«Россия — лидер научной революции». А почему шёпотом?

От редакции

6 июня 2016 года состоялось заседание постоянного научного семинара в Институте общей физики РАН им А.М. Прохорова. Зал был непривычно полон — было много гостей из других институтов, среди которых известные академики, официальные представители Росатома и Минпромторга.

На семинаре директор научно-технологического отделения по обращению с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами Высокотехнологического НИИ неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара Владимир Кащеев впервые публично рассказал об успешных результатах законченной еще в апреле государственной экспертизы новой уникальной технологии дезактивации жидких ядерных отходов. Суть технологии: в емкость с водным раствором радиоактивного изотопа цезия-137 (главное «действующее лицо» в Чернобыле и Фукусиме, период полураспада которого составляет 30,17 лет) добавляются специально подготовленные микробные культуры, в результате уже через 14 дней (!) концентрация цезия снижается более чем на 50%, но одновременно в растворе нарастает концентрация нерадиоактивного бария. То есть микробы способны поглощать радиоактивный цезий и каким-то образом превращать его в нерадиоактивный барий. Алхимия, а точнее алфизика в чистом виде!

После доклада Владимира Кащеева участники семинара смогли задать вопросы непосредственно автору технологии — руководителю Инновационного центра физфака МГУ, кандидату физико-математических наук Алле Александровне Корниловой. Те, кто не был ранее знаком с работами А.А. Корниловой, с удивлением узнали, что:

Что все это означает?

Во-первых, российское лидерство в научно-технической области, которая намного опережает технологии наступающего шестого технологического уклада.

Во-вторых, знакомство с работами А.А. Корниловой приводит к выводу, что ею сделан ряд открытий, которые как минимум достойны Нобелевских премий;

В-третьих, легализацию всего направления исследований низкоэнергетических ядерных реакций, так как получен убедительный ответ на два основных контраргумента противников данного направления: невоспроизводимость большинства экспериментальных результатов и отсутствие теоретического объяснения наблюдаемых феноменов. Теперь с этим все в порядке.

В-четвертых, мы говорим как раз о тех прорывных технологиях, которых настойчиво требует от отечественной науки Президент России и под которые должны быть выстроены стратегии и программы научно-технического развития страны.

В свете всего вышеизложенного и чтобы прервать неприлично затянувшуюся паузу в реакции государственных структур и научной общественности на выдающееся достижение российской науки, мы предоставляем слово научному секретарю ИОФ РАН им. А.М.Прохорова доктору физико-математических наук Степану Андрееву, принявшему участие в организации этого исторического семинара. Мы публикуем стенограмму доклада С.Н. Андреева на Семинаре им. Н.Г. Басова, прошедшем у соседей, в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, две недели спустя, в котором Степан Николаевич предпринимает попытку обобщения исследований по дезактивации радиоактивных изотопов с помощью лазерных технологий, которые развиваются в ИОФ, и результатами, полученными А.А. Корниловой с помощью биологических технологий.

Доклад Степана Андреева

Лаборатория макрокинетики неравновесных процессов под руководством доктора физико-математических наук Георгия Айратовича Шафеева в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН традиционно занимается экспериментальными исследованиями в области абляции (удаление вещества с поверхности лазерным импульсом) твердых тел в жидкости. В основе этого явления лежит свето-гидравлический эффект, открытый Г.А. Аскарьяном, А.М. Прохоровым и Г.П. Шипуло в самом начале лазерной эры, в 1963 году.

Если лазерный луч действует на поглощающую мишень, находящуюся в прозрачной жидкости, то при достаточно высокой интенсивности лазерного воздействия на ее поверхности возникает нанорельеф, а в окружающую жидкость выделяются наночастицы из вещества мишени. В принципе эта методика позволяет сгенерировать наночастицы любого сорта — металлические, диэлектрические, полупроводниковые. В данном исследовании речь пойдет о наночастицах из золота, которые образуют в воде достаточно стабильный коллоидный раствор.

