II. Состояние развития синхротронных и нейтронных исследований и разработок в Российской Федерации
II. Состояние развития синхротронных и нейтронных
исследований и разработок в Российской Федерации 
Конкурентоспособность российской науки является определяющим фактором обеспечения безопасности и технологической независимости России. Лидерство в глобальной гонке за новыми знаниями и технологиями, в том числе необходимыми для ответа на большие вызовы, определенные Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. N 642 "О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации" (далее - Стратегия), невозможно без современной исследовательской инфраструктуры, ключевым элементом которой являются уникальные научные установки класса "мегасайенс".
Важнейшей составляющей исследовательской инфраструктуры, включающей уникальные научные установки класса "мегасайенс", с точки зрения научно-технологического развития страны являются источники синхротронного и нейтронного излучения.
Методы исследования, основанные на использовании синхротронного и нейтронного излучений, становясь сегодня основным неразрушающим инструментом для получения уникальных данных о структуре и свойствах веществ на уровне отдельных атомов, находят применение при проведении фундаментальных исследований и разработке передовых технологий для всех отраслей экономики - от материаловедения и структурной химии до наук о жизни, медицинских, био- и природоподобных технологий. Проведение исследований с использованием современных синхротронных и нейтронных источников является неотъемлемой частью технологических процессов, в первую очередь в области метрологии и наноиндустрии.
Исследования атомарной структуры объектов живой природы позволят создать на основе полученных знаний принципиально новые технологии, копирующие принципы функционирования природных систем. Именно такие технологии должны лечь в основу новой технологической базы экономики страны. Использование такого подхода позволит создать революционные, прорывные технологии в медицине, фармакологии, сельском хозяйстве, микробиологической и пищевой промышленности, энергетике, IT-области.
В мировой медицинской практике лечения онкологических заболеваний в последние десятилетия широкое развитие получили методы адронной лучевой терапии с использованием ускоренных пучков адронов. Ежегодно только в России фиксируется около 600 тысяч онкологических заболеваний и, как минимум, в 10 процентах случаев заболевшим показана адронная лучевая терапия.
Также методы лучевой диагностики и лучевой терапии все чаще используются при оказании медицинской помощи при болезнях глаза и его придаточного аппарата, болезнях системы кровообращения, болезнях нервной системы и ряде иных заболеваний (рак мозга, онкогематологические заболевания, онкоофтальмология (базалиома, меланомы сосудистой оболочки).
Необходимость в повышении эффективности диагностики и терапии широкого круга заболеваний требует использования для этих целей самых современных методов, включая методы, основанные на использовании радиоактивных изотопов. Последние десятилетия отмечены интенсивным использованием методов ядерной физики в современной медицине, что вызвало развитие нового направления - ядерной медицины, уникальность методов которой состоит в том, что они позволяют диагностировать функциональные отклонения жизнедеятельности органов на самых ранних стадиях болезни, когда еще не проявляются симптомы заболевания. Благодаря развитию новейших синхронных и нейтронных исследований арсенал ядерных технологий в медицине в будущем нельзя представить без применения методов лучевой терапии с использованием ускорительных технологий.
Развитие существующих производственных технологий и создание на их основе конкурентоспособных высокотехнологичных производств в таких отраслях экономики, как электроника, химическая, фармацевтическая и аэрокосмическая промышленность, машиностроение, судостроение, эффективная добыча и глубокая переработка полезных ископаемых, ядерная энергетика, ядерная медицина и других, требуют получения при проведении синхротронных и нейтронных исследований (разработок) серьезных научных и научно-технических результатов. Современные технологии требуют увеличения точности контроля качества ключевых узлов и деталей создаваемой продукции, совершенствования технологических процессов, что может быть обеспечено только с применением синхротронного и нейтронного излучения, составляющих сегодня метрологическую основу развития науки. С использованием методов, основанных на использовании синхротронного и нейтронного излучения, стало возможно с атомарной точностью определять структуру и состав изготавливаемых деталей, совершенствовать химический состав и свойства материалов, реагентов, катализаторов, смазок, топлив.
