Еще четверть века назад насекомых, поедающих урожай зерна, обрабатывали фосгеном. Затем вместо ядовитого газа стали использовать менее вредные вещества. Но, оказывается, мелких беспозвоночных можно уничтожить и более цивилизованным способом, не прибегая к помощи химии. Для этого ту же пшеницу на элеваторе нужно облучить высокоэнергетическими частицами из промышленных ускорителей. Лидер в производстве таких ускорителей в России — Институт ядерной физики (ИЯФ) РАН, расположенный в Новосибирском академгородке.
Беседовал Василий Янчилин
Еще четверть века назад насекомых, поедающих урожай зерна, обрабатывали фосгеном. Затем вместо ядовитого газа стали использовать менее вредные вещества. Но, оказывается, мелких беспозвоночных можно уничтожить и более цивилизованным способом, не прибегая к помощи химии. Для этого ту же пшеницу на элеваторе нужно облучить высокоэнергетическими частицами из промышленных ускорителей. Лидер в производстве таких ускорителей в России — Институт ядерной физики (ИЯФ) РАН, расположенный в Новосибирском академгородке. Этим направлением занимаются две лаборатории. О разных, порой неожиданных сферах применения перспективных приборов рассказал заведующий одной из них доктор физико-математических наук Николай Куксанов.
— Сорок лет назад электротехническая промышленность сделала нам заказ на создание высококачественной кабельной изоляции с использованием радиационных технологий, — говорит ученый. — Поначалу все это предназначалось для военного оборудования. Мы изготовили и поставили 15 машин на три завода Министерства электротехнической промышленности СССР, которые производили кабели и провода для самолето- и судостроения, атомных электростанций, нужд космической техники. Сейчас провода с радиационно-модифицированной изоляцией находят применение и в гражданской промышленности. Как только государство вводит более высокие стандарты качества, сразу же открывается новая ниша для применения промышленных ускорителей. Например, в Китае планируют все бытовые кабели изготавливать с применением радиационных технологий, чтобы уменьшить риск возникновения пожара в обычных зданиях и жилых домах.
— Что представляет собой промышленный ускоритель?
— Грубо говоря, это большой телевизор. В телевизоре пучок электронов бегает внутри электронно-лучевой трубки под напряжением 20 киловольт, а затем, попадая на экран, вынуждает его светиться. В ускорителе же частицы разгоняются напряжением в миллионы вольт и через тоненькую титановую фольгу выходят наружу. В зависимости от задачи подбираются нужные параметры электронного пучка, чтобы он мог проникнуть внутрь материала на требуемую глубину: от одного до десяти миллиметров.
Ускорители, которые мы изготавливали по первому заказу, имели мощность 20 киловатт при максимальной энергии электронов в пучке 1,5 миллиона электрон-вольт. Сейчас мы производим ускорители мощностью 100 киловатт и энергией электронов от 2,5 до 5 миллионов электрон-вольт. Применение у них самое разное.
Особо стоит сказать об обработке различных полимеров. Ускоренные электроны могут существенно изменить искусственные волокна, “пришив” к ним определенные полимеры. Новая ткань становится гигроскопичной и приобретает способность “дышать”, как натуральная.
Изоляция обыкновенного кабеля, используемого в быту, начинает плавиться при 70-80 градусах. Чтобы придать прочность и термостойкость, ее обрабатывают определенным, весьма энергоемким способом либо используют чрезвычайно дорогую изоляцию из тефлона. Применение промышленных ускорителей уменьшает потребление энергии почти в 100 раз. Получается изоляция, которая выдерживает высокую температуру, не плавится, не горит, активно используется в военной промышленности, в самолето- и ракетостроении. Из проводов с радиационно-модифицированной изоляцией изготавливаются кабели для питания нефтепогружных насосов. Можно ожидать, что в ближайшее время и бытовые кабели будут иметь термостойкую изоляцию. Это уменьшит вероятность пожаров в жилых помещениях в результате короткого замыкания.
С помощью ускорителей можно производить термоусаживаемые пленки, трубки, другие изделия. Их особенность в том, что при нагревании они не расширяются, как обычные тела, а, наоборот, сжимаются. Термоусаживаемые пленки и трубы используются для изоляции трубопроводов, при производстве электромонтажных работ. Такая изоляция пожаробезопасна и применяется, например, для защиты электропроводки в самолетах.
Еще одна область — вулканизация резиновых изделий, искусственных кож. Если при определенных условиях добавить серу в каучук, он становится твердым. Происходит полимеризация — создание в веществе дополнительных связей между цепочками молекул. Это придает материалу упругость и устойчивость. Такая процедура традиционно проводилась химическим или термическим способом. Но с помощью электронного пучка можно добиться того же результата, уменьшив энергозатраты примерно в 100 раз.
Около 30 лет назад была разработана технология вспенивания полиэтилена. Обычная губка хорошо впитывает в себя воду, потому что ее поры соединены между собой. Вспененный полиэтилен похож на губку, у которой поры отделены друг от друга. В исходное вещество добавляется специальный порошок, который при нагревании превращается в газ, образуя изолированные пузырьки. Из такого материала делают спасательные жилеты, тепло- и звукоизоляционные покрытия и т.д. При использовании для вспенивания электронного пучка уменьшаются энергозатраты и производственные площади, повышается производительность.
Для придания дополнительной прочности лакированному покрытию его можно, скажем, нагреть до 150 градусов, пропустив через специальную печь. Однако такой же эффект достигается после его обработки пучком электронов. При этом лак нагревается всего на 5-10 градусов.
