Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», в стенах которого 80 лет назад начинался советский атомный проект, продолжает развивать самые передовые технологии. Сегодня направление прорыва для института — реализация природоподобного подхода к науке на базе конвергенции НБИКС-технологий. О том, как легендарный «Курчатник» меняет подходы к современной атомной отрасли, микроэлектронике и генетике и почему в ближайшее десятилетие у нас будет лучшая система меганауки в мире, в интервью «Известиям» рассказал президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук.
«Мы приближаемся к тому, чтобы понять окружающий нас мир»
— Курчатовский институт уже много лет крупнейший междисциплинарный научный центр страны. Но для многих он по-прежнему ассоциируется именно с атомной отраслью. Какие направления в институте сейчас в приоритете?
— Чтобы успешно реализовать атомный проект, Игорь Курчатов и его коллеги исходно должны были быть междисциплинарными. Нужно было разбираться, где искать и добывать полезные ископаемые, как обогатить, то есть увеличить в них долю изотопа 235U для создания атомной бомбы. Сложнейшее дело — сооружение реактора, производство для него сверхчистого графита. Можно сказать, что атомный проект был первым интегратором науки, когда использовались знания из самых разных областей.
Когда я возглавил Курчатовский институт, он был еще по сути институтом атомной энергии. Но наука не стоит на месте. В мои студенческие годы развивалось физическое металловедение — первый этап материаловедения. Затем резко увеличилась доля работ по полупроводникам. А сегодня подавляющее количество научных публикаций посвящено живой материи. Мы живем на новом этапе развития науки о материалах — этапе биоорганического материаловедения.
Благодаря развитию науки у нас есть огромный набор знаний в самых разных направлениях. Сегодня любой новый продукт или технология получаются тем же междисциплинарным путем. Но не из готовых решений из разных областей, а благодаря тому, что сами области сливаются — это и есть конвергенция, о которой я говорю много лет, и природоподобие. В нашем институте нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные технологии (НБИКС) работают на единую цель — создание природоподобных технологий. В этом качественная разница между сегодняшним Курчатовским институтом и тем, где создавали бомбу.
— Расскажите подробнее, в чем заключается природоподобный подход.
— Мы переходим к созданию нового природоподобного технологического уклада. Он возникает не в чистом поле. Я приведу пример компьютера. Уже 60 лет назад, когда были сделаны открытия, заложившие основу развития полупроводниковой микроэлектроники, было очевидно, что самый правильный компьютер — человеческий мозг.
Но тогда еще не была известна структура биологических молекул. А структура неорганических материалов, например полупроводниковых кристаллов, была понятна. Поэтому вместо того, чтобы копировать мозг и делать компьютер, основанный на принципах его работы, мы взяли простой кремний, вложили огромные средства и создали твердотельную микроэлектронику, а на ее основе построили современный мир компьютеров.
Но сейчас мы понимаем, что зашли в тупик. Потому что компьютер сделан абсолютно неправильно, если сравнивать его с мозгом. Чем быстрее он работает, тем больше тратит энергии и выделяет тепла — он малоэффективен. Получается, что цифровизация — это разделение мира на тех, кто обладает и не обладает ресурсами, условно — на богатых и бедных. Первые — это те, у кого есть энергия, как в России, и те, у кого есть деньги, чтобы ее купить. Остальные выпадают из грядущей цифровой цивилизации.
— А какие есть альтернативы? Как изменит ситуацию природоподобный подход?
— За время создания этой «неправильной» технологии — цифрового компьютера, мы хорошо поняли, как устроена природа, с помощью синхротронных и нейтронных источников, сверхмощных микроскопов и суперкомпьютеров. Сегодня вместо воспроизводства функций человека в виде механических систем мы можем перейти к созданию объектов, копирующих живую природу, — энергоэффективных, не ресурсозатратных, не враждебных природе.
У нас уже создан прототип принципиально новых нейроморфных компьютеров, которые устроены по подобию работы мозга, и энергии они потребляют значительно меньше. Также в Курчатовском институте разработан биотопливный элемент, вырабатывающий электричество в результате метаболизма живой клетки.
