2017. december: jegyzet, orvostudomány, portré, Nemzeti Agykutatási Program, tudomány, egyetem, fizika, fenntarthatóság, zöldkörnyezet, genomika, bioinformatika, it, neutronkutatás, anyagtudomány, innováció, atomenergia, gépipar, elektronika, startup, energiagazdálkodás, biztonságtechnika

Neutronkutató épül Martonvásáron

Az Európai Spallációs Forrás (ESS) Lund városában, Svédország déli részén épül. A létesítmény egyedülálló tulajdonságai jelentősen meghaladják, illetve kiegészítik a mai vezető neutronforrásokét, a kutatók számára új lehetőségeket kínálnak az anyag- és az élettudományok, az energetika, a környezettechnológia és természetesen a fizika területén. Nagyon messze jutott ez a tudományterület a neutronok 1932-es felfedezése óta.


A fejlett kutatások speciális – általában mind nagyobb és drágább – eszközöket igényelnek. A jobb technikákkal a kutatók egyre mélyebben megérthetik közvetlen környezetünk, illetve tágabb univerzumunk titkait. A nagyon nagytól az igen kicsiig ívelnek a felfedezések, amelyek általában egy-egy új eszköz megépítéséhez kötődnek. Ezt igazolja az Albert Einstein által száz évvel ezelőtt megjósolt gravitációs hullámok felfedezésének története. A zseni meggyőződése volt, hogy léteznek ilyen hullámok, de maga sem volt biztos abban, hogy egyszer kimutathatjuk azokat. Ahhoz, hogy 2016 elején minden kétséget kizáróan a fizikusok bejelenthessék, hogy fekete­lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokat észleltek, hiperérzékeny detektorokra volt szükség, ezeket egymilliárd dollárból építettek meg.

A Hubble-teleszkóp, a Voyager–2 űrszonda vagy éppen az amerikai Új-Mexikó államban található 27 darab, 25 méteres anten­ná­­ból álló VLA (Very Large Array), azaz a rádióhullámok frekvencia­­tartományában működő csillagászati interferométer révén a Vi­lág­egyetem távoli helyeit, rejtett zugait vizsgálhatjuk. Egy neutronforrás segítségével az alapvető atomszerkezetek és az összetevők között ható erők ismerhetők és érthetők meg. A majdan neutronokat használó Európai Spallációs Forrás az egyik legnagyobb, ma épülő tudományos és technológiai infrastrukturális projekt. A létesítményben működik majd a világ legerősebb lineáris protongyorsítója, épül egy négytonnás, héliumhűtésű volfrám céltárgy, és a legmodernebb neutronkutató eszközökből két tucatot telepítenek ide. Emellett laboratóriumok, szuperszámítógépes adatkezelő és szoftverfejlesztő központ is a kutatást szolgálja majd. Ez a bázis több mint a beépített elemek puszta összege, a tudományos kutatás új minőséget ér itt el.

Az Új-Mexikó államban található Very Large Array 27 darab, 25 méteres antennából álló, a rádióhullámok frekvenciatartományában működő csillagászati interferométer a Világegyetem távoli helyeit, rejtett zugait vizsgálja.

Húsz évvel ezelőtt vetődött fel, hogy Európának szüksége van egy modern, nagy teljesítményű neutronforrásra. Az ESS páneurópai projekt, melynek 17 európai nemzet a tagja, a munka Svéd­ország és Dánia vezetésével folyik. Maga a kutatóhely Lundban épül, míg az adatkezelő és a szoftverközpont Koppenhágában működik. Körülbelül két-háromezer vendégkutató kísérletezhet itt évente. A felhasználók többsége európai egyetemekről és intézetekből érkezik, a többiek az ipar területéről. A 2014-ben kezdődött svédországi beruházás közel kétmilliárd euróba kerül, teljes kapacitása tízszer akkora lesz, mint a hasonló amerikai vagy japán neutronforrásoké. Az építkezéssel párhuzamosan elindult a felhasználói program tervezése, több mint száz partner laboratórium kutatói és mérnökei dolgoznak ezen a vonalon. Az ő feladatuk annak kimunkálása, hogy miként hozható ki a legtöbb eredmény a jelenleg 39 százalékos készültségi fokú, várhatóan 2023-ra elkészülő intézményből.

