Задача трех дел
Какие атомные технологии сегодня дают ответы на вопросы будущего
Энергия без отходов, фабрики живых органов и квантовые компьютеры. Это не сценарий фантастического фильма — это три технологии, которые трансформируют наше будущее. Рассказываем, как замкнутый ядерный топливный цикл (ЗЯТЦ), квантовые вычисления и биофабрикация изменят жизнь человека.
Неисчерпаемый источник энергии
Представьте, что вы залили полный бак бензина, но использовали всего 1/100 от его объема. Так сегодня работают атомные станции — они извлекают лишь 1% энергии из урана. По словам кандидата технических наук и начальника отдела АО «Прорыв» (входит в «Росатом») Елены Родиной, ЗЯТЦ — как мудрый повар, который из вчерашних «остатков» готовит новые полноценные блюда.
«Технология работает благодаря «магии быстрых нейтронов». При делении одного атома урана образуется 2–3 нейтрона. Один поддерживает цепную реакцию, как огонь в печи, а второй превращает «неделящийся» уран-238 (которого в природном уране 99%) в «делящийся» плутоний-239. Получается парадокс — реактор производит больше топлива, чем потребляет, словно печка, которая создает дрова во время горения», — объяснила Елена Родина.
Замкнутый ядерный топливный цикл решает три основные задачи, определяющие будущее атомной энергетики.
- Ограниченность урановых ресурсов. Сейчас используется только 1% энергетического потенциала урана, а ЗЯТЦ позволяет использовать 99%. Это увеличивает эффективность в 100 раз. Фактически создается практически неисчерпаемая топливная база на тысячи лет вперед.
- Накопление радиоактивных отходов. В России ежегодно накапливаются сотни тонн отработавшего ядерного топлива, но перерабатывается менее 15%. ЗЯТЦ сокращает объем отходов, а главное — уменьшает период их радиационной опасности с сотен тысяч лет до 200–300 лет. Долгоживущие радиоактивные элементы «выжигаются» в быстрых реакторах, превращаясь в короткоживущие продукты.
- Безопасность. Новые реакторы построены на принципах естественной безопасности. Например, инновационный свинцовый реактор БРЕСТ-300, который возводится в рамках Опытно-демонстрационного энергетического комплекса (ОДЭК) в г. Северске Томской области, спроектирован так, что даже при полном отключении всех систем управления реактор самостоятельно переходит в безопасное состояние. Физические законы и интегральная конструкция реактора исключают возможность тяжелых аварий.
Благодаря проекту «Прорыв» Россия может стать первой страной, которая на практике покажет работу ЗЯТЦ в промышленных масштабах уже к 2030 году. Когда технология начнет массово внедряться, в стране будут появляться мощные промышленные энергетические комплексы (ПЭК). При использовании 99% энергетического потенциала урана топливная составляющая в стоимости потребляемой жителями электроэнергии снизится.
Но главное преимущество для населения — надежное энергетическое обеспечение и безопасность. Запасы широко используемых в мире углеводородных ресурсов для получения жизненно необходимого электричества и тепла истощаются, и только крупномасштабная ядерная энергетика на основе ЗЯТЦ позволит получить практически неисчерпаемый источник энергии.
Елена Родина: «Надо понимать, что в мире идет поиск технологий с низким углеродным следом и высокой энергоэффективностью. По этим критериям ядерная энергетика уже сегодня опережает гидроэлектростанции более чем вдвое, а солнечную генерацию — в восемь раз. Предлагая энергетически эффективный и экологически безопасный реакторный комплекс, мы предоставляем не только киловатты, но и стратегическую уверенность».
Мир без технических ограничений
Квантовые технологии в ближайшем будущем кардинально изменят научно-технический ландшафт, и страны, не входящие в «квантовый клуб», навсегда окажутся за бортом технологического лидерства и суверенитета. В России работа по развитию квантовых технологий ведется на системном уровне: в 2020 году приняты «дорожные карты» развития высокотехнологичных областей «Квантовые вычисления», «Квантовые сенсоры» и «Квантовые коммуникации». За направление квантовых вычислений перед государством отвечает госкорпорация «Росатом», а с 2026 года в ведение «Росатома» также войдут исследования и разработки в области квантовых сенсоров.
К началу 2025 года научными группами организаций — участниц квантового проекта «Росатома» созданы прототипы четырех квантовых вычислителей: 50-кубитный на ионах (расположен в научной лаборатории Физического института им. П.Н. Лебедева РАН), 50-кубитный на атомах (расположен в научной лаборатории МГУ им. М.В. Ломоносова), 35-кубитный на фотонах (расположен в научной лаборатории МГУ им. М.В. Ломоносова) и 16-кубитный на сверхпроводниках (расположен в научной лаборатории НИТУ МИСИС).
В августе текущего года принята новая «дорожная карта» по квантовым вычислениям, фокусом которой является практическое применение квантовых новаций. Весь мир ищет сферы такого применения. И российская атомная отрасль одной из первых запустила программу квантового внедрения. Сейчас в повестке — определение конкретных промышленных задач, которые будут решаться с помощью квантовых процессоров.
