Кванты, изотопы, сверхматериалы: как атомные технологии меняют мир сегодня

20 августа 2025 года отмечается 80 лет отечественной атомной промышленности. Разработки в области атомной энергетики, начавшиеся в 1940-х годах, стали катализатором научно-технического прогресса и дали развитие перспективным направлениям в промышленности, медицине, космических технологиях, сельском хозяйстве, экологии и многим другим.

Как изотопы помогают бороться с опасными заболеваниями? С помощью чего создают сверхпрочные материалы? И в чем уникальность 50-кубитного квантового компьютера? В этом материале мы расскажем о главных научных областях, на развитие которых повлияла отечественная атомная отрасль.

Лечение излучением

Одна из ключевых областей, где атомные технологии находят широкое применение — радиология (ядерная медицина). Это раздел клинической медицины, связанный с применением радиофармацевтических препаратов в диагностике и лечении заболеваний.

Производство генераторов технеция 99m в АО «НИФХИ им Л.Я. Карпова»

В диагностике это работает так: в организм вводят радиоактивные вещества (радиофармпрепараты) и регистрируют их излучение. В отличие от других методов лучевой диагностики (КТ, МРТ), способных оценить морфологические изменения в органах и тканях, радионуклидные технологии позволяют выявить и функциональные изменения, то есть клеточный метаболизм. Это важно во многих направлениях клинической медицины, в том числе онкологии, кардиологии, урологии, эндокринологии.

Но наибольшее значение радионуклидная диагностика имеет в сфере онкологии, отмечает академик РАН, профессор кафедры лучевой диагностики и лучевой терапии Сеченовского Университета Наталья Серова.

«Благодаря радионуклидным технологиям можно не только выявлять первичные и вторичные очаги онкологического процесса, но и определить степень активности раковых клеток, распространенность патологического процесса. Именно эти методики позволяют в динамике проводить мониторинг состояния пациентов и контролировать процесс лечения», — говорит ученый.

Сегодня специалисты уже могут применять гибридные технологии лучевой медицины, сочетающие радионуклидную диагностику со стандартными процедурами визуализации — ПЭТ-КТ и ПЭТ-МРТ. Это более точные методы, позволяющие определить зону поражения и степень активности онкологического заболевания в ней.

Помимо диагностики, радиофармпрепараты (РФЛП) используют в лечении: пациенту вводят препарат, содержащий радионуклид и нацеливающий вектор, который узнает раковые клетки, таким образом он накапливается в патологическом очаге и разрушает его. Так, таргетные препараты на основе специфических векторов с лютецием-177 успешно применяют в терапии рака предстательной железы и нейроэндокринных опухолей, а самарий-153 помогает пациентам, страдающих ревматоидными артритами с выраженным болевым синдромом и при метастазах в кости Иногда вектор не нужен: например, препараты на основе радиоактивного йода-131 по своей природе избирательно накапливаются в щитовидной железе и применяются при лечении рака щитовидной железы.

«В последние годы перспективным направлением стала тераностика („терапия“ + „диагностика“) — использование радиофармпрепаратов, которые одновременно могут находить и уничтожать раковые клетки. Высокочувствительная радионуклидная диагностика позволяет визуализировать опухоль и метастазы, а терапия радиофармацевтическими лекарственными препаратами — избирательно облучать их изнутри, не затрагивая здоровые ткани. В России эти технологии активно развиваются в последние годы», — рассказывает Наталья Серова.

Центры ядерной медицины

Основными центрами исследований в сфере ядерной медицины являются НИЦ «Курчатовский институт», Медицинский радиологический научный центр имени А. Ф. Цыба Минздрава России, Федеральный медицинский биофизический центр имени А. И. Бурназяна (входит в Федеральное медико-биологическое агентство), а также Госкорпорация «Росатом».

Например, в Физико-энергетическом институте имени А. И. Лейпунского ((АО «ГНЦ РФ — „ФЭИ“, входит в Научный дивизион „Росатома“)) производят сырьевые изотопы, в том числе актиний-225. Этот изотоп считается одним из самых перспективных радионуклидов для терапии многих онкологических заболеваний. Он способен уничтожать опухолевые клетки, максимально сохраняя здоровые ткани, эффективен в лечении неоперабельных метастатических форм рака.