Сегодня это можно сделать, не складывая отраслевые технические решения, как при производстве бомбы, а соединяя науки и знания, получая принципиально новые возможности. В этом есть глубинный философский смысл природоподобия. И мы это делаем первыми в мире.
— Курчатовский институт — научный руководитель национальной программы развития мегаустановок. Почему это направление в приоритете?
— Сегодня меганаука — важнейшая основа будущих прорывов, для реализации которых нужно создавать новые материалы с заданными свойствами, изучать новые явления. При этом мы должны уметь контролировать эти процессы.
Зачем мегаустановки нужны, с точки зрения обычного человека? Вот мы, условно, решили выточить деталь, сколотить скворечник или сделать двигатель внутреннего сгорания. Мы их нарисовали, подготовили чертеж, прописали размеры. Затем по чертежам изготовили детали. Но когда мы их собираем воедино, надо проверить, а соответствует ли деталь чертежу. Мы можем это измерить линейкой, микрометром, штангенциркулем — это метрика технологии уровня макро.
В микроэлектронике мы точно так же рисуем чертеж интегральной схемы. Но делаем эту схему с помощью последовательно повторяющихся сложных литографических процессов и совмещения». Это уровень микро, невидимый глазу. Но нам всё равно надо проверить, что элементы соответствуют чертежу и размерам. Для этого есть специальные оптические приборы.
Следующий уровень — нанотехнологии. Мы конструируем, например, самоорганизующийся материал из атомов и должны следить за тем, что делаем, но уже на атомном уровне. Это можно сделать с помощью мощного рентгеновского источника, такого как синхротрон, или нейтронного источника. Поэтому создаваемые нами мегаустановки метрологически обеспечивают создание новых материалов на атомарном уровне. Наши ученые и инженеры всегда были пионерами в разработке и создании уникальных мегаустановок мирового класса.
— Что за последние годы удалось сделать в этом направлении у нас и какие планы на будущее?
— Сегодня в рамках программы по мегаустановкам, запущенной указом президента России (ФНТП развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры. — «Известия»), мы создаем систему уникальных отечественных мегаустановок по всей стране. В течение ближайших 8–10 лет у нас будет лучшая инфраструктура меганауки в мире.
Сейчас мы завершаем энергетический пуск самого мощного в мире исследовательского нейтронного реактора ПИК на нашей площадке в Гатчине. Создается новый синхротронный центр в Сибири, в городе Кольцово. Реализуется масштабный проект на курчатовской площадке в городе Протвино, не имеющий аналогов в мире. Это принципиально новая установка СИЛА, сочетающая возможности кольцевого синхротронного источника и рентгеновского лазера на свободных электронах.
В Курчатовском институте в Москве создается новый синхротрон «КИСИ-Курчатов 2». Работающий сегодня синхротрон будет модернизирован и установлен в Дальневосточном федеральном университете на острове Русский. В планах много других проектов, благодаря которым мы становимся мощнейшей державой в вопросах меганауки. Здесь мы всегда были в первых рядах.
— Еще одна важная национальная программа — это развитие генетических исследований, где Курчатовский институт также является головной научной организацией. В чем важность этой программы?
— В Курчатовском институте разработана Стратегия развития природоподобных технологий — основа перехода к новому технологическому укладу. Это означает, что мы начинаем работать непосредственно с живой природой, фактически ставя ее на службу человеку. Мы должны работать с природой на молекулярно-генетическом уровне, поэтому генетическая программа — существенная часть инструментария для формирования нового уклада.
Как я уже говорил, меганаука — это «метрологическая линейка» для того, что мы делаем, а генетика — «технологические ножницы», например, для редактирования генома. Но когда мы что-то делаем на молекулярном уровне, нам надо видеть, как это происходит — нужна рентгеновская и нейтронная метрологическая «линейка». Поэтому для создания природоподобных (конвергентных) технологий указом президента запущены две федеральные программы: по генетике и синхротронно-нейтронным исследованиям — «технологические ножницы» и «метрологическая линейка».
