йшла про те, аби підготувати собі людей, а не просто їх десь знайти. Але сьогодні брати когось з університету одразу в аспірантуру не виходить.
Це тільки здається, що можна взяти готового науковця після закінчення, наприклад, СумДУ
Раніше кафедра експериментальної і теоретичної фізики існувала в СумДПУ імені Макаренка. Я, до речі, також педагогічний закінчив. Тоді підготовка була сильною: з нашої групи, що на п'ятому курсі складалася з дванадцяти людей, шестеро стало кандидатами, двоє — докторами наук. Та нещодавно кафедра втратила атестацію, бо не змогла набрати й 20 людей на перший курс. Тому принцип тепер такий: беремо сумчан, які вчаться у хороших вишах в Харкові, Києві чи інших містах, працюємо з ними над дипломними роботами, а тоді, якщо людина талановита — пропонуємо вступити до нас в аспірантуру.
Краще складна система, ніж 50 років аналізувати речовини
Мабуть, найголовнішим досягненням Інституту прикладної фізики за останні роки є внесок у створення нового методу розробки сплавів. Старий алгоритм виглядає так: варимо сталь, ставимо її в реактор, опромінюємо кілька років, дістаємо й кладемо в спеціальний басейн. Десь пів року вона лежить в басейні, поки розпадуться найбільш радіоактивні ізотопи. Коли зразки стають менш радіоактивними, їх дістають та досліджують. А в ході цих досліджень з’ясовують, що сталь не підходить, і починають усе спочатку.
Грубо кажучи, процес отримання стійкої до опромінення сталі в останні роки нагадував готування борщу: того додали, іншого, домішали, подивились, спробували, зрозуміли помилки й спробували ще раз
Тепер схема інша: спочатку комп'ютерне моделювання, імітаційні експерименти на прискорювачах, і тільки потім — опромінення в реакторах. За допомогою моделювання на великих обчислювальних кластерах відбираються найбільш перспективні сплави.
Це так зване мультимасштабне моделювання: на першому рівні за допомогою рівнянь квантової механіки обчислюються властивості невеликих груп атомів при нульовій температурі, потім дані передаються на наступний рівень і досліджуються елементарні процеси при опроміненні — утворення вакансій та міжвузольних атомів, їх міграція й таке інше. На наступному рівні досліджують поведінку вже більш складних дефектів: дислокацій, пор, утворення тріщин. Поступово доходять до моделювання поведінки великих деталей в реальних умовах: за високих температур та механічних навантажень.
Після того, як кандидатів на нові сплави відібрали за допомогою моделювання, виготовляють зразки таких сплавів і опромінюють до різних доз на прискорювачах
Так перевіряють поведінку сплаву в умовах реального опромінення і реальної температури. А вже після цього зразки тих сплавів, які найкраще показали себе на прискорювачах, поміщають в реактор для перевірки в тих самих умовах, у яких їм доведеться працювати. Це складна штука, та вона все одно набагато швидша й краще за розробку нової сталі, що триває 50 років.
Матеріал підготовлено за підтримки Європейського Союзу та Міжнародного Фонду «Відродження» в рамках спільної ініціативи «EU4USociety». Матеріал відображає позицію авторів і не обов’язково відображає позицію Міжнародного фонду «Відродження» та Європейського Союзу».
Матеріал підготовлено за підтримки Європейського Союзу та Міжнародного Фонду «Відродження» в рамках спільної ініціативи «EU4USociety». Матеріал відображає позицію авторів і не обов’язково відображає позицію Міжнародного фонду «Відродження» та Європейського Союзу».