В Институте реакторных материалов (входит в Научный дивизион «Росатома») производят источники для дефектоскопии на основе иридия-192 и селена-75. Производимые соединения, меченные углеродом-14, используют для разработки новых препаратов.

В Институте реакторных материалов производят источники на основе иридия-192 и селена-75, а также соединения, меченные углеродом-14. Такие изотопы используют для разработки новых препаратов.

Кроме того, уникальными исследованиями для ядерной медицины занимаются в Научно-исследовательском институте атомных реакторов, Радиевом институте имени В. Г. Хлопина и Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л. Я. Карпова (предприятия входит в Научный дивизион «Росатома»). Всего изотопную продукцию нарабатывают в общей сложности 14 площадок Росатома.

В промышленных масштабах стартовые материалы для радиофармпрепаратов нарабатывают, например, на атомных станциях с энергоблоками РБМК-1000. Ленинградская АЭС обладает возможностями наработки изотопов молибдена-99 (материнского радионуклида для получения технеция 99 m), йода-131, лютеция-177, самария-153, применяемых при диагностике и лечении различных видов заболеваний. Радиофармпрепарат на основе изотопа самария-153 — востребован на рынке ядерной медицины: он обладает способностью избирательно накапливаться в метастатических очагах костной ткани при раке щитовидной железы, молочной железы, предстательной железы, почек и легких, оказывая обезболивающее воздействие, в том числе за счет уничтожения злокачественных клеток, и улучшая качество жизни пациентов.

Чтобы производить радиофармпрепараты и их компоненты, нужна современная научно-техническая база. Для этого в стране запускают новые центры ядерной медицины, модернизируют инфраструктуру и поддерживают научно-исследовательские проекты на государственном уровне. Так, сейчас на территории НИФХИ, расположенном в Обнинске Калужской области, идет строительство крупнейшего в Европе радиофармацевтического завода На предприятии планируют выпускать около 20 видов радионуклидной продукции для кардиологии, ревматологии, а также для диагностики и лечения широкого спектра онкологических заболеваний. Подробнее об этом мы рассказывали здесь. Ожидается, что первую опытную партию РФЛП выпустят в конце 2026 года.

Новые материалы

Помимо медицины, атомные технологии активно применяют в создании новых материалов. То есть таких, которые отличаются уникальными свойствами и характеристиками. Например, неорганические материалы востребованы в области хранения энергии, преобразования энергии (термоэлектрики), сверхпроводников, полимеров, композитов и тугоплавких конструкционных материалов. Эти разработки особенно перспективны в электронной, добывающей и химический промышленностях.

Как правило, путь к созданию таких материалов начинается с цифрового моделирования. Не обходится без технологий искусственного интеллекта. Подробнее об этом рассказывает профессор Сколтеха и НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Александр Квашнин.

«Методы цифрового моделирования вместе с ИИ-технологиями позволяют провести многомасштабный поиск среди большого количества известных материалов, а также помогают предсказать новые материалы и исследовать их свойства. Таким образом, для лабораторного синтеза, что является следующим шагом, передаются самые перспективные структуры, предсказанные посредством цифрового моделирования», — объясняет ученый.

Чтобы повысить качество производства новых материалов, по его словам, необходимо оптимизировать технологические процессы (в том числе с применением ИИ), разрабатывать новое оборудование. Ускорить процесс можно с помощью цифровых двойников, которые позволят улучшить как технологические параметры, так и конструкционные.

Термопласты и композиты

Одну из таких технологий для создания новых материалов недавно представила Госкорпорация «Росатом». Специалисты разработали устройство, позволяющее создавать изделия любой геометрической формы, а также сам материал и его структуру. Подобрать состав помогает нейросеть, анализирующая базы данных. Компоненты собираются в структуру специальным лазером. В результате получается готовый образец для испытаний.

Благодаря этой технологии уже удалось получить такие материалы, как керамика из карбида кремния. Она обладает множеством полезных свойств (среди них — высокая прочность, износостойкость и температура плавления) и востребована во многих отраслях промышленности: автомобильной, аэрокосмической, энергетической, металлургической, нефтегазовой.

К числу других перспективных материалов можно отнести тугоплавкие металлы, термопластичные композиты, сверхпроводящие металлы. А также пьезоэлектрические материалы — диэлектрики, способные преобразовывать механическую энергию в электрический сигнал. Причем некоторые из них ведут себя противоположным образом — под действием электрического поля меняют свой размер или форму. Пьезоматериалы применяют в медтехнике, гидроакустических системах и охранных датчиках.