Занимаясь исследованиями лазерной абляции, группа Шафеева обнаружила, что если в качестве жидкости используется раствор солей радиоактивного элемента, например, цезия или урана, то после продолжительного лазерного воздействия на коллоид наночастиц, помещенных в этот раствор, его радиоактивность заметно уменьшается.

Первые работы группы Шафеева были выполнены с использованием довольно простых приборов, не позволяющих, в частности, измерять радиоактивность раствора во время действия лазерного импульса — она измерялась до и после облучения. Полученные результаты достаточно ясно указывали на уменьшение радиоактивности раствора после лазерного воздействия. Однако, первые публикации Шафеева по этой теме вызвали недоверие и, в общем-то, справедливую критику научного сообщества.

Прочитав эти публикации, к Георгию Шафееву обратились ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, профессиональные гамма-спектрометристы, и предложили провести совместные контрольные эксперименты: «Мы не верим в ваши работы, но если хотите, мы привезем нормальный гамма-спектрометр, поставим нормальный эксперимент, как это положено у нас в гамма-спектрометрии, и выведем вас на чистую воду». Шафеев ответил: «Отлично! Приезжайте. Это нам только и нужно».

Специалисты из Дубны привезли гамма-спектрометр на основе кристалла сверхчистого германия, охлаждаемого жидким азотом. Потребовали переделать установку так, чтобы кювета, в которой происходило облучение раствора, в течение всего времени измерения гамма-спектров находилась в одном и том же заданном месте.

Схема эксперимента

Опишем кратко, как происходил эксперимент. Стеклянная кювета с водным раствором соли радиоактивного изотопа цезия-137, в который добавлены наночастицы золота в концентрации 10¹² штук на миллилитр, облучалась через прозрачное дно лазерными импульсами. Энергия каждого импульса составляла 2 мДж, длительность — 10 нс, частота повторения 10 кГц. Характерное время облучения — десять часов. Чтобы прозрачное дно кюветы быстро не разрушалось, лазерный луч фокусировался не в одно и то же место, а сканировал по поверхности кюветы. Внешнее водяное охлаждение кюветы предотвращало закипание находящегося в ней радиоактивного раствора.

Гамма-излучение от неподвижной кюветы измерялось гамма-спектрометром непрерывно в течение 15 часов до лазерного облучения, 10 часов во время эксперимента и 15 часов после завершения облучения.

Скажем пару слов о том, почему для измерения радиоактивности цезия-137 в эксперименте Шафеева использовался гамма-спектрометр, хотя, как известно, цезий-137 является бета-активным. Для этого нужно обратиться к схеме бета-распада цезия-137. Она очень простая. Имеется два канала распада. Первый канал, который реализуется с вероятностью 95%, — это бета-распад цезия-137 в возбужденное состояние бария-137, потеря возбуждения ядром бария приводит к излучению гамма-кванта с энергией 662 кэВ. То есть, фактически в эксперименте измеряется количество возбужденных ядер бария. Но поскольку этот переход очень быстрый по сравнению с бета-распадом (период полураспада цезия — 137 — 30 лет), то фактически интенсивность гамма-квантов определяет концентрацию ядер цезия-137. Измерение интенсивности потока гамма-квантов — это весьма надежный способ измерения концентрации ядер цезия, поскольку гамма-кванты с энергией 662 кэВ не поглощаются ни в жидкости, ни наночастицами, ни стеклом кюветы.

Есть и второй канал бета-распада цезия-137, который реализуется с вероятностью 5%. В нем бета-электрон вылетает из ядра цезия с энергией порядка 1 МэВ, и ядро бария оказывается в невозбужденном, основном состоянии. Этот канал безызлучательный и его невозможно использовать для измерений в данной схеме эксперимента по той причине, что электроны с энергией порядка 1 МэВ не могут покинуть кювету — они полностью тормозятся в воде, не доходя до стенок кюветы.

