2018. március: jegyzet, orvostudomány, portré, neutronkutatás, tudomány, atomenergia, energiagazdálkodás, egészségipar, innováció, közlekedés, egyetem, fenntarthatóság, zöldkörnyezet, megújuló energia, agrárium, kiállítás/konferencia, it
2018. március 1.

Szerző:
Szegedi Imre

Moderált neutronok

Magyarország – a csillebérci kutatóreaktornak köszönhetően – a neutronkutatások egyik európai éllovasa. Az egyik legfontosabb itthoni „neutronos” kutatási eredmény a neutron szupertükrök felfedezése 1976-ban – írtuk meg magazinunk decemberi számában, és arról is szó esett, hogy egy hazai konzorcium kis méretű, kompakt neutronforrás építésébe kezdett Martonvásáron. Az ipari célokat szolgáló fejlesztés részleteiről Mezei Ferenc akadémikus, Rosta László fizikus és Pétermann Csaba, a konzorciumot vezető Mirrotron Kft. cégvezetője beszélt magazinunknak.


A modern anyagkutatás egyik legfejlettebb módszere a neutronnyalábokkal való átvilágítás és a visszavert neutronok megfigyelése. Jelenleg Európában tizenegy nagyobb kutatóközpont működtet neutronforrást. Az alapkutatás mellett ezek a neutronforrások ipari fejlesztési és minőségvizsgálati célokat is szolgálnak. Főleg az utóbbiak számára világszerte igen jelentős tényező a költség. Egy neutronos mérőhely egynapi használata önköltségi áron ugyanis elérheti a hatmillió forintot. Az utóbbi évtizedben főleg ez ösztönözte az úgynevezett kompakt neutronforrások kifejlesztését, amelyek sokkal kisebb költséggel építhetők meg és üzemeltethetők, mint a nagyobb tel­jesítményű, kutatási célra épült neutronforrások. Ebben Japán jár az élen, ahol már több mint tíz ilyen forrás működik.

Hazánk – a csillebérci kutatóreaktornak köszönhetően – a neutronkutatások egyik európai éllovasa. Az egyik legfontosabb itthoni neutronos kutatási eredmény a neutron szupertükrök 1976-os felfedezése volt, amelyek időközben nélkülözhetetlen részévé váltak minden korszerű neutronforrásnak és neutronos mérőműszernek.

Ausztráliai neutronkutató központ – ANSTO (Austra­lian Nuclear Science and Technology Organisation) neutronvezető rendszerek sematikus ábrája. (Forrás: Mirrotron Kft.)

A szupertükrök több száz vékony rétegből állnak, ezeket néhány angströmös, azaz atomátmérőnyi pontossággal kell elkészíteni.

A LANSCE-ben (Los Alamos Neutron Science Center) telepített vákuumházas neutronvezető szupertükörrendszer
Standard „free-standing”, vákuumház nélküli neutron­vezető szuper­tükörrendszer
A neutronvezető szupertükör része az üveg-üveg szendvics

Rosta László, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusa szerint a legnagyobb odafigyelés ellenére is a neutronokkal végzett minőségvizsgáló tesztelések során a szupertükrök 15 százaléka selejtnek bizonyul, amit ki kell dobni. A tesztelés eddig viszonylag olcsó volt, de ennek hamarosan vége lesz. A minőség-ellenőrzéshez neutronokat produkáló csillebérci kutatóreaktorban most használt üzemanyagot lassan negyedszázada egy német márkáért vettük. A két német állam egyesülésekor ugyanis a Kelet-Németországban működő egyetlen kutatóreaktort a bonni kormány azonnal bezárta. Akkor 200 fűtőelem került Magyarországra, ám ugyanennyi hasadóanyagot napjainkban csak 3,5 milliárd forintért vehetnénk meg. Az olcsó üzemanyag jóvoltából a reaktor rezsije eddig alacsony volt, ám ezek a fűtőelemek lassan elhasználódnak. 2019 végéig tartanak ki, addig vagy veszünk újabb hasadóanyagot, vagy le kell állítani a csillebérci kutatóreaktort. Még nincs végleges döntés arról, hogy vásárolunk-e, vagy sem. Ha nem, és leáll a kutatóreaktor, akkor ez hatással lesz a szupertükröket gyártó Mirrotron Kft.-re is, hiszen nem lesz mód a tesztelésre. Megoldás lehet, ha valamelyik nyugat-európai berendezésnél ellenőrzik a különleges eszközök minőségét, ez azonban alapjaiban ingatná meg a cég versenyképességét, amelynek részesedése ma a szupertükrök világpiacán nagyjából 25 százalék. A költségeik – a fűtőelem mai beszerzési árfolyama miatt – akkor is nőnek, ha tovább működhet a csillebérci reaktor. Azaz, mindenképpen emelkednek a kiadások, és a legolcsóbb és tartós megoldást a martonvásári neutronforrás tudja nyújtani a szupertükrökre épülő export – és a mögötte álló munkahelyek – fenntartására.