— А если говорить о конкретных разработках в рамках этой программы, какие направления вы бы выделили?
— За 10 лет при поддержке президента и правительства мы создали новый Курчатовский институт ХХI века, который занимается живой жизнью. Его главная задача — продолжая обеспечивать безопасность страны с помощью ядерных технологий, создать систему биологической безопасности и технологической независимости в этой области.
Именно поэтому мы занимаемся медициной, генетикой и сельским хозяйством. Возьмите любые продукты питания. Например, хлеб — это хлебопекарные дрожжи, живые организмы. Кисломолочная продукция — кефир, йогурт, сметана — это живые бактерии. Сюда же можно отнести пиво, вино, сыр и многое другое. Эти организмы должны быть собственными, нами созданными и нами контролируемыми.
Вторая вещь — лекарства. Все субстанции для них изготавливаются биотехнологическим путем, а это опять же промышленные микроорганизмы. Ими мы тоже занимаемся в рамках развития генетических технологий.
«Мы обеспечим себя топливом на тысячи лет»
— Какие разработки в атомной области вы считаете перспективными?
— Атомные станции были построены на некий срок, скажем, на 40 лет. Эти годы быстро прошли. Под действием нейтронного потока корпус атомной станции охрупчивается (значительное снижение пластичности материала, что делает его хрупким. — «Известия»), становится дефектным. Значит, ее надо останавливать и выводить из эксплуатации, а это огромные средства на реабилитацию и захоронение радиоактивных деталей. Не так давно Курчатовский институт совместно с «Росатомом» разработали новые сплавы для корпусов АЭС, которые выдерживают радиационную нагрузку на срок до сотни лет. Представляете, какая колоссальная экономия при строительстве АЭС из этих новых сплавов.
Приведу второй пример. Существуют так называемые образцы-свидетели, которые изготовлены из того же металла, что и корпус станции, и эти образцы расположены в работающей АЭС на разном расстоянии от реактора. Анализ этих облученных образцов позволяет увидеть, какую дозу облучения корпус получит через пять, десять, двадцать лет, уточнить его состояние и определить возможность продления реального срока эксплуатации действующей станции.
Отдельно хотел привести еще один пример, иллюстрирующий экономическую эффективность науки. Когда заканчивается эксплуатационный срок реакторного блока, АЭС останавливается, электричество не вырабатывается, и начинаются, как я уже говорил, сложные и дорогостоящие работы по выводу из эксплуатации и реабилитации.
В Курчатовском институте была разработана уникальная технология восстановительного отжига, позволившая существенно продлить срок работы конкретного блока на Балаковской АЭС. Это дало экономический эффект в размере 161 млрд рублей. Подчеркну, что все выше перечисленные результаты получены совместно с госкорпорацией «Росатом».
— Как организовано взаимодействие Курчатовского института и госкорпорации «Росатом»?
— «Росатом» — это колоссальная система, транснациональная корпорация, которая сегодня строит более 70% станций по всему миру. Это те станции, основы которых были разработаны в Курчатовском институте. Сегодня мы разрабатываем и уже испытываем прототипы принципиально новых ядерных установок, отличающихся от тех, что работают сейчас.
Во многом наш национальный успех на ниве развития атомных технологий определяется высоким уровнем взаимодействия атомной науки с научно-производственным комплексом. Сегодняшняя успешная модель сотрудничества НИЦ «Курчатовский институт» и ГК «Росатом» наглядно подтверждает это.
— В 2021 году Курчатовский институт подписал соглашение с «Росатомом» и стал научным руководителем программы, которую называют «Атомным проектом 2.0». Какие цели у этой программы, как она призвана трансформировать отечественную атомную сферу?
— «Атомный проект 1.0» — это была атомная бомба, и очевидно, что тот атомный проект дал нам не только оружие, но и мирную энергетику, атомный флот, медицину, компьютинг и даже интернет. Сейчас мы предложили «Атомный проект 2.0», в результате которого будет создана абсолютно безопасная, зеленая в прямом смысле, безотходная атомная энергетика. В основе ее лежит природоподобный принцип радиационно-эквивалентного захоронения.