Значимым фактором для формирования фундаментального задела в области разработки технологий, основанных на использовании свойств живых систем, органических и гибридных материалов, и для контроля качества и развития существующих промышленных технологий является возможность изучения динамики процессов с минимальным временным разрешением. Наблюдение динамики физических, химических или биологических процессов открывает возможность для их воспроизводства и управления ими с целью достижения необходимого результата. Знания о механизмах и причинах процессов позволят конструировать системы и материалы с контролируемыми параметрами.
Спектр возможных применений синхротронного и нейтронного излучения необычайно широк и постоянно увеличивается в связи с тем, что совершенствуются источники синхротронного и нейтронного излучения (увеличивается яркость генерируемого пучка, степень пространственной и временной когерентности, диапазон доступных энергий), развиваются методы и подходы, позволяющие исследовать новые объекты и получать уникальную, ранее недоступную информацию.
В настоящее время в мире насчитывается около 70 источников синхротронного излучения, из них около 17 - наиболее современные источники синхротронного излучения 3 поколения (Соединенные Штаты Америки - 5 источников, Германия - 4 источника, Великобритания и Франция - по 2 источника, Италия, Испания, Швейцария и Япония - по 1 источнику). Каждый год учеными из различных стран мира выполняется на них более 20 тысяч экспериментов. Среди таких источников в настоящее время лидирующие позиции по количеству используемых исследовательских методик, заявок пользователей, уровню полученных результатов и публикаций занимают источники синхротронного излучения 3-го поколения на основе ускорителей электронов - PETRA III (Германия), ESRF (Франция), Spring-8 (Япония) и APS (Соединенные Штаты Америки).
В нескольких странах мира (Германия, Франция, Соединенные Штаты Америки, Швеция, Япония) ведется активная работа по созданию источников синхротронного излучения 4-го поколения. Принципиальное отличие и преимущество источников синхротронного излучения 4-го поколения - это генерация излучения, обладающего полной пространственной когерентностью. Комплементарное использование синхротронных источников и лазера на свободных электронах позволит изучать динамику процессов, происходящих в веществах и материалах, одновременно с атомарным пространственным и фемто-секундным временным разрешениями.
При международной кооперации с участием Российской Федерации успешно реализовано 2 проекта по созданию наиболее современных источников рентгеновского излучения. На Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (г. Гамбург, Германия) уже получены результаты первых экспериментов, модернизация источника синхротронного излучения Европейского центра синхротронного излучения (г. Гренобль, Франция) до 4-го поколения вышла на финальную стадию и будет завершена в 2020 году.
В Российской Федерации синхротронные исследования в настоящее время проводятся на нескольких источниках синхротронного излучения - Курчатовском специализированном источнике синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" (г. Москва), в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения на базе федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (г. Новосибирск).
В 2009 году была завершена модернизация Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" (г. Москва), затронувшая здание ускорителя, основные системы ускорителя, экспериментальный зал, экспериментальные станции. В результате модернизации Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" по своей конфигурации и параметрам генерируемого излучения относится к поколению 2+. На нем работают 15 экспериментальных станций, еще 5 находятся на стадии строительства.
В 2018 году открыт лазерно-синхротронный комплекс, позволяющий проводить эксперименты с одновременным использованием излучений петаваттного фемтосекундного лазера и Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов", что дает возможность реализовать исследование различных процессов с временным разрешением.
На сегодняшний день на Курчатовском специализированном источнике синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" проводят исследования, направленные на решение таких задач, как разработка принципиально новых материалов, способов конструирования и создания объектов техники и технологий, гибридных, биоподобных и искусственных биологических материалов, структур и систем, новых биомедицинских и генетических технологий, проведение исследований и разработок в области социогуманитарных технологий, включая исследования исторических материалов и объектов культурного наследия.
Курчатовский специализированный источник синхротронного излучения "КИСИ-Курчатов" является составной частью европейской сети уникальных научных установок класса "мегасайенс", играет ключевую роль в проведении предварительных экспериментов, подготовке образцов и экспериментов для осуществления исследований российскими учеными на зарубежных источниках и является важным элементом международной системы проведения исследований с целью получения фундаментальных знаний о принципах функционирования природы.
В Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения проводят исследования, направленные на решение таких задач, как разработка новых материалов, наноразмерных структур и композитов на их основе, материалов для перспективной отечественной компонентной базы микроэлектроники, оптики, акустооптики, сенсорики, химических и каталитических технологий, технологий для геологии и поиска полезных ископаемых, материалов для энергетики, ускорительных технологий, включая методы рентгеновской оптики, голографию, детектирование, биомедицинских технологий.
Российская Федерация также является страной - членом Европейского центра синхротронных исследований в г. Гренобле (Франция) и активным участником международного проекта "Рентгеновский лазер на свободных электронах" в г. Гамбурге (Германия), поэтому часть необходимых исследований (разработок) с применением передовых методик и уникальных параметров излучения этих установок российскими коллективами выполняются на данных установках в рамках выделенных квот.
Российскими исследователями в Европейском центре синхротронных исследований проводятся исследования по таким направлениям, как разработка химических и каталитических технологий, конструкционных и других новых материалов с уникальными функциональными свойствами, наноматериалов, материалов для энергетики, включая химические источники тока, ускорительных технологий (в том числе методология рентгеновского эксперимента), исследования материалов в экстремальных состояниях, в области фармакологии, исследования биологических объектов.
Российскими исследователями на рентгеновском лазере на свободных электронах проводятся исследования по следующим направлениям: исследования быстропротекающих процессов с применением времяразрешающих экспериментов, биологических объектов, разработка химических технологий, технологий в области фармакологии, медицины, создания новых материалов, в том числе работающих в экстремальных условиях, нанотехнологии, развитие ускорительных технологий (рентгеновская оптика).
В Российской Федерации нейтронные исследования в настоящее время проводятся на нескольких источниках нейтронного излучения: реакторах непрерывного действия в национальном исследовательском центре "Курчатовский институт" (ИР-8 в г. Москве и ВВР-М в г. Гатчине Ленинградской области), импульсном реакторе ИБР-2М в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна Московской области), реакторе ИВВ-2М в акционерном обществе "Институт реакторных материалов" (п. Заречный Свердловской области), реакторе ИРТ в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (г. Москва), импульсном нейтронном источнике ИН-06 на базе протонного ускорителя в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (г. Москва), нейтронном материаловедческом комплексе Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (г. Екатеринбург). Ведется сооружение многоцелевого исследовательского реактора на быстрых нейтронах МБИР (г. Димитровград), вводится в эксплуатацию Международный центр нейтронных исследований "ПИК" (г. Гатчина Ленинградской области).
В рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы" было завершено сооружение самого мощного в мире высокопоточного реактора "ПИК" (национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г. Гатчина Ленинградской области). На данный момент осуществляется освоение мощности реактора и выход на проектные показатели. Проведение исследований на базе Международного центра нейтронных исследований на базе высокопоточного реактора "ПИК" обеспечит ведущую роль России в изучении структуры и свойств материи с применением пучков нейтронов.
На базе высокопоточного реактора "ПИК" запланированы исследования в области материаловедения, магнитных материалов, нанотехнологий, изучения биологических объектов, физики.
Российскими исследователями на ускорительном нейтронном комплексе федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (г. Москва) (включая импульсный нейтронный источник ИН-06) проводятся исследования по таким направлениям, как разработка материалов для энергетики, включая ядерную и термоядерную, биомедицинских технологий, включая технологии ядерной медицины (радиофармацевтика, нейтронно-захватная терапия, производство медицинских изотопов), ускорительных и реакторных технологий, включая детектирование, исследования в области материаловедения, включая разработку новых материалов, наноразмерных структур и композитов с уникальными функциональными свойствами, а также сплавов и магнитных материалов.
На нейтронном материаловедческом комплексе (реактор ИВВ-2М) проводятся исследования по таким направлениям, как разработка новых материалов с уникальными функциональными свойствами, наноматериалов, металлов, сплавов, магнитных и других материалов для перспективной отечественной компонентной базы для приборостроения, радиационная модификация свойств материалов.