A Svédországban most épülő ESS-ben működik majd a világ legerősebb lineáris protongyorsítója, épül egy négytonnás, héliumhűtésű volfrám céltárgy, és a legmodernebb neutronkutató eszközökből két tucatot telepítenek ide. Emellett laboratóriumok, szuperszámítógépes adatkezelő és szoftverfejlesztő központ is a kutatást szolgálja majd.
Látványterv

A Magyarországhoz hasonló adottságú országoknak jelentős teher a nagy nemzetközi infrastruktúrákhoz való társulás. Igen költséges hozzáférést biztosítani például a világ legnagyobb részecskegyorsítójához (CERN), a világelső kísérleti fúziós reaktorhoz (ITER) vagy a hamburgi röntgenlézer-kutatóközponthoz (XFEL). Ehhez képest áttörés az a modell, amellyel a most épülő ESS-ben vehetnek részt a hazai szakemberek. A 17 alapító tag által vállalt bekerülési költség körülbelül egy százalékát teszi ki az a 17,6 millió euró tagdíj-hozzájárulás, amelyet Magyarország az építés tíz éve alatt befizet. Ebből mintegy 12,3 millió euró, csaknem négymilliárd forint az a nemzeti keret, amelyet hazai beszállítással kiválthatunk.

Az előbb említett modell lényege, hogy a befizetések több mint kétharmada a hazai kutatás-fejlesztési szektorba forog vissza, ami nem csekély gazdasági felhajtóerőt (kapacitásbővítést, munka­helyeket, további megrendeléseket) is jelenthet. A gyakorlatban ez úgy zajlik, hogy az egyes tagországok meghatározott intézményei a beruházás úgynevezett Cost Bookjában (költségkönyvében) kialakított és beárazott csomagokra pályázhatnak. A magyarok nagy előnye, hogy szakembereinket a legjobbak között tartják számon, és mára létrejött egy olyan hazai ipari bázis, amelynek már sikerült betörnie erre az exportpiacra. A beszállításokban részt vevő három akadémiai intézet – az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, az MTA Energiatudományi Kutatóközpont és a debreceni MTA Atomki – már tavaly márciusban mintegy négymillió euró értékű beszállítói kapacitást tudott lekötni a következő évekre, közvetlenül több hazai kis- és középvállalkozást, valamint két nagyvállalatot vonva be, amelyeknek további mintegy húsz alvállalkozó cég végez beszállításokat.

A majdani lundi kísérleteket lehetővé tevő neutron felfedezését nyolcvanöt éve, 1932. június 1-jén tette közzé a Royal Society. A felfedező a cambridge-i fizikus, James Chadwick volt, aki ezért 1935-ben Nobel-díjat kapott.

James Chadwick cambridge-i fizikus fedezte fel nyolcvanöt éve a neutron létezését, és ez a neutronkutatás gyors fejlődéséhez vezetett, történelmi áttörést jelentett a tudományban.

Chadwick felfedezése a neutron­kutatás gyors fejlődéséhez vezetett, történelmi áttörést jelentett a tudományban. Rosta László fizikus, a Magyar Tudomány című lapban írt arról, hogy Chadwick felfedezése tette lehetővé, hogy az uránénál nagyobb atomsúlyú elemeket is előállítsanak laboratóriumi körülmények között. A semleges részecske megismerése vezetett a lassú neutronok által beindított magreakciók vizsgálatához (Enrico Fermi), valamint a maghasadás jelenségének kimutatásához (Lise Meitner) – majd ez indította el végül is az atombomba kifejlesztéséért folyó versengést a második világháború alatt. Magyar tudósok is igen hamar bekapcsolódtak a neutronok kutatásába. Wigner Jenő már 1933-ban cikket közölt a kisenergiás neutron-proton szórásról. Ez és később Teller Ede 1937-es cikke az orto- és parahidrogénen való neutronszórás elméletéről nagyban hozzájárult a magerők spinfüggésének kimutatásához. 1934-ben Szilárd Leó kidolgozta és szabadalmaztatta a neutronok által keltett maghasadás és láncreakció elvét. Hevesy György 1934-ben a neutronaktivációs analízis alapjait fektette le.