Екатерина Солнцева, директор по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом»: «Если говорить коротко, то «идеальное будущее» с квантовыми вычислениями — это мир, где мы избавимся от ментальных барьеров, которые сегодня заставляют нас говорить: это невозможно вычислить. Это будущее, где главной проблемой станет не «как решить задачу», а «какие из задач, ранее казавшихся неразрешимыми, решить в первую очередь».
Одной из приоритетных сфер применения квантовых вычислений в будущем станут фармацевтика и медицина в целом: появится возможность моделировать сложные молекулы при создании новых лекарств, а также будут развиваться персонализированные медицинские технологии, позволяющие врачу в кратчайшие сроки разрабатывать индивидуальные рекомендации для лечения человека с учетом конкретных факторов его заболевания и особенностей организма. Также квантовые вычисления будут применяться для прогнозирования новых эпидемий.
Еще одно важное направление — транспорт и логистика. Составление оптимальных маршрутов и расписаний движения транспорта позволит решать проблемы пробок, а стихийно возникающие ограничения, например из-за аварий, будут учитываться в режиме реального времени. Это приведет к сокращению задержек в движении общественного транспорта и позволит автомобилистам тратить меньше времени на дорогу. В логистике применение квантовых вычислений облегчит, потенциально удешевит и ускорит доставку грузов по различным маршрутам.
Новые возможности моделирования молекул и химических процессов дадут толчок развитию целого ряда индустрий, связанных с химической наукой. А в IT-сфере интеграция квантовых вычислений в индустриальное ПО позволит инженерам создавать более продвинутые технологии, например, в судостроении и авиапромышленности.
В финансовом секторе квантовые вычисления необходимы для минимизации рисков и более точной оценки кредитоспособности организации или человека. А на производстве они помогут, к примеру, составлять оптимальный план выполнения заказов или обеспечивать организацию труда.
Квантовые вычисления выведут на принципиально новый уровень возможности искусственного интеллекта (ИИ). Они усилят ИИ в части ускорения машинного обучения, распознавания и анализа изображений, речи и текста, обработки больших данных и т.д. Квантовые компьютеры смогут решать те же задачи эффективнее, быстрее, с меньшими энергозатратами.
Трансплантология без очередей
В мире, где спрос на донорские органы растет быстрее, чем их доступность, биофабрикация перестает быть фантастикой и превращается в новую производственную реальность. Как рассказал руководитель проекта Научно-производственного центра медицинских изделий АО «НИИТФА» (Научный дивизион ГК «Росатом») Егор Плахотнюк, биофабрикация — способ формировать живые ткани и даже органы вне тела человека.
Представьте себе не обычную лабораторную работу, а технологию, где по цифровой модели можно собрать фрагмент человеческой ткани: создается пространственная матрица физических полей, добавляем биочернила — и вот они сами занимают свои позиции в объеме и образуют заданную структуру. Это уже давно не фантазия про будущее и не чистая наука ради науки. Это попытка сделать то, чего в одиночку классическая медицина не может: воспроизвести сложные элементы организма под полным технологическим контролем.
Егор Плахотнюк: «Экономические причины, которые подтолкнули биофабрикацию вперед, довольно просты. Мир объективно столкнулся с дефицитом донорских органов, и этот дефицит растет быстрее, чем системы здравоохранения успевают перестраиваться. Люди живут дольше, хронические заболевания требуют все более сложного и длительного лечения, а стоимость терапии измеряется уже не миллиардами, а триллионами долларов. На этом фоне биофабрикация стала не только научным вызовом, но и ответом на глобальную экономическую перегрузку. Это попытка дать медицине инструменты, которые позволят лечить людей иначе — быстрее, точнее и индивидуально».
Биофабрикация решает несколько системных проблем одновременно. Во-первых, это хронический дефицит донорских органов. Сегодня тысячи людей умирают, не дождавшись пересадки, и технология дает шанс изменить эту ситуацию: ткани создаются из клеточного материала самого человека, что максимально исключает риск отторжения.
Во-вторых, биофабрикация устраняет много «болевых точек», связанных с тестированием лекарств. С помощью биопечати уже сегодня можно создавать живые модели органов и болезней, что дает безопасную и более точную альтернативу исследованиям на животных, которые часто не отражают реальность.
Егор Плахотнюк: «Очень важно, что биофабрикация дает ответ на вызовы травм и возрастных изменений. Поврежденные ткани — будь то хрящи, связки или суставные поверхности — можно будет восстанавливать индивидуальными имплантами, созданными на основе собственного материала пациента. И, наконец, долгосрочная перспектива — продление жизни. В научной среде активно обсуждается потенциал биофабрикации как инструмента омоложения тканей и восстановления функций органов, которые раньше считались необратимо утерянными».
Наиболее реалистичные и востребованные применения связаны с ортопедией, травматологией и ангиопластикой. Созданные тканевые эквиваленты для хрящей, суставных поверхностей и связок — все это уже может помочь миллионам пациентов с травмами или возрастными повреждениями. И, конечно, в перспективе биофабрикация может изменить трансплантологию. Создание функциональных эквивалентов органов под конкретного человека позволит снизить смертность в очередях на трансплантацию и решит проблему несовместимости, которая сегодня ограничивает возможности традиционной медицины.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl