Научный комитет Национальной премии в области будущих технологий «Вызов» присудил премию 2025 года в номинации «Ученый года» за важнейшие фундаментальные и прикладные исследования в области радиохимии и радиохимических технологий академику РАН Степану Николаевичу Калмыкову (МГУ).
Степан Николаевич Калмыков родился 29 октября 1974 года. Окончил химический факультет МГУ им. Ломоносова. В 1999 году он поступил в аспирантуру, где работал над кандидатской диссертацией на тему «Миграция радионуклидов через геохимические барьеры». В 2008 году он успешно защитил докторскую диссертацию «Роль коллоидных частиц в миграции актинидов с подземными водами». Занимал пост декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, с 2022 года – научный руководитель факультета. В 2016 году он был избран членом-корреспондентом РАН, а в 2022 году – академиком. Вице-президент РАН с 22 сентября 2022 года. В 2024 году награждён орденом Дружбы и юбилейной медалью «300 лет Российской академии наук».
Радиохимия. Начало
Науки, связанные с радиоактивностью в отличие от классических наук интересны тем, что все они имеют всего одну историческую точку отсчета. 1 марта 1896 года Анри Беккерель проявил фотопластинку, на которой лежала урановая соль, которая не подвергалась облучению солнечным светом и, тем не менее, получил изображение на ней. Так была открыта радиоактивность, а Беккерель за это открытие получил Нобелевскую премию по физике 1903 года, разделив ее с Пьером и Марией Кюри.
15 лет спустя Мария Склодовская-Кюри получала уже вторую свою Нобелевскую премию – на сей раз по химии, и 11 декабря 1911 года прочла свою Нобелевскую лекцию, которая была озаглавлена «Радий и новые концепции в химии». Эту лекцию можно считать точкой отсчета для истории новой науки – радиохимии. Тем более, что в ней описывались задачи, стоящие перед радиохимией и сейчас – выделение различных радиоактивных элементов из их смеси.
Особую роль радиохимия начала играть уже после Второй мировой войны, когда СССР и США включились в атомную гонку, которая привела не только к созданию и развитию ядерного оружия, но и к появлению атомной энергетики. Первая в мире атомная электростанция, которая поставляла электричество в сеть, появилась в СССР в 1954 году в Обнинске.
Проблемы ядерной энергетики
Однако у ядерной энергетики первых поколений с реакторами на тепловых нейтронах есть две главные проблемы.
Первой проблемой становится то, что в таких реакторах «горит» исключительно уран-235, которого в природном уране – менее процента (0,7% по массе). Поэтому требуется обогащение урана перед его загрузкой в реактор, также встает вопрос исчерпаемости сырья – при таком подходе урана для атомной энергетики хватит всего на десятки лет.
Вторая проблема заключается в отработавшем топливе. Если мы в реактор загружаем только очень малорадиоактивную смесь изотопов урана, то после 12-18 месяцев работы в реакторе в той же самой таблетке отработавшего топлива накапливается огромное количество радиоактивных продуктов деления.
«Таблетку ядерного топлива до загрузки в реактор вы можете спокойно взять в руки, но если вы сделаете то же самое после выгрузки ее из активной зоны, жить вам осталось недолго», - часто говорит Степан Калмыков в своих лекциях.
При этом в отработавшем топливе остается до 95-96 непрореагировавшего урана и 4-5 процентов продуктов распада, которые не позволяют использовать это топливо дальше. Эти 4-5 % представляют собой очень сложную смесь радионуклидов, химических элементов и их форм – металлические частицы, оксиды, газообразные вещества и так далее.
И поскольку среди продуктов деления есть очень долгоживущие изотопы, то естественным образом радиоактивность отработавшего топлива снизится до уровня естественной радиоактивности урановой руды только за сотни тысяч лет. Пока человечество не достигло такого инженерного уровня, чтобы гарантировать безопасное хранение радиоактивных отходов на такой срок.
Решением этой проблемы является замыкание ядерного топливного цикла. Первый этап – это первичная переработка отработавшего ядерного топлива: из него извлекаются уран и плутоний, которые возвращаются в ядерный цикл реакторов на тепловых нейтронах. Это позволяет сократить объемы высокоактивных отходов в 20 раз, а срок хранения – «всего» до 10 000 лет. Правда, и этот срок пока что цивилизация гарантированно обеспечить не может.
Следующим этапом в замыкании ядерного топливного цикла должны стать реакторы на быстрых нейтронах, которые позволяют «дожигать» другие долгоживущие изотопы – минорные актиниды, в первую очередь – нептуний и америций. Если из отработавшего ядерного топлива извлечь долгоживущие изотопы и «дожигать» их в реакторах на быстрых нейтронах, то уже через 100 лет такие отходы будут безопасны с точки зрения онкологических рисков, а через 300 они достигнут уровня радиационной эквивалентности: их активность сравняется с естественной радиоактивностью урановой руды.
Дело за малым – извлечь из сверхсложной смеси долгоживущие радионуклиды для «дожигания», оставив при этом короткоживущие. Именно в этой области и находится один из основных фокусов работ лауреата.