На исследовательском нейтронном реакторном комплексе ИР-8 проводятся исследования в области разработки ускорительных и реакторных технологий, новых энергетических технологий, включая технологии прямого преобразования энергии, исследования и разработки в области социогуманитарных технологий, включая исследования исторических материалов и объектов культурного наследия.
С использованием ускорителя протонов У-70 проводится разработка новых энергетических технологий, включая технологии прямого преобразования энергии, новых биомедицинских и генетических технологий, конструкционных материалов (в том числе сплавов) и изделий, предназначенных в том числе для работы в экстремальных условиях.
На высокопоточном импульсном реакторе ИБР-2М проводятся исследования в области химии, материаловедения, физики, в том числе физики конденсированного состояния и ядерной физики, геологии, биологии, биофизики и прикладные разработки.
На базе имеющейся ускорительной инфраструктуры (линейный ускоритель и синхротрон) и радиоизотопного комплекса национального исследовательского центра "Курчатовский институт" запланировано создание новейшего отечественного научно-образовательного медицинского центра ядерной медицины, осуществляющего диагностику и лечение с использованием ядерных технологий (протонную, ионную и лучевую терапии). В данном центре с привлечением при необходимости профильных федеральных научных организаций, осуществляющих медицинскую деятельность, на основании соглашений между национальным исследовательским центром "Курчатовский институт" и указанными федеральными научными организациями в рамках клинической апробации будут отработаны современные методы диагностики и лечения пациентов со злокачественными новообразованиями, болезнями системы кровообращения, болезнями глаза и его придаточного аппарата, болезнями нервной системы и иными болезнями. Создание указанного центра позволит осуществлять подготовку кадров для проведения исследований и процедур с использованием ядерных технологий, включая ядерную медицину. Создание в ходе организации новейшего отечественного научно-образовательного медицинского центра ядерной медицины типовой модели центра ядерной медицины в 2021 году позволит обеспечить развитие центров ядерной медицины в других субъектах Российской Федерации при организационно-методической поддержке национального исследовательского центра "Курчатовский институт".
Кроме того, создание новейшего отечественного научно-образовательного медицинского центра ядерной медицины позволит достигнуть результата по таким перспективным направлениям, как использование для диагностики заболеваний радионуклидов с более коротким временем жизни, чем у изотопов, применяемых в настоящее время, а также получение радиоактивных источников высокой чистоты, что приведет к уменьшению дозы радиоактивного облучения, получаемой пациентом. Введение в действие модернизированного циклотрона с высокой интенсивностью протонного пучка на базе указанного центра позволит использовать его не только в качестве источника терапевтического протонного пучка, но и для наработки эффективных радионуклидов.
При взаимодополняющем использовании синхротронного излучения и нейтронов достигается синергетический эффект и принципиально новый уровень результатов. Совместно они дают полную картину строения вещества - на уровне электронного строения (электронной плотности) информацию дают синхротронные методы, а на уровне атомных ядер завершают полноту представления структуры нейтронные методы.
По экспертным оценкам, синхротронные и нейтронные исследования (разработки) проводят более 1200 российских исследователей в более чем 60 научных организациях и образовательных организациях высшего образования.
Российскими учеными с использованием источников синхротронного излучения получены значимые результаты в области исследования материалов пониженной размерности (квантовых точек, нитей и двумерных материалов) - перспективных материалов электроники, сенсоров. Большую практическую значимость имеют выполняемые российскими исследователями рентгеноспектроскопические исследования, направленные на получение информации о динамике химических реакций, принципах функционирования катализаторов. Значительный вклад российские ученые внесли в исследования структуры и свойств материалов в экстремальных условиях.
Проводятся исследования по ряду научно-исследовательских проектов в области структурной биологии, включая изучение структуры и пространственного расположения антигенов вируса гриппа, создания живой противогриппозной вакцины. В Российской Федерации значительное развитие получили исследования объектов культурного наследия с использованием синхротронного и нейтронного излучения.
