Для Санкт-Петербургского политехнического университета атом — особый предмет исследований. В XX веке именно политехники стояли у истоков легендарного Атомного проекта. Сегодня вуз занимается передовыми наукоемкими разработками в ядерной и термоядерной энергетике, медицине и других областях. Рассказываем о самых интересных направлениях и вехах атомной эры Политеха.

Главные направления исследований — опреснение воды и производство водорода с помощью атома, применение искусственного интеллекта в ядерной энергетике и численных методов для моделирования реакторов нового поколения.

*

Чистая Энергия

Над чем сегодня работают ученые? Об этом нам рассказал доцент двух Высших школ — атомной и тепловой энергетики, а также техносферной безопасности — Хашаяр Садеги. Он окончил магистратуру в родном Иране и решил продолжить обучение в России. Выбор пал на СПбПУ — по мнению Хашаяра, это один из лучших российских университетов с программой по ядерной энергетике.

Пресная пошла!

В самых маловодных районах мира ее уже стало не хватать. Для решения проблемы там опресняют соленую морскую воду с помощью электростанций, работающих на ископаемом топливе. А это дорого и вредно для окружающей среды. В качестве альтернативного способа опреснения разные страны все чаще рассматривают более чистую ядерную энергию.

Политехники взялись разработать оптимальные схемы интеграции крупнотоннажной опреснительной установки в обычную АЭС, оценить безопасность и экономическую эффективность этого способа. Цель — добиться стабильного производства дешевой воды.

Однако у многих остаются сомнения в рентабельности ядерного суперопреснителя. Чтобы их развеять, ученые СПбПУ в составе международного коллектива разработали специальную программу. Она быстро рассчитает стоимость кубометра опресненной воды с учетом 200 факторов. Раньше на такие вычисления уходила уйма времени. Но в новый алгоритм встроили искусственный интеллект, и он выдает результат за несколько секунд.

Расчеты показывают: опресненная с помощью атома вода по цене сопоставима с обычной. Варианты для разных стран — в нашей инфографике.

Спаситель из будущего

Ученые Политеха два года назад начали исследовать ядерное производство водорода на основе высокотемпературного парового электролиза. Тип реактора играет в этом важнейшую роль, поэтому в университете создали две исследовательские группы. Одна работает с традиционными ВВЭР — водо-водяными энергетическими реакторами. А другая занимается установками нового поколения — такими как высокотемпературный газоохлаждаемый реактор.

Основные цели нашей работы — разработка практических схем ядерного производства водорода, а также их оптимизация с помощью нейросетевых алгоритмов. Кроме того, мы оцениваем, насколько безопасна и экономически эффективна интеграция ядерного реактора в систему производства водорода.

Хашаяр Садеги

Доцент Высшей школы техносферной безопасности и Высшей школы атомной и тепловой энергетики

Смоделировать реактор

Оно позволяет проводить математические корреляции между многими параметрами на основе генетической и хромосомной логики человека. Политехники впервые использовали этот алгоритм для… прогнозирования аварии в ядерном реакторе. Причем они смогли предсказать ЧП менее чем за две секунды! Результаты этой работы опубликованы в журнале Annals of Nuclear Energy (Великобритания).

В основе всех исследований по ядерной энергетике лежат численные методы. В частности, они применяются для моделирования реакторов нового поколения. Исследовательская группа Политеха сфокусировалась на трех типах установок: быстрый реактор со свинцовым теплоносителем, быстрый реактор с расплавленной солью и высокотемпературный реактор с газовым охлаждением. Ученые проводят их нейтронно-физический и теплогидравлический анализ с помощью чисел.

Кадры для «Аккую»

СПбПУ активно развивает международное сотрудничество в области ядерной науки и образования. Партнерами исследовательской группы стали университеты Италии, Ирана и Китая. Институт энергетики также готовит специалистов для работы в атомной отрасли других стран.

В Турции, на берегу Средиземного моря, завершается строительство ее первой АЭС — «Аккую» (в переводе с турецкого — «Чистый источник»). Четыре энергоблока с российскими реакторами ВВЭР-400 обеспечат энергией 12 миллионов человек. В крупнейшей атомной стройке мира участвует ГК «Росатом», а Политех входит в число опорных вузов госкорпорации.

Институт энергетики СПбПУ подготовил около ста целевых турецких студентов для «Аккую». Они уже приступили к работе на пульте управления, в турбинном отделении и на других ответственных позициях АЭС.

— Эта программа началась в 2015 году, а последний выпуск состоялся в 2023-м, — рассказывает ведущий специалист по работе с иностранными студентами Наталья Донмез. — Всего было три набора. В первый вошли выпускники турецких школ: перед началом основной программы они изучали русский язык на подготовительном факультете. Последующие наборы состояли из тех, кто окончил бакалавриат в вузах Турции и продолжил обучение у нас в магистратуре на английском.

Сложнее всего пришлось вчерашним школьникам: они постигали высшую математику, физику и другие науки на языке, который учили всего год. Наталья Донмез, помогавшая будущим инженерам адаптироваться, сама говорит и по-турецки, и по-английски.

Политех дает возможность не только учиться, но и участвовать в творческих активностях. Мы провели фестиваль русско-турецкой культуры, фотовыставку, несколько студентов даже создали рок-группу. Но главным, конечно, было обучение. Ребята очень ответственно к нему относились. Они побывали на ЛАЭС и на предприятиях, где изготавливалось оборудование для «Аккую», почувствовали себя частью масштабного процесса.