Что это означает? Природный уран исходно обладает определенным уровнем радиоактивности. Мы пропустили его через реакторы, выработали энергию, часть активности ушла, но часть осталась в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) и других отходах, которые мы должны утилизировать.
Курчатовский институт и «Росатом» предложили новую систему замкнутого топливного цикла на основе двухкомпонентной атомной энергетики (АЭС на тепловых электронах и быстрые реакторы). Реакторы на быстрых нейтронах работают на том, что частично является ОЯТ тепловых реакторов. То есть, грубо говоря, первый реактор готовит топливо для второго. В свою очередь быстрый реактор может нарабатывать топливо для тепловых реакторов. В итоге еще кое-что остается, но для этого сейчас мы конструируем жидкосолевой реактор (ЖСР) — реактор-мусорщик, который будет дожигать эти минорные актиноиды (трансурановые элементы, образующиеся при работе ядерного реактора. — «Известия»).
— Следующий этап после атомной энергетики — это термоядерная. Что сейчас делается в этом направлении?
— По нашей идее, еще в 1980-е годы сформулированной академиком Евгением Велиховым, на юге Франции создается крупнейшая установка ITER — международный термоядерный реактор. Он называется русским словом «токамак» — тороидальная камера с магнитными катушками.
Эта установка для магнитного удержания плазмы (искусственное солнце) была придумана в 1950-х годах в Курчатовском институте. И по своей сути термоядерная энергетика является природоподобной, так как воспроизводит процессы, происходящие на солнце. А в 2021 году мы в присутствии председателя правительства Михаила Мишустина осуществили физический пуск самого современного токамака Т-15МД, который является прообразом термоядерного источника нейтронов.
Он создается не только для выработки энергии, как ITER, а в основном как мощный источник нейтронов. Если вы окружите такой источник —токамак — некой стенкой из тория, он под воздействием нейтронов будет превращаться в топливо для АЭС. Таким образом мы обеспечим себя топливом на тысячу лет.
Зеленый «Атомный проект 2.0» основан на природоподобном принципе радиационно-эквивалентного захоронения. Это еще один совместный проект Курчатовского института и «Росатома».
— В феврале этого года правительство России приняло решение о расширении НИЦ: к центру присоединяются семь новых институтов. Цель — развивать передовые технологии в области микроэлектроники и новых материалов. Какие планы в этом направлении?
— Перед распадом Советского Союза мы занимали почти треть мирового рынка микроэлектроники и были высокотехнологичной державой. Еще тогда была запущена программа «Субмикрон». Это был новый этап развития электроники, когда переходили к значительно меньшим размерам элементов на чипе и считалось, что это можно сделать только с помощью рентгеновской литографии.
Главной организацией в этом направлении был головной институт Минэлектронпрома СССР — Институт физических проблем им. Ф.В. Лукина в Зеленограде. Там же одновременно с синхротроном «КИСИ-Курчатов» был построен специально под рентгеновскую литографию технологический накопительный комплекс с мощным источником синхротронного излучения.
Однако развитие твердотельной микроэлектроники пошло иным путем, и рентгеновская литография стала не нужна на этом этапе. Совместными усилиями Курчатовского института, Минпрома РФ, ИЯФ СО РАН, МИЭТ и других институтов синхротронный комплекс в Зеленограде был сохранен.
Сейчас, когда стала очевидной безальтернативность рентгеновской литографии для современного этапа развития твердотельной микроэлектроники, правительством РФ было принято решение о консолидации научных институтов для организации работ на синхротронном рентгеновском источнике ТНК Зеленоград, который стал частью Курчатовского института. В результате у нас в стране будет уникальный центр рентгеновской литографии и мы быстро сможем перейти на новый этап развития.
— А что касается новых материалов, какие здесь планы?
— В Курчатовском институте сосредоточен, я думаю, крупнейший в мире материаловедческий потенциал. Всё, что плавает под водой на разных глубинах и над водой, военное, гражданское — всё сделано из металла, который создан нашим подразделением ЦНИИ КМ «Прометей» в Санкт-Петербурге.