Bár már létezik kis energiájú gyorsítóra épített neutronforrás Japánban, Izraelben és az Egyesült Államokban, a magyar fejlesztők által javasolt beruházással Európában az első ilyen berendezés jönne létre. A 2017 őszén indult martonvásári projekt lényegében három magyar találmányon (szupertükrök, hosszú impulzusú neutronforrás és kompakt neutronmoderátor) alapul, melyek Mezei Ferenc akadémikus nevéhez fűződnek. Ennek köszönhetően Martonvásáron valósul először meg az alacsony energiájú – 10 megaelektronvoltnál (MeV) kisebb – részecskegyorsítóra épülő kompakt neutronforrások új generációja, amely a meglévőknél jóval hatékonyabban szolgáltat neutronnyalábokat. A beruházás megvalósításával elsők lehetünk egy csúcstechnológia létrehozásában.

Kis energiájú gyorsítóra épített neutronforrás Japánban, Izrael­ben és az Egyesült Államokban is létezik, de a martonvásári beruházással Európában az első ilyen berendezés jönne létre.

A nagy teljesítményű, a mai kutatás igényeinek megfelelő hagyományos neutronforrások létrehozása egymilliárd eurónál, azaz 310 milliárd forintnál kezdődik. A jelenleg működő ilyen berendezések nagyjából fele ötven évnél idősebb, hamarosan le kell ezeket állítani az egyre nagyobb költségű javítások és hibamegelőző felújítások miatt. Világszerte összesen néhány ilyen roppant költséges új nagyberendezés létrehozására lehet csak számítani az elkövetkező évtizedekben. Egy ilyen vállalkozás ma az Európai Unió valamennyi országának erejét meghaladja, csak nemzetközi összefogással épülhetne ilyen nagy eszköz.

Az egyetlen ország lehetőségeit meg nem haladó keretet 60-100 milliárd forintra becsülik, amiből ma semmilyen hagyományos neutronkutató nem építhető fel. Egyetlen észszerű megoldásként az eddig megvalósultaknál sokkal nagyobb kompakt neutronforrások fejlesztése indult meg, ami alatt pontosabban 30–100 MeV energiájú protongyorsítókra épülő neutronforrásokra kell gondolni. A németek nagy teljesítményű kompakt forrásukat körülbelül 60 milliárd forintnak megfelelő euróból szeretnék megépíteni. Csupán a tíz évre tervezett előkészületekre hárommilliárd forintot költenek. A franciák 80 millió euróból hoznának létre Párizs mellett ilyen típusú neutronforrást, ami azért ilyen olcsó – már amennyiben olcsónak nevezhető a 25 milliárd forintba kerülő eszköz –, mert a gyorsító már nagyjából megépült, igaz, más célokra. A Japánban üzemelő kompakt neutronforrások 5-10 milliárd forintba kerülnek, és egyre több van belőlük. Mindez azt jelenti, hogy világszerte fejlesztés indult a jövő kompakt neutronforrásainak gyártására. Ezen a piacon sokféle szolgáltatást nyújthat egy működő prototípus, egyebek között új fejlesztések kipróbálására, neutronokkal való tesztelésére. A martonvásári fejlesztés módot ad arra, hogy Magyarországról szállítsunk hasonló neutronforrásokat vagy azok alkatrészeit, és adjuk át a működtetésben szerzett ismereteket, tapasztalatokat. Tehát kiterjeszthetjük az eddig sikeres neutronos mérőműszerek és ezek komponenseinek exportját kompakt neutronforrások és részrendszereik gyártásával.