В перспективе планируется использование ускорителей для поверхностной закалки металлов и наплавки износостойких покрытий. Но пока эти технологии еще не до конца освоены.
— Действительно, применение ускорителей становится все более масштабным. А есть ли недостатки у радиационных технологий?
— К недостаткам можно отнести довольно высокую стоимость ускорителя. Кроме того, пучок электронов, проходя через любую среду, в том числе воздух, генерирует гамма-излучение. Для защиты от него необходимо построить небольшой “домик” с толщиной бетонных стен около метра. А достоинством, помимо того, о чем я уже говорил, является меньшая площадь всего сооружения в сравнении с территорией цехов, предназначенных для термической или химической обработки. К тому же сам процесс облучения экологически безопасен, его легче автоматизировать. Это качественный скачок в технологиях, идущих на смену традиционным.
— Было бы интересно узнать, есть ли у такой экологически безопасной технологии “экологическое” применение?
— Есть, и не одно. Например, вместо того чтобы травить ядами насекомых, поедающих урожай собранной пшеницы, ее обрабатывают пучком электронов. Такое зерно совершенно спокойно можно употреблять в пищу сразу же после обработки. С помощью ускорителей вообще обеззараживается широкий ассортимент разных продуктов.
Другое применение радиационных технологий — очистка промышленных газов. В угле содержатся соединения серы. При сжигании они выбрасываются в атмосферу, соединяются там с парами воды и проливаются обратно на землю в виде кислотных дождей. С помощью электронных пучков можно отделить вредные примеси от выбрасываемых в атмосферу газов.
Ускорители помогают также очищать воду. Эта технология еще не отработана так же хорошо, как, скажем, изготовление термостойкой изоляции. Трудность в том, что для каждого вида загрязнения нужно разрабатывать новый способ. Тем не менее определенные достижения в этом направлении есть. Например, мы разработали ускоритель для очистки сточных вод в Южной Корее. Там около сотни текстильных предприятий объединены в один огромный конгломерат. Они работают независимо, но сток общий. Наше сотрудничество длилось около 15 лет. Сначала они заказали нам небольшой ускоритель и на нем убедились, что он хорошо справляется со своей задачей. Затем мы поставили им самый мощный в мире ускоритель.
— И как же электроны очищают сточные воды?
— Напомню суть традиционных методов очистки. В сточных водах содержатся различные органические соединения. Их обогащают кислородом и заселяют бактериями, которые, съедая эти соединения, образуют белки. Белок выпадает в осадок и затем используется как удобрение. Но бывает и ядовитая органика, от которой микробы погибают. После обработки ускоренными электронами она разрушается и становится съедобной для бактерий. А скорость очистки при этом возрастает в три раза. Полученная вода непригодна для питья, но зато может использоваться в производстве повторно либо сбрасываться в реку.
Похожая технология применялась в Воронеже. Начиная с 1950-х годов в этом городе завод по производству синтетического каучука сбрасывал сточные воды в специальные отстойники. Ядовитая жидкость постепенно просачивалась в землю, и к началу 1960-х почти вся воронежская питьевая вода была испорчена. Скважины бурили все дальше от города, но это не помогало. Я сам видел, как взятая из артезианского колодца вода при переливании пенилась, как хорошее пиво. Поверхностно активное вещество некаль, используемое для получения высококачественного каучука, убивало микробы, и поэтому очистные сооружения не работали.
Сотрудники Московского института радиационной техники разработали технологию обработки загрязненной воды пучком электронов, и мы поставили два ускорителя. Электронные пучки разрушали некаль (основной загрязнитель), и бактерии начинали перерабатывать загрязнения. Всю воронежскую подземную воду (а это миллионы кубических метров) “прокачали” через ускорители, и сейчас она снова пригодна для питья. К сожалению, из-за невысокого требования к стокам в стране и вообще в мире радиационная технология очистки не получила пока широкого применения.
— Рынок промышленных ускорителей, можно сказать, в целом все же сформировался. Как чувствует себя на нем наша страна по сравнению с другими?
— Кроме нашего института эти машины в России производит еще Санкт-Петербургский НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова. Но по числу поставленных в нашей стране машин мы их значительно опережаем.
В мире промышленные ускорители используются уже полвека. Они работают подолгу. Скажем, наши, введенные в эксплуатацию 30 лет назад, продолжают активно использовать. Пик производства был лет 20 назад, тогда во всем мире производилось 40-50 таких установок в год. Из этого числа мы изготавливали пять-шесть машин. Рынок большинства развитых государств относительно быстро насытился ими. Сейчас очередь дошла до Юго-Восточной Азии. Там главный потребитель — Китай. При этом половина из сотни ускорителей, обрабатывающих изоляцию в Китае, сделана в ИЯФ. На предприятия России до 1991 года было поставлено 43 промышленных ускорителя. Затем последовал спад, вызванный общим экономическим кризисом в стране. В последнее время наметилось некое возрождение: на обработке кабельной изоляции работает около 10 машин. Наш рынок еще не насыщен. Скажем, в Японии ни одна автомобильная шина не делается без обработки ее компонентов электронным пучком. А у нас ускорители вообще не используются в автомобильной промышленности.
Парадоксальная ситуация: наша страна является одним из ведущих в мире производителей промышленных ускорителей и в то же время занимает одно из последних мест по их применению в отечественной промышленности. Например, те же термоусаживаемые пленки мы покупаем в Китае, где они изготавливаются с применением ускорителей, сделанных нашим институтом.
http://www.courier-edu.ru/cour0912/4800.htm