Результаты

Предварительные измерения гамма-спектра кюветы с радиоактивным цезием-137 в течение 15 часов до начала облучения лазером показали, что концентрация цезия в кювете за это время не изменилась (что, с одной стороны, вполне ожидаемо, поскольку период полураспада цезия-137 много больше используемого времени наблюдения, а с другой стороны — этот факт указывает на отсутствие возможных путей ухода цезия из кюветы).

Основной результат эксперимента, проведенного группой Шафеева совместно со специалистами из Дубны, заключается в обнаружении ими монотонного уменьшения потока гамма-квантов с энергией 662 кэВ на 5% за время лазерного облучения кюветы с раствором радиоактивного цезия-137 в течение 10 часов.

Последующие измерения гамма-спектров в течение 15 часов показали, что после выключения лазера гамма-активность кюветы с раствором остается на постоянном уровне.

Варианты объяснения

Таким образом, за 10 часов лазерного воздействия концентрация радиоактивного цезия в кювете уменьшилась на 5%. Формально, это соответствует ускорению бета-распада цезия-137 не менее, чем в 1200 раз. Однако, в действительности, здесь мы сталкиваемся с проявлением другого ядерного процесса.

Рис. 5. Зависимость интенсивности потока гамма-квантов с энергией 662 кэВ от времени до, во время и после облучения лазерными импульсами кюветы с раствором радиоактивного цезия-137

В этом легко убедиться, следуя методу доказательства «от противного». Не вдаваясь в механизм процесса, предположим, что при лазерном воздействии по каким-то причинам происходит ускорение бета-распада ядра цезия-137. При этом реализуется канал распада в возбужденное состояние ядра бария. Теперь его период полураспада составляет уже не 30 лет, а всего 9 дней (эта цифра получена с учетом того, что за 10 часов уменьшение радиоактивности раствора составило 5%). К чему это тогда приведет? Ядра цезия будут переходить на возбужденный уровень ядер бария в 1200 раз быстрее. Следовательно, и интенсивность потока гамма-квантов с энергией 662 кэВ должна увеличиться в 1200 раз. Однако, гамма-спектрометр этого не регистрирует. Наоборот, он показывает монотонное уменьшение интенсивности во время лазерного облучения. Значит, говорить об ускорении бета распада цезия в данном случае некорректно.

Рассмотрим другую возможность, когда ускоряется бета распад по безызлучательному каналу цезия в основное состояние бария. Для объяснения экспериментальных данных его период полураспада должен быть равен всего 11 часов, поскольку безызлучательный переход реализуется только в 5% случаев. Бета-распад цезия по этому каналу не будет давать увеличения интенсивности гамма квантов с энергией 662 кэВ, вместо этого будет возникать большое количество электронов с энергией порядка 1 МэВ. Эти электроны, рассеиваясь на окружающих атомах, будут рождать гамма-кванты тормозного излучения с непрерывным спектром энергий от максимума 1176 кэВ и ниже. При помощи гамма-спектрометра можно зарегистрировать их появление, однако, это задача связана с немалыми экспериментальными сложностями. В частности, необходимо, исключить влияние космического гамма-фона на результаты измерений. Работа в этом направлении ведется, но пока достигнутая точность измерений не позволяет сделать определенные выводы.

Третья возможность уменьшения радиоактивности цезия заключается в осуществлении ядерных реакций в процессе лазерного облучения раствора. Как известно из ядерной физики, для осуществления ядерных реакций необходимо преодоление кулоновского барьера отталкивания положительно заряженных ядер, участвующих в реакции. Для этого требуются температуры в миллионы градусов, либо ускорители высоких энергий. Очевидно, что в условиях нашего эксперимента ни одна из этих возможностей не осуществляется. Поэтому, о протекании обычных ядерных реакций в данном случае не может идти речи.