Apró eltérés
Jóllehet az iskolai fizikaórákon úgy tanítják, hogy a protonok és a neutronok azonos tömegűek (miközben az atommagok körül keringő elektronok súlya sokkal kisebb), ez nincs egészen így. A valóságban a neutronok kissé nehezebbek, és ez a tény létfontosságú az anyag, és így a Világegyetem stabilitása szempontjából. A tömegkülönbség ténye elméleti számítások alapján eddig is tudott volt, de nem volt egyértelmű ennek eredete. Döntően magyar fizikusok 2015-ben a világ egyik legerősebb szuperszámítógépe segítségével kiszámították, hogy az atommagokban lévő neutronok tömege 0,14 százalékkal nagyobb a protonok tömegénél. Az Eötvös Loránd Tudomány­egyetem Elméleti Fizikai Tanszékén és a németországi Wup­pertali Egyetemen dolgozó Fodor Zoltán által vezetett kutatócsoport a németországi Jülichben üzemelő JUQUEEN szuperszámítógépet használta. A Science magazinban pub­likált érték harmonizál Einstein relativitáselméletével, és illeszkedik az elemi részecskéket összetartó, úgynevezett erős kölcsönhatásról alkotott teóriákhoz is. A felfedezést a Nature folyóirat hasábjain is hatalmas áttörésként értékelték.

A 85. évforduló kapcsán érdemes felidézni néhány magyar vonatkozású kiemelkedő eredményt a közelmúltból. 45 esztendeje annak, hogy Mezei Ferenc 1972-ben Budapesten felfedezte a neutron spin-echo elvét, ami újabb áttörést hozott a neutronkutatásokban. (Többek szerint ez az elmúlt fél évszázad legjelentősebb magyar természettudományos kísérleti eredménye.) Az atomi felbontású neutronholográfia elvét javasló Cser László munkatársaival elsőként 2002-ben fényképezte le neutronokkal egy kristályban az atomok elhelyezkedését. A neutronholográfia direkt módon méri a helyi rácstorzulásokat a kristályrácsban, illetve feltérképezi a mágneses rendet. Nem kell különösebb jóstehetség ahhoz, hogy látni lehessen: a nem is olyan távoli jövőben a neutronholográfia mintázatfelismerő eljárásokkal kombinálva ígéretes eszköz lehet – a neutronok hidrogénérzékenységének köszönhetően – például a biológiai szerkezetanalízisben. A legfontosabb hazai neutronos bázis a csillebérci kutatóreaktorhoz (Budapesti Kutatóreaktor; BKR) kötődik.

Az 1959 óta működő, 1986 és 1992 között teljes egészében felújított BKR tette lehetővé, hogy a Paksi Atomerőművet üzemeltető szakemberek már az atomerőmű építésének kezdetétől megismerkedjenek a nukleáris technikával. Itt alakult ki az a magyar nukleáris kultúra, amely elengedhetetlen tudományos háttere az atomerőmű biztonságos üzemeltetésének. A BKR közvetlenül is segítette a paksi blokkok biztonságos működését: itt végezték a négy paksi reaktortartály élettartam-tervezéséhez szükséges be­sugárzásokat és a törésmechanikai vizsgálatokat. Ez azért volt lehetséges, mert a kutatóreaktorban elérhető maximális neutron-fluxus mintegy tízszerese a reaktortartályt üzem közben érő fluxusnak, ezért kellő időben lehetett eredményeket kapni arra vonatkozóan, hogy a reaktortartály a tervezett, illetve a meghosszabbított üzemidő végéig biztonságos marad.