Наталья Донмез

Ведущий специалист по работе с иностранными студентами

Кроме того, в этом году петербургский вуз выпустил пятерых магистров по направлению министерства энергетики и природных ресурсов Турции.

В СПбПУ учатся и студенты из других стран, где уже используют АЭС или только планируют развивать ядерную энергетику. Бангладеш, Египет, Мадагаскар, Пакистан, Руанда — география расширяется.

Основные цели нашей работы – разработка практических схем ядерного производства водорода, а также их оптимизация с помощью нейросетевых алгоритмов. Кроме того, мы оцениваем, насколько безопасна и экономически эффективна интеграция ядерного реактора в систему производства водорода.

Хашаяр Садеги

Доцент Высшей школы техносферной безопасности и Высшей школы атомной и тепловой энергетики

Ради жизни

— Ядерная медицина — очень сложное междисциплинарное направление, — отмечает руководитель отделения молекулярной и радиационной биофизики НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, заведующий кафедрой «Молекулярная и структурная биология» СПбПУ Андрей Коневега. — Она начинается с ядерной физики, в которой наша страна, безусловно, занимает лидирующее положение, и заканчивается собственно медициной и радиофармацевтическими лекарственными препаратами. Между этими крайними точками находятся еще два десятка дисциплин и отраслей науки: биохимия, физиология, анатомия, радиохимия, молекулярная биология, иммунология и другие.

Ученые используют специальные комплексы, которые доставляют радиоактивные изотопы к необходимому органу. Конструкция из антител, способных распознать цель в организме, и молекулы-хелатора, несущей радиоактивный изотоп, распределяется по организму и находит мишень. В определенном месте происходит накопление источника излучения, что позволяет провести качественное информативное исследование.

Подход, при котором с помощью одного и того же носителя, но разных изотопов, можно проводить и терапию, и диагностику, называется тераностикой. Это самое передовое направление в данной области. Наш проект связан с разработкой отечественных инновационных тераностических препаратов на основе радиоактивных изотопов. Он реализуется в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований. Политехнический университет является одной из колыбелей нашей ядерной отрасли, он играет важную роль в выполнении этой программы.

Андрей Коневега

Руководитель отделения молекулярной и радиационной биофизики НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ, заведующий кафедрой «Молекулярная и структурная биология» СПбПУ

Помощь в капсуле

— Мы используем технологию нано- и микрокапсулирования для получения принципиально новых радиофармпрепаратов, — поясняет заведующий лабораторией нано- и микрокапсулирования биологически активных веществ Александр Тимин. — В качестве основы используются радионуклиды, излучающие альфа- или бета- частицы. Мы помещаем радионуклиды в нано- или микрокапсулы и получаем готовый радиофармпрепарат. Это дает более эффективный результат.

Технология, созданная в СПбПУ, отличается от аналогичных зарубежных разработок. Во-первых, политехники используют не стеклянные микросферы, а полимерные капсулы, от которых со временем в организме не остается и следа. При этом побочные эффекты сводятся к минимуму. Во-вторых, размер капсул можно контролировать.

Двойник для печи

Жидкие ВАО смешивают со стеклообразующими добавками и в специальной печи при температуре от 800 до 1200 градусов получают расплав стекла, который помещают в контейнеры для последующего захоронения. В результате объем радиоактивных отходов сокращается, и они переводятся в стабильное безопасное состояние.

Печи для остекловывания ВАО работают на ФГУП «ПО «Маяк» в промышленном масштабе с 1987 года, с 2018-го ведутся испытания нового малогабаритного плавителя дизайна ФГУП «ПО «Маяк». Но такого, как политехники, еще не делал никто. Чтобы разработать оптимальную конструкцию новой печи и снизить число ее испытаний, уменьшить сроки изготовления и стоимость, ученые создали архитектуру цифрового двойника установки. Для инженеров это настоящий вызов, поскольку объект сложно поддается математическому и компьютерному моделированию.

— Наш проект называется «Разработка архитектуры мультифизической цифровой модели печи остекловывания», — поясняет руководитель отдела кросс-отраслевых технологий «Центра компьютерного инжиниринга (CompMechLab®)» ПИШ СПбПУ Юрий Горский. — Мы уже создали архитектуру цифрового двойника — это каркас, набор связей между компьютерными моделями. Если такие модели с высоким уровнем точности описывают исследуемый объект, их можно объединить в единую систему. Она и будет тем самым цифровым двойником.

Цифровой двойник печи остекловывания позволит оптимизировать установку, сделает возможным поиск наилучших конструкций, форм и режимов. А значит, утилизация радиоактивных отходов станет еще более надежной и безопасной.

Юрий Горский

Руководитель отдела кросс-отраслевых технологий «Центра компьютерного инжиниринга (CompMechLab®)» ПИШ СПбПУ

Цифровой двойник печи позволит «на входе» менять многие параметры — например, режим работы или конструкцию устройства. А «на выходе» можно будет получать данные о том, как эти изменения повлияли на функционирование оборудования, качество и надежность всех процессов. Без цифрового двойника провести такие всесторонние испытания невозможно. Это относится к любому промышленному изделию.

В 2021 году Политех совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ разработал первый национальный стандарт цифровых двойников изделий. В самом вузе все работы ведутся с учетом требований ГОСТ на собственной Цифровой платформе разработки и применения цифровых двойников CML-Bench®. На ней же сейчас и «строится» виртуальная печь.

Модель печи остекловывания высокоактивных отходов создается по заказу ФГУП «ПО «Маяк» (входит в Госкорпорацию «Росатом»). Проект уже вышел на стадию создания самого цифрового двойника.

Проект века