Тем не менее, нельзя исключить возможность проявления экзотических ядерных процессов, теорию которых развивают в своих работах доктора физико-математических наук В.И. Манько и В.И. Высоцкий. Из их теории следует, что для осуществления экзотической низкоэнергетической ядерной реакции необходимо, чтобы ядра находились в когерентном коррелированном квантовом состоянии. Напомню, что это такие состояния, в которых флуктуации импульса и координаты квантовой частицы не являются независимыми, и поэтому, соотношение неопределенности Гейзенберга записывается для них в виде формулы Шредингера-Робертсона. Она учитывает коэффициент корреляции, который в обычных некоррелированных квантовых состояниях равен нулю (тогда эта формула сводится к соотношению неопределенности Гейзенберга), но может быть и очень близок к единице, и тогда произведение флуктуаций координаты и импульса частицы может существенно возрастать. Формально это соответствует возрастанию «эффективной» постоянной Планка на несколько порядков, что в свою очередь приводит к многократному увеличению вероятности туннелирования квантовой частицы через кулоновский барьер.

Есть принципиальное отличие частиц в когерентном коррелированном состоянии по сравнению с частицами, обладающими большой кинетической энергией.

Если частица с большой кинетической энергией сталкивается с атомным ядром, то это ядро, как правило, переходит в возбужденное состояние, распад которого обычно сопровождается излучением гамма-квантов, выходом нейтронов, электронов или других ядерных частиц. В результате, ядро приобретает остаточную радиоактивность.

Если частица находится в когерентном коррелированном состоянии, то большая энергия у нее может появиться из-за флуктуации на очень короткое время, определяемое соотношением неопределенности Шрёдингера-Робертсона. Частица с такой энергией могла бы вступить в реакцию с ядром, но происходит это лишь в том случае, если возбужденное состояние ядра, которое при этом возникает, релаксирует за время, меньшее, чем время существования флуктуации энергии частицы.

То есть не всякая ядерная реакция может осуществиться, а только та, у которой продукты обладают очень коротким временем релаксации в основное состояние. Другими словами, те новые ядра, которые возникают в этих экзотических ядерных процессах, не обладают остаточной радиоактивностью, т. е. стабильны.

Как показал В.И. Высоцкий, для формирования когерентного коррелированного состояния квантовая частица должна оказаться в потенциальной яме, стенки которой испытывают быстрые изменения. Потенциальная яма должна либо монотонно расширяться или сужаться, либо испытывать периодические возмущения. Примером такой потенциальной ямы может служить нано-полость в кристаллической решетке твердого тела, подвергающегося ударному сжатию или разрыву. Другим примером, имеющим непосредственное отношение к экспериментам Шафеева, является наноразмерный кавитационный пузырек в жидкости, объем которого флуктуирует под действием внешних сил. Такие наноразмерные пузырьки появляются при лазерном облучении коллоидного раствора наночастиц золота.

Можно привести некоторые оценки. Средний размер наночастиц в эксперименте Шафеева — порядка 10 нм. При длительном лазерном воздействии наночастицы фрагментируются и их размер может плавно уменьшаться до 3 нм. Концентрация наночастиц в растворе — 10¹² штук на мл, среднее расстояние между ними — порядка 1 мкм.

Что происходит с наночастицей, попавшей в фокус лазерного импульса? Она поглощает энергию лазера, разогревается и становится центром нуклеации — на ней возникает наноразмерный кавитационный пузырек. Поверхность таких пузырьков заряжена. При росте нанопузырька на его поверхности происходит разделение зарядов, а внутри него формируется достаточно большое электрическое поле, которое приводит к электрическому пробою парогазовой смеси внутри пузырька и образованию плазмы, состоящей, в основном из электронов и протонов. Возникшая плазма дальше сама поглощает лазерное излучение, что приводит к дальнейшему росту пузырька. По нашим расчетам, электрическое поле внутри пузырька может достигать величин порядка 10 кВ на см. Этого достаточно для пробоя газа.