A harmadik és ugyancsak sokat ígérő üzleti terület a neutronsugarak rendelkezésre bocsátása ipari és egészségügyi szolgáltatásokra. Az autóiparban sok alkatrész átvilágítására használnak neutronokat, például a Toyota cég kompakt neutronforrást is alkalmaz üzemanyagcellák fejlesztésében. Ugyanez a módszer különleges műtárgyak belső szerkezetének roncsolásmentes vizsgálatára is alkalmas. Ilyen feladatokra a csillebérci reaktor nagyobb teljesítményt nyújt már ma, és ha lesz új fűtőelem, a jövőben is, de drágábban dolgozik, mint a tervezett martonvásári forrás.

A neutronsugarakat ipari alkalmazásban alkatrészek átvilágítására használják, és ez a módszer különleges műtárgyak belső szerkezetének roncsolásmentes vizsgálatára is alkalmas.

Ennél még nagyobb jelentőségű alkalmazási terület lehet az egészségügy – Japánban egy meghatározott agydaganattípust néhány éve ilyen neutronforrással kezelnek. A módszer lényege, hogy az agyban nem egy jól meghatározott helyen, hanem szétterjedve található daganatos sejtekbe juttatott bóratom neutronnal besugározva elnyeli a semleges részecskét, majd elbomlik. Az egyik bomlástermék, a nagy energiájú alfa-részecske, azaz a hélium leggyakoribb izotópja, a hélium-4, ami elpusztítja a sejtet. De csak azt, amelyikbe előzőleg bejuttatták a bóratomot, mert az alfa-részecskének kicsi a hatótávolsága, csak az adott sejten belül hatásos. Komoly erőfeszítést tesznek minél hatékonyabb olyan molekulák kifejlesztésére, amelyek sokkal nagyobb valószínűséggel mennek a rákos sejtekbe, mint az egészségesekbe. A neutronok sebességét is optimalizálni kell, mert ha túl lassú a részecske, akkor már azelőtt elnyelődik például a koponyacsontban, hogy a daganatos szövethez érne. Illetve, ha túl gyors, akkor meg a bóratomban kevésbé nyelődik el. A Kiotói Egyetemen két ilyen berendezés már működik – több száz embert sikerrel gyógyítottak –, ám Európá­ban még nincs. Az utóbbi négy-öt évben a közepes energiájú neutronokkal való besugárzást emlődaganatok kezelésére is használják. Ha beválik, ez nők millióin segíthet majd. Az első kísérletek azt mutatják, hogy hagyományos eljárásokkal kombinálva hatékonyabban gyógyítható a neutronos „hadronterápia” bevonásával ez a betegség.

Jelentős alkalmazási terület lehet az egészségügy. A közepes energiájú neutronokkal való besugárzást emlődaganatok kezelésére is használják; Japánban egy meghatározott agydaganattípust néhány éve ilyen neutronforrással kezelnek.

Rosta László szerint a felsoroltakon kívül azért lettek érdekesek a kompakt neutronforrások, mert az egészségügyben már elég elterjedten használt protongyorsítóknak köszönhetően elérhető árú termék lett a gyorsító. A protonterápián alapuló berendezéseket tucatjával építik a világon. Nekünk tehát nem kell gyorsítót fejlesztenünk, mert a piacon kapható megfelelő árú eszköz. (A gyorsító protont produkál, amivel neutront lehet előállítani.) A gyorsító azonban csupán az egyik eleme a most induló beruházásnak. Egy másik különlegesség szintén Mezei Ferenc fejéből pattant ki. A svédországi Lundban épülő Európai Neutronkutató Központ (European Spallation Source, rövidítve ESS) egy nagy energiájú, 2000 MeV-os gyorsítóból származó protonokat ütköztet majd nehéz atomokkal. A becsapódás széttöri az atommagot, és sok más részecske társaságában gyors neutronokat lök ki belőle (ez a spallációs eljárás). Mezei Ferenc és munkatársai kitaláltak egy moderátort (neutronlassítót), amely nem kerül többe, és azonos energiabefektetés mellett háromszor annyi megfelelő energiájú neutront szállít a mérőhelyekre, mint ami akárcsak öt évvel ezelőtt lehetséges volt. A gyorsító révén nem keletkezik több gyors neutron, ám a moderátor egyúttal a megfelelő irányba is tereli a lelassított részecskéket. Ugyanezt a technológiát fogják Martonvásáron is használni. A lundinál jóval kisebb itthoni eszköz „lelkét”, a moderátort Mezei Ferenc vezetésével hazai szakemberek építik – hiszen a piacon ilyen nem kapható.