A legfontosabb hazai neutronos bázis, a csillebérci kutató­reaktor (Budapesti Kutatóreaktor; BKR) 1959 óta működik, itt alakult ki az a magyar nukleáris kultúra, mely elengedhetetlen tudományos háttere a Paksi Atomerőmű biztonságos üzemeltetésének. A BKR-t 1986 és 1992 között felújították, egy tavalyi tanulmány szerint pedig a műszaki állapota valószínűleg lehetővé teszi a reaktor üzemidejének tíz évvel való meghosszabbítását a jelenlegi, 2023-ig szóló engedély után is.

Egy tavalyi tanulmány szerint a BKR üzemeltetése műszaki és humán szempontból problémamentes, a reaktor műszaki állapota nagy valószínűséggel lehetővé teszi a reaktor üzemidejének tíz évvel való meghosszabbítását a jelenlegi, 2023-ig szóló engedély után is. (A reaktorban keletkezett kiégett fűtőelemeket 2009-ben, illetve 2013-ban az Egyesült Államok segítségével elszállították Oroszországba.) A fűtőelemek újrafeldolgozása során keletkező hulladék – egy kétoldalú magyar–orosz megállapodás értelmében – örökre Oroszországban marad. A várható leszerelési költség mai árakon mintegy 1,2 milliárd forint, ehhez adódik még a fűtőkötegek elszállításának és további kezelésének költsége, ami hatmilliárd forint.

Számos indok szól a BKR üzemidejének meghosszabbítása mellett. Egyrészt az új paksi blokkokkal kapcsolatos kutatási és képzési elvárások, másrészt az a tény, hogy a fokozódó neutronos anyag­kutatási igények ellenére a neutronforrás-kapacitás Európában erősen csökkenni fog. A kutatóreaktor és a köré épített anyagtudományi kutatóberendezések Paks 2 megvalósításában is hasznosak lehetnek. A magazinunkat tájékoztató Rosta László meggyőződése, hogy a következő évekre (rövid távon 2023-ig, hosszabb távon 2033-ig) a BKR és kutatási infrastruktúrájának fenntartása, modernizálása és fejlesztése elsőrendű feladat a Paks 2 program keretében. Ebben az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont feladatának tekinti a neutronnyaláb-kutatásokkal összefüggő feladatokban való részvételt, egyebek között a hidegmoderátor, a nyalábkicsatolási rendszer, valamint a neutronspektroszkópiai instrumentáció fejlesztését és működtetését. Anyagtudományi vizsgálatokra is alkalmas, hiszen a nukleáris energetikával kapcsolatos kutatásokat a fémek, ötvözetek, üvegszerű és más amorf anyagok, kerámiák, szerves anyagok, biológiai minták tulajdonságainak felderítésével segíthetik.

Arról már számos alkalommal írtunk magazinunk hasábjain, hogy az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és az MTA Energia­tudományi Kutatóközpont csillebérci 10 megawattos kutató­reaktorához Európában egyedülálló anyagvizsgálati laborok kapcsolódnak. A vizsgálatokhoz elengedhetetlen neutronforrást 17 laboratóriumi mérőpont „értékesíti”, így válnak lehetővé fontos anyagszerkezeti és egyéb képalkotó vizsgálatok. Az anyag mélyrétegeibe ásva olyan, eddig nem látott tulajdonságok is észlelhetők, amelyek tanulmányozásával a gyártástechnológia innovatív módon javítható és alakítható. A neutroncentrum vizsgálatai rendkívül sokféle kérdésre adhatnak választ: közegáramlás, kopás-, öregedés- és lerakódásvizsgálat, ötvözetek szerkezeti mérései, belső feszültségek kimutatása diffrakciós vizsgálattal, elemösszetétel kimutatása, kompozit anyagok optimalizálása. A neutronkutatási laborok lényegében a hullámoptika fizikai tulajdonságait munkába állítva tesztelik a tetszés szerinti tárgyat, alkatrészt vagy anyagmintát spektrométeres, gamma-analízises, diffrakciós, radiográfiás vagy tomográfiás eljárásokkal. Egy konkrét példa: amikor a Ferrari mérnökei a 2000-es évek közepén bejelentkeztek, még senki sem sejtette, hogy a magyar mérnökök is hozzájárulnak Michael Schumacher Forma–1-es versenyző világbajnoki címének többszöri megvédéséhez. Az olasz csapat akkor arra kereste a választ, hogy miért fárad el idejekorán a csúcstechnológiás motor dugattyúja. A neutronvizsgálatokat végző magyar fizikusok és mérnökök rámutattak a nanorepedések pontos helyére, eredőire, az anyagszerkezet elváltozásaira, így aztán a fejlesztők ellenállóbb motort tudtak építeni.