Группа Шафеева провела специальные эксперименты, в которых измерялась длительность отдельной вспышки от нанопузырька и спектр ее излучения. Было получено, что длительность вспышки составляет около 10 нс — это совпадает с длительностью отдельного лазерного импульса. Спектр вспышки — сплошной, что соответствует спектру тормозного излучения электронов в плазме. Оценки температуры плазмы дают величину порядка нескольких электрон-вольт.

Нужно подчеркнуть, что характерное расстояние между нанопузырьками порядка 1 мкм — достаточно большое для того, чтобы можно было считать их независимыми друг от друга. Хорошо известно, что кавитационные процессы наиболее интенсивны, когда пузырьки отдалены друг от друга. Как только они сливаются, эффективность кавитации резко падает. Из этого следует важное условие на интенсивность лазерных импульсов: она должна быть достаточной высокой для формирования кавитационных пузырьков на наночастицах золота, но не превышать таких величин, когда пузырьки сливаются друг с другом.

Итак, в результате воздействия лазерного импульса на наночастице золота образуется нанопузырек, содержащий электронно-протонную плазму. Фактически, пузырек является для протонов потенциальной ямой, стенки которой деформируются за счет того, что пузырек растет или сжимается. Поэтому протоны могут оказаться в когерентных коррелированных состояниях. Флуктуации энергии протонов в этих состояниях могут быть достаточны для того, чтобы протон прореагировал с находящимся рядом ядром цезия-137 с образованием нерадиоактивного бария-138 в основном состоянии.

Таким образом, третий возможный механизм уменьшения радиоактивности раствора цезия заключается в протекании ядерной реакции между протонами, находящимися в когерентных коррелированных состояниях в нанопузырках, и ядрами цезия-138 с образованием нерадиоактивного бария-138.

Обнаружение подобных процессов в растущих биологических культурах

Поразительно, что подобные реакции превращения цезия в барий происходят не только при лазерном облучении коллоидных растворов наночастиц золота, но и в микробиологических культурах. Ведь те же пространственно-временные масштабы процессов, которые протекают в нанопузырьках при лазерном облучении наночастиц золота, имеют место и в микробиологических объектах. Действительно, естественные полости, возникающие в процессе роста микробиологических объектов, имеют характерные размеры порядка нанометров. Например, длина канала в мембране клетки — порядка 10 нм, а его ширина — десятые доли нанометра. Напряженности электрических полей на мембранах клеток могут быть очень большими и достигать величин порядка единиц киловольт на сантиметр. Шкала характерных времен процессов, протекающих в микробиологических объектах, простирается от наносекунд до многих часов. Таким образом, можно ожидать, что квантовые процессы, реализующиеся в нанопузырьках, могут иметь место и в микробиологических объектах.

Эксперименты по превращению химических элементов в микробиологических культурах уже более 25 лет проводит в МГУ им. М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук А.А. Корнилова.

В основе экспериментов А.А. Корниловой лежит идея, высказанная французским ученым Луи Кервраном в 60-е годы прошлого века. Она заключается в том, что биологические системы способны синтезировать из имеющихся компонентов критически важные для своего выживания микроэлементы или их биохимические аналоги. К таким микроэлементам относятся калий, кальций, натрий, магний, фосфор, железо и др.

Объектами первых опытов, проведенных А.А. Корниловой, были культуры бактерий Bacillussubtilis, Escherichiacoli, Deinococcusradiodurans. Их помещали в питательную среду, обедненную железом, но содержащую соль марганца и тяжелую воду (D₂O). Эксперименты показали, что в этой системе вырабатывался редкий мёссбауэровский изотоп железа-57. По мнению авторов исследования, железо-57 появлялось в растущих клетках бактерий в результате реакции ⁵⁵Mn+ d = ⁵⁷Fe (d — ядро атома дейтерия, состоящее из протона и нейтрона). Определенным аргументом в пользу предлагаемой гипотезы служит тот факт, что когда в питательной среде тяжелую воду заменяли на легкую (H₂O) или исключали соль марганца из ее состава, изотоп железа-57 не вырабатывался. Было проведено более 500 опытов, в которых появление изотопа железа-57 было надежно установлено.