„Martonvásáron, a vasút melletti ipari területen Európában elsőként megépülő prototípus által előállított neutronnyalábok rendelkezésre állnak majd mind a hazai, mind a nemzetközi piacon ipari, gyógyászati és kutatás-fejlesztésben érdekelt felhasználók számára. Mindez a hazai exportnövekedési potenciálon túl jelentős mérföldköve lesz a város- és országimázs építésének” – jósolja Pétermann Csaba. A beruházás három év alatt 1,550 milliárd forintból jön létre. Az elnyert állami támogatás 1,291 milliárd forint, ehhez tesznek hozzá nagyjából 260 millió forintot a pályázó konzorcium magánipari tagjai. A konzorciumnak, a vezető Mirrotron Kft.-n kívül, egyik tagja a Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutató­központja, mely a legjelentősebb, nemzetközileg sikeres és nyilvántartott, ma az Európai Unió által is támogatott hazai kutatási infrastruktúrának, az 1959 óta működő és azóta folyamatosan modernizált hagyományos neutronforrásnak, a csillebérci reaktornak az üzemeltetője. A másik az evopro Innovation Kft., a hazai elektromos járműipari innováció területén különösen ismert evopro Holding Zrt. tagja, és az iparban sikerrel alkalmazott mérő-, vezérlő- és adatgyűjtési rendszerek kifejlesztése mellett a kutatási infrastruktúrák vezérléstechnikájának nemzetközileg legelismertebb hazai szakértője.

Jogosan vetődik fel a kérdés, hogy miért Martonvásáron épül egy különleges adottságú neutronforrás, és nem Csillebércen, ahol közel hatvan éve üzemel kutatóreaktor, ahol több évtizedes hagyománya van a neutronkutatásnak? A projekt javaslói szerint rá kell nézni a térképre! Martonvásár nem a központi régióhoz, hanem Fejér megyéhez tartozik, tehát jogosult az uniós fejlesztési forrásokra. Kiválóak a közlekedési feltételek, hiszen a város határában halad az M7-es autópálya, emellett a Budapest–Székesfehérvár vasútvonalat az elmúlt években újították fel. Húsz perc alatt vonattal a főváros központjában van az ember. Az autópályának köszönhetően a Liszt Ferenc Nemzetközi Repülőtér is könnyen megközelíthető, ami külföldi piacokra szállító cég esetében fontos tényező. Ugyancsak a település mellett szól, hogy hosszú évtizedek óta a hazai tudományos kutatás egyik fellegvára. A Magyar Tudományos Akadémia Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézete az ottani Brunszvik-kastély területén található. (Nyolcszázmillió forintból hamarosan látogatóközponttal bővül a kutatóhely.) Ludwig van Beethoven egykoron többször volt a kastély vendége mint a Brunszvik lányok zongoratanára és Brunszvik Ferenc gróf barátja és védence. A kastélyban ma Beethoven Emlékmúzeum is működik. És az is lényeges volt, hogy a település vezetése örömmel állt a kezdeményezés mellé.

A zöldmezős beruházás 2017 novemberében indult. Azóta sikerült megvenni a martonvásári önkormányzat által felajánlott egyhektáros telket, ahol még idén elkezdődik az építkezés. Jelenleg hat-nyolc fizikus és mérnök dolgozik a projekten. A normál üzemben két szakember végzi majd az üzemeltetést, és idővel egyszerre akár 8-10 mérőhelyen is dolgozhatnak a felhasználók. Pétermann Csaba szerint 2018 őszére elkészül a protongyorsítónak helyet adó épület. Közbeszerzési eljárás keretében vásárolják meg a gyorsítót, 2019 nyarán-őszén kezdődhet az eszköz beszerelése, installálása. Mezei Ferenc akadémikus úgy vélekedik, hogy 2020 nyarán kerülhet sor az első üzemi próbákra. Terveik szerint a gyorsítónak helyet adó épület mellé egy másik is épül, ahol akár gyógyító célra használhatják a neutronokat, de ehhez befektetőre van szükség.

A martonvásári neutronkutató protongyorsítójának helyet adó csarnok látványterve.

A moderátorrendszer tíz neutronnyalábot tud kibocsátani, azaz egy időben tíz különböző célra is használhatják ezt a neutronforrást, ami naponta akár 10 millió forint bevételt is hozhat a forrás és a mérőhelyek üzemeltetetőinek. (A jelenlegi támogatás csak a neutronforrásra szól, a mérőhelyeket az érdeklődőknek kell létrehozniuk.)
„Az ipar lassan felfedezi, hogy milyen sokrétűen hasznosítható egy ilyen neutronforrás. Mi segítjük az ipari szereplőket, rávezetjük őket a számukra előnyös hasznosításra” – tájékoztat a cégvezető, aki szerint nem biztos, hogy a kutatók tudják, az ipar milyen problémákkal küzd, mint ahogy az ipar sincs teljesen tisztában azzal, hogy milyen vizsgálati lehetőségek léteznek. „Nekünk, piaci szereplőként abszolút érdekünk, hogy az iparnak bemutassuk e nagyszerű eszköz lehetséges alkalmazásait. Az is elképzelhető, hogy proto­típusunk sikere alapján megrendelőket találunk, hogy Európában, a Távol-Keleten, az Egyesült Államokban építsünk hasonló berendezést. Hatalmas lehetőséget látunk, egyúttal kihívást is érzünk. Ha a teljes világpiacot nézzük – orvosi felhasználás, épülő neutronforrásokhoz eszközök készítése –, milliárd dolláros piacra kell gondolni” – összegez Pétermann Csaba, aki szerint a neutronnyalábhoz való hozzáférés is igen ritka termék a piacon, és például a jövő nagy teljesítményű kompakt neutronforrásainak fejlesztői számára ez egy fontos lehetőség. A németek, akik ma még gyakran Japán kompakt forrásokhoz járnak, már jelezték érdeklődésüket.

Mi lesz a csillebérci kutatóreaktorral? Az országon belül konkurenciát teremtenek a nagyberendezésnek, ráadásul úgy, hogy olcsóbban dolgoznak? – kérdeztük Mezei Ferenctől. Az akadémikus szerint a kutatóreaktor lényegesen nagyobb teljesítményű, mintegy ötezerszer nagyobb intenzitású neutronnyalábjai sokkal szélesebb területen és sokrétűbben használhatók. Az agydaganatok kezelése az egyetlen lehetséges alkalmazási terület, ahol a martonvásári forrás paraméterei a kedvezőbbek. De ez csak esetleges hosszú távú perspektíva, Európában ma még senki sem foglalkozik vele.

„Ha minden jól megy – miközben az 1000 milliárd forintos ESS európai neutronkutató központ építésének első kapavágása Svéd­országban már négy évvel ezelőtt megtörtént –, ez lesz a világ első működő, hosszú impulzusú neutronforrása. Ezzel az elsőséggel az egész hazai szakma nyer” – véli Mezei professzor. Nem véletlen, hogy a martonvásári projekt egyik konzorciumi tagja éppen a csillebérci kutatóreaktort működtető MTA Energiatudományi Kutatóközpont, nagyon is jól felfogott, hosszú távú szakmai érdekeinek megfelelően. A kutatóközpont irányítói tisztában vannak azzal, hogy ha nem is 2019-ben, de belátható időn belül elkerülhetetlen az 1959 óta a hazai tudományt és gazdaságot kiválóan szolgáló csillebérci kutatóreaktor leállítása. A folytatásra időben gondolni kell.
Az egyértelmű, hogy Magyarországnak szüksége van tudományos célokat szolgáló korszerű neutronkutatóra, a csillebérci reaktor utódjára.

Kompakt neutronforrás részei: 1. érzékelőbeállítás, 2. neutronsugárcső, 3. célállomás, 4. protongyorsító, 5. ionforrás

A martonvásári beruházással éppen az ennek gazdaságos megvalósítására alkalmas korszerű kompakt neutronforrás know-how-ja jelenik meg itthon. Ezért fontos az akadémiai intézetnek az új beruházás, hiszen itt hozzák létre azt a technológiát, amely megalapozhat egy később megépülő hazai kutatóbázist.•

 

 
Innotéka