Вклад Степана Калмыкова
Помочь решить проблему извлечения нужных элементов из сложного «супа» помогли работы, за которые вручили Нобелевские премии по химии 1913 и 1987 года.
Альфред Вернер впервые построил теорию комплексных соединений, описав комплексы металлов с различными лигандами, а Чарльз Педерсен, Жан-Мари Лен и Дональд Крам построили химию комплексов «гость-хозяин», в которых сложный органический лиганд идеально подходит для конкретного иона, связывает его и позволяет извлечь из раствора, в котором ион присутствует вместе с другими.
Одной из важнейших работ Калмыкова стало создание лигандов для разделения очень близких европия, кюрия и америция. Европий-152 и европий-154, а также кюрий-244 имеют периоды полураспада от 8,6 до 18,1 года. А вот америций-241 имеет полураспад 432 года, америций-243 – 7370 лет.
Чтобы подобрать правильный лиганд для разделения этих радионуклидов, последовательно использовалось сразу несколько современных методов: сначала - квантово-химические расчеты и подбор структуры при помощи машинного обучения.
При этом, поскольку лабораторных данных по комплексообразующим свойствам для актинидов для обучения нейросети не существует, в машинном обучении использовались экстраполированные данные по лантанидам. Дополнительно нейросеть прогнозировала и радиационную стойкость лигандов, крайне важную для реального применения их в разделении радионуклидов.
Затем проводились лабораторные исследования экстракционной способности, радиационной и гидролитической стойкости и важные испытания на пожарную и взрывную безопасность, что крайне важно для атомной промышленности, а также динамические испытания на следовых и макро-количествах радионуклидов. После экспериментов проводилась химическая модификация лигандов для улучшения их характеристик – и новые испытания.
В результате удалось достичь коэффициента селективности 7 для пары америций/европий, выделения 99,7%-99,9% всего америция с чистотой в 99,8%.
Работы Калмыкова по разделению радионуклидов – это один из трех ключевых компонентов технологии замкнутого ядерного топливного цикла (наряду с технологией производства нового ядерного топлива и конструкцией самого реактора на быстрых нейтронах), которая позволяет увеличить ресурсную базу ядерной энергетики с десятков до тысяч лет, а время хранения радиоактивных отходов сократит с сотен тысяч лет до просто сотен лет.
Жизнь радионуклидов
Область интересов и практические результаты лауреата простираются гораздо шире радиохимического разделения радионуклидов в отработавшем ядерном топливе.
История атомной энергетики знает несколько случаев радиоактивного загрязнения окружающей среды. Случались аварии на АЭС, на объектах хранения радиоактивных материалов. И для того, чтобы обеспечить безопасность нового поколения атомной энергетики и хранения радиоактивных отходов, нужно было разобраться в том, как ведут себя радионуклиды, попав в природную среду.
В результате многолетней работы Степаном Калмыковым были определены механизмы образования, свойства и поведение коллоидных наночастиц в водных растворах, содержащих актиниды (в частности плутония – самого распространенного элемента в отработавшем топливе), исследование физико-химических форм радионуклидов в объектах ядерного наследия для разработки эффективных методов их рекультивации.
Эти исследования велись как в лаборатории, так и на местах крупных аварий, случавшихся в начале освоения атомной энергии с использованием самых современных методов, включая синхротронное излучение.
Глина глине рознь
Третий важный результат - научно-технологическое обеспечение работ по обоснованию выбора барьерных глинистых материалов, применяемых при реализации проектов на заключительной стадии жизненного цикла объектов использования атомной энергии.
Несмотря на развивающиеся технологии замыкания ядерного топливного цикла, совсем без отходов атомная энергетика обойтись не может. И для хранения радиоактивных отходов пусть и «всего» на 300 лет необходимо создавать барьерные материалы, которые станут барьером между упаковками отходов и внешним миром – горными породами, грунтовыми водами и препятствовать разрушению упаковки при воздействии породы (например, при потенциальном обрушении), а также не пропускать нуклиды наружу. Мировой опыт показывал, что лучший барьерный материал – глина. Однако, как оказалось, глина глине рознь.
Работы Калмыкова позволили обосновать выбор наилучшего глинистого материала для использования в радиоактивных отходах.
Ядерная медицина
Помимо огромного фронта работ в области изучения поведения, захоронения и разделения радиоактивных отходов, лауреатом получены важные результаты и в области ядерной медицины, в том числе – создания новых радиофармпрепаратов. Им разработаны технологии получения новых радионуклидов для ядерной медицины – актиния-225 и радия-223, а также предложены новые молекулярные конструкции для компонентов радиофармацевтических препаратов, в том числе – конъюгатов комплексов макроциклических органических соединений и радионуклидов с антителами для таргетной доставки альфа-активных нуклидов в раковые клетки: антитела связываются с молекулярными мишенями, которые гиперэкспрессируются в раковых клетках, почти не появляются на поверхности здоровых клеток и целенаправленно доставляют туда радиоактивный изотоп.
Научный комитет отмечает вклад Степана Калмыкова в радиохимию, считая, что труды лауреата не только изменили ландшафт науки радиохимии, но и сделали многое для энергетического прорыва XXI века.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