Плюс все платформы для добычи углеводородов на шельфе, трубопроводы, хладостойкие стали, из которых сделаны корпуса ледоколов, — всё это делают в «НИЦ Курчатовский институт» — «Прометей».
Это «водная» материаловедческая часть. А вторая — «воздушная» — материалы для всего, что летает, у знаменитого Института авиационных материалов ВИАМ — тоже часть Курчатовского института. Здесь создают сверхтвердые, жаропрочные и композитные материалы не только для авиации, но и для атомной энергетики.
«Ядерный зонтик ветшает. На первый план выходят вопросы биологической безопасности»
— Вы не так давно выступали на Совете по науке и образованию при президенте и говорили о важности восстановления системы научного руководства. Что эта система даст стране?
— Я глубоко убежден, что мы были успешны в атомном и космических проектах по главной причине: был институт научного руководства, поддержанный на государственном уровне. После распада СССР у нас осталось очень много ученых, но советская система превращения знаний в продукт исчезла, а новой не появилось. Зато возникла масса структур западного толка: венчурные проекты, «Роснано», «Сколково», фонды, которые этим стали заниматься. И в результате появилось большое количество квалифицированных управленцев, а влияние науки ослабло.
Поэтому крайне важно сейчас, когда всё подготовлено, чтобы запустить рынок высокотехнологичной продукции, восстановить баланс между управлением и наукой. Он заключается в восстановлении института научного руководства, закрепленного в государственных документах.
Заказ на научное исследование и разработки должно формировать государство. В этом смысле крайне важно поднять роль Академии наук, которая должна проводить научную экспертизу, но не того, на что раздали деньги ведомства, а того, на что их надо давать, исходя из условий и приоритетов, сформированных государством.
Также РАН должна заниматься прогнозной деятельностью, говорить о том, куда идет мир, какова логика развития науки и на что надо давать деньги, чтобы не отстать.
— В этих условиях очень важным становится вопрос повышения статуса ученого. С чего, на ваш взгляд, следует начинать?
— Нужно понимать, что сегодня без науки, без синхротрона, вы не сделаете лекарства, не получите ни одного материала. Конечно, проще учиться на гуманитарные специальности — юристов, экономистов, чем в Бауманке или в Политехе учить сопромат или на физическом факультете изучать сложную физику, математику. Люди предпочитают идти по легкому пути, превращаясь потом в простых потребителей.
Мы должны осознавать, что этот «чудный» мир, навязанный американцами, очень привлекательный, но он заканчивается в одну минуту. Если вы не умеете ничего производить, то у вас нет никаких перспектив, альтернативы. Наш президент, всё это понимая, вел страну к тому, чтобы она восстановилась после разрухи 1990-х.
В рамках этого восстановления происходит модернизация, так как крайне важно сегодня не копировать, а идти своим путем. Мы живем в таком мире, когда всё самим делать невозможно, это и не нужно, но мы должны точно знать критические вещи, которые обеспечат национальную безопасность, технологическую независимость — мы должны быть абсолютно суверенные.
— Какой вы видите роль Курчатовского института в достижении этого суверенитета?
— Наши отцы-основатели, трижды герои Социалистического Труда, академики Курчатов и Александров, создавая этот центр науки, решили главную проблему. Ведь американцы не задумываясь нанесли бы ядерные удары по нашим городам, как это и было ими запланировано и как они сделали в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 года. Всё бы закончилось, если бы мы не создали в 1949-м свою бомбу.
Ядерное оружие — не оружие применения, а сдерживания и устрашения. Только безумец захочет его применить. Но мы должны отчетливо понимать, что идет передел мира, и наш «ядерный зонтик» крайне важен для нашего суверенитета в этих условиях.
Но сегодня всё большую значимость приобретают вопросы биологической безопасности. История с коронавирусом, биолаборатории на территории Украины и государств СНГ — всё это очень показательно. Поэтому биобезопасность становится главным вызовом сегодняшнего дня, как 80 лет назад был ядерный вызов. И мы вновь готовы на него достойно ответить.