В экспериментах А.А. Корниловой по превращению цезия в барий были использованы синтрофные биологические ассоциации — конгломераты нескольких тысяч различных видов бактерий и микроорганизмов, живущих в симбиозе друг с другом. Они отличаются высокой степенью адаптации к окружающей среде. Например, синтрофные ассоциации живут в химически агрессивных средах, в которых обычные бактерии не выживают, и выдерживают достаточно сильное радиационное воздействие, которые обычные микробиологические культуры не выдерживают.

В питательных средах, используемых в экспериментах А.А. Корниловой для биологического превращения цезия в барий, отсутствовали ионы калия — микроэлемента критически важного для выживания микроорганизмов. Барий является биохимическим аналогом калия, ионные радиусы которых очень близки. Экспериментаторы рассчитывали на то, что поставленная на грань выживания синтрофная ассоциация синтезирует ядра бария из ядер цезия, присоединив к ним протоны, присутствующие в жидкой питательной среде. Предполагается, что механизм ядерных превращений в биологических системах аналогичен процессу, протекающему в нанопузырьках. Для протонов наноразмерные полости в растущих биологических клетках представляют собой потенциальные ямы с динамически изменяющимися стенками, формирующие когерентные коррелированные состояния квантовых частиц. Находясь в этих состояниях протоны способны вступить в ядерную реакцию с ядрами цезия, в результате которой возникают ядра бария, требуемые для осуществления биохимических процессов в микроорганизмах.

Эксперименты А.А. Корниловой по превращению цезия в барий прошли государственную экспертизу во ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара в лаборатории кандидата физико-математических наук В.А. Кащеева.

Учеными ВНИИНМ было произведено два контрольных эксперимента, различающихся по своей постановке. В первом эксперименте питательная среда содержала соль нерадиоактивного изотопа цезия-133. Ее количество было достаточным для надежного измерения содержания исходного цезия и синтезируемого бария методами масс-спектрометрии. В питательную среду были добавлены синтрофные ассоциации, которые затем содержались при постоянной температуре 35ºC в течение 200 часов. Периодически в питательную среду добавлялась глюкоза и отбирались пробы для анализа на масс-спектрометре.

В ходе эксперимента в питательном растворе было зафиксировано немонотонное уменьшение концентрации цезия и одновременно появление бария.

Результаты эксперимента однозначно указывали на протекание ядерной реакции по преобразованию цезия в барий, поскольку до проведения эксперимента присутствие бария не обнаруживалось ни в питательном растворе, ни в синтрофной ассоциации, ни в используемой посуде.

Во второй экспериментальной постановке использовалась соль радиоактивного цезия-137 с удельной активностью 10 000 Беккерелей на литр. Синтрофная ассоциация нормально развивалась при таком уровне радиоактивности раствора. При этом обеспечивалось надежное измерение концентрации ядер радиоактивного цезия в питательном растворе методами гамма-спектрометрии. Длительность эксперимента составила 30 суток. За это время содержание ядер радиоактивного цезия в растворе уменьшилось на 23%.

Таким образом, в проведенных экспериментах было обнаружено уменьшение количества радиоактивного и стабильного изотопов цезия в питательных растворах. В эксперименте со стабильным цезием обнаружено образование бария в растворе, количество образовавшегося бария можно считать пропорциональным количеству исчезнувшего цезия.

Это дает основания предположить, что и в лазерном эксперименте идет реакция преобразования радиоактивного цезия-137 в нерадиоактивный барий-138 путем присоединения протона.

В заключении отметим, что относительная простота технологической реализации открытого А.А. Корниловой биологического изменения элементного состава жидких растворов дает реальную возможность его использования для корректировки состава радиоактивных отходов атомной энергетики.