Участие в крупных международных проектах развития уникальных научных установок класса "мегасайенс" в настоящее время является для Российской Федерации необходимым условием сохранения и развития современных компетенций в различных областях науки, в том числе в области ускорительных технологий.
Таким образом, существует потребность и сформирован научный, технический и инженерный задел для создания (модернизации) в сжатые сроки на территории Российской Федерации современных источников синхротронного излучения 3-го и 4-го поколений, а также прототипа импульсного источника нейтронов на основе реакции испарительно-скалывающего типа.
Российская Федерация исторически имеет большой опыт в области создания и эксплуатации синхротронных и нейтронных источников. Российские ученые участвовали в международной кооперации по созданию самых современных источников рентгеновского излучения - на рентгеновском лазере на свободных электронах, и создании и модернизации Европейского центра синхротронного излучения до источника четвертого поколения. При реализации этих проектов при непосредственном участии российских специалистов были разработаны основные технологические и инженерные решения, проведены все необходимые научно-исследовательские, опытно-конструкторские и технологические работы, получены компетенции в создании основных технических узлов и накоплен значительный опыт. Полученный опыт также позволит спроектировать перспективный источник синхротронного излучения с характеристиками, превышающими параметры имеющихся и проектируемых в мире установок.
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, организации, созданные Государственной корпорацией по атомной энергии "Росатом", федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук имеют большой опыт разработки, создания и эксплуатации исследовательских нейтронных реакторов, ускорителей протонов, создания конструктивных блоков и агрегатов источников синхротронного излучения, а также экспериментальных станций (синхротронных и нейтронных), включая их эксплуатацию и обеспечение доступа для пользователей. Российскими специалистами накоплен значительный опыт в области создания инженерных систем для такого рода установок. Компетенции этих и других научных, научно-производственных и промышленных структур должны быть широко использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации синхротронной и нейтронной исследовательской инфраструктуры.
В целях координации деятельности научных и образовательных организаций на уникальных научных установках класса "мегасайенс" по инициативе национального исследовательского центра "Курчатовский институт" создана Национальная ассоциация научно-образовательных организаций - участников международных проектов класса "мегасайенс". Деятельность ассоциации направлена на формирование единого научно-образовательного пространства в целях повышения эффективности исследований, проводимых на уникальных научных установках класса "мегасайенс", формирования модели международного научно-технического сотрудничества, обеспечивающей интеграцию российской научной сферы в мировое научное пространство.
Таким образом, полностью обеспечен научный, технический и инженерный задел для создания на территории Российской Федерации современных, дополняющих друг друга уникальных научных установок класса "мегасайенс", что позволит обеспечить решение принципиально новых фундаментальных и крупных прикладных задач, требующих применения синхротронного и нейтронного излучения.
В Российской Федерации существует потребность в опережающем развитии прорывных ускорительных и реакторных технологий мирового уровня, определяющих параметры и глобальные исследовательские задачи на 2030 - 2050 годы, а также в создании с международным участием соответствующей уникальной исследовательской инфраструктуры на территории Российской Федерации.
При этом необходимо учитывать, что для проведения исследований (разработок) с использованием синхротронного и нейтронного излучения на современном уровне необходимо развитие соответствующих компетенций исследователей и специалистов Российской Федерации, однако следует отметить, что сегодня наблюдается значительный недостаток высококвалифицированных научных кадров, способных проводить синхротронные и нейтронные исследования по различным направлениям науки и развития технологий.
В целях обеспечения научного лидерства и технологической независимости Российской Федерации, решения проблем развития прорывных технологий, основанных на использовании результатов исследований (разработок) на ускорительных и реакторных установках, необходимо обеспечить создание условий для достижения конкурентоспособных научных и (или) научно-технических результатов, включая увеличение количества отечественных лабораторий и исследовательских центров, подготовить высококвалифицированные исследовательские коллективы, в том числе с использованием зарубежных источников синхротронного излучения и в кооперации с ведущими международными коллективами.