Еще одна необычная разработка ученых Росатома — углеродное волокно на основе изотропных и мезофазных пеков. Внешне этот материал выглядит как тонкие графитовые нити. Особенность в том, что они имеют достаточно высокую теплопроводность и упругость, при этом практически не деформируются при экстремальных перепадах температуры. На основе такого материала можно создавать надежные конструкции в атомной, энергетической и авиакосмической промышленности. Например, для спутников, корпусов орбитальных станций и даже космических кораблей.

Кванты и атомы

Атомная отрасль — сфера наукоемкая, в которой значительную роль играют высокопроизводительные вычисления. Помочь справиться с этой задачей могут квантовые технологии. Помимо прочего, в будущем они могут использоваться в моделировании ядерных процессов и разработке материалов с заданными свойствами.

«Квантовые компьютеры и симуляторы сейчас находятся на этапе перехода от лабораторных систем с небольшим количеством кубитов, к промышленным машинам, способным решать задачи, с которыми не могут справиться классические компьютеры. Спектр этих задач крайне широк: от моделирования химических реакций и материалов до оптимизации логистики и финансовых операций», — делится руководитель группы в компании «Росатом — Квантовые технологии», старший научный сотрудник Российского квантового центра Дмитрий Чермошенцев.

Например, фармкомпании могут использовать квантовые вычислители для разработки новых лекарств. Квантовая связь обеспечивает максимально защищенную передачу данных. А квантовая метрология позволяют разрабатывать новые стандарты частоты, которые необходимы для ещё более точного определения времени. Кстати, такие технологии уже применяются в атомных часах для синхронизации телекоммуникационных систем и спутниковой навигации.

Хотя полноценные универсальные квантовые компьютеры большой мощности еще не созданы, сейчас идет активное тестирование первых прототипов, добавляет эксперт.

Значимым событием в этом направлении стало появление  50-кубитного квантового компьютера, созданного учеными Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ) в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления» под эгидой Госкорпорации «Росатом».

Этот вычислитель является самым мощным квантовым компьютером в России на данный момент. Устройство разработано на платформе холодных ионов. Для квантовых операций используется цепочка из 25 ионов иттербия (¹⁷¹Yb⁺), удерживаемых в специальной электромагнитной ловушке и охлажденных до сверхнизких температур.

В промышленных масштабах

Подобные разработки — это не только научный прорыв, но и серьезный инженерный вызов. Чтобы внедрять квантовые технологии на масштабном уровне, необходимо преодолеть ряд трудностей, подчеркивает Дмитрий Чермошенцев. Дело в том, что квантовые системы очень чувствительны к внешним воздействиям — теплу, шуму, электромагнитным полям. Поэтому важно улучшать технологическую базу, разрабатывать эффективные методы коррекции ошибок для более стабильной работы кубитов.

Для промышленного масштаба квантовых компьютеров необходимы стабильные, надежные и массово производимые компоненты — от источников и детекторов до управляющей электроники. А также развитие инфраструктуры, включая оборудование, государственные стандарты, программные платформы и каналы связи с гарантированной квантовой безопасностью.

К тому же, по словам специалиста, для развития отрасли нужно больше квалифицированных кадров — специалистов на стыке физики, математики, инженерии и ИТ. Например, инженеры квантовых устройств, которые умеют проектировать и собирать сложные системы; разработчики квантовых алгоритмов и ПО; специалисты по квантовой криптографии и связи; физики-экспериментаторы и теоретики; системные интеграторы, ответственные за соединение квантовых компонентов с классической электроникой, оптоволоконной инфраструктурой и облачными вычислениями.

Преодолеть все эти трудности можно только благодаря тесной кооперации между наукой, промышленностью, образовательными учреждениями и государством для создания устойчивой квантовой экосистемы, заключает ученый. С учетом того, что квантовая тематика прочно вошла в повестку страны, эти вопросы в ближайшем будущем все же удастся решить.

Конечно, это не полный список достижений, связанных с развитием ядерных технологий. Научные разработки в этой сфере в свое время привели к появлению отечественного, единственного в мире атомного ледокольного флота, дали импульс исследованиям в области возобновляемых источников энергии, аддитивных технологий, сельского хозяйства. Подробнее об этих и других направлениях мы расскажем в наших следующих материалах.

Анна Шиховец