A neutronok a kulturális örökség témakörében is hasznunkra lehetnek. A budapesti központ munkatársai is részt vettek a CHARISMA elnevezésű projektben, mely Európa legjelentősebb múzeumainak (British Museum, Louvre, National Gallery Lon­don, Prado stb.) kincseit analitikai eszközökkel elemezték. A nemzetközi együttműködésnek köszönhetően számos rendkívül érdekes vizsgálati tárgy és téma került Budapestre. Itt tesztelték például az ókorban igen elterjedt, díszítőként használt lapis lazuli féldrágaköveket. Egy szíriai királysírból előkerült ékszereknél neutrondiffrakcióval kimutatták, hogy a leletek közül néhány nem igazi lapis lazuli kő, hanem az egyiptomi kéknek nevezett hamisítvány, azaz egy 3500 éves hamisított ékszert azonosítottak. Ugyancsak kiemelendő egy londoni gyűjteményből érkezett, az emberiség legrégibb vaseszközének feltételezett, egyiptomi sírból származó lelet bevizsgálásának eredménye. A neutronanalitikai mérések alátámasztották azt a feltételezést, hogy a „vasgyöngyök” anyaga meteorit. A neutrontomográfiai átvilágítással pedig felfedezték, hogy mindhárom rendkívül korrodált, 5200 éves „vasdarab” egy lemezzé lapított kiindulási anyag későbbi összehajtogatásával, vagyis a meteoritdarab tudatos megmunkálásával készült.

„Az ezredfordulóig csak felfedező jellegű kutatásra használták a neutronvizsgálatot, ma már világszerte egyre meghatározóbb szerepet játszik a gyártási technológiákban” – tájékoztatta magazinunkat Rosta László, a neutronközpont projektmenedzsere. A centrum által kínált vizsgálatok egyik legnagyobb előnye, hogy a neutron roncsolásmentesen tud belépni az anyag szerkezetébe, a mintát nem kell szétszedni, elmetszeni, felnyitni. Legyen az motorblokk, nyomtatott áramkör, gumiabroncs vagy állandó kémiai hatásnak kitett alkatrész, a minta neutronbesugárzásával annak érintetlenül hagyása mellett lehet róla információkat gyűjteni vagy éppen 3D-s ábrát készíteni. A központban végzett neutronvizsgálati analitikák – kombinálva egyéb mérési technikák lehetőségeivel – sokkal nagyobb pontossággal választják szét például a katalizátorban a szerves és a szervetlen vegyületeket, jobban ki tudják mutatni a hegesztési varratok esetleges hiányosságait, mintha csak a szokásos röntgenes átvilágítást használnák a szakemberek.

A neutrontomográfia előnye, hogy a neutron roncsolásmentesen lép be az anyag szerkezetébe, így a mintát nem kell szétszedni, elmetszeni, felnyitni. A minta neutronbesugárzásával annak érintetlenül hagyása mellett lehet róla információkat gyűjteni, és sokkal nagyobb pontossággal tudják kimutatni például a hegesztési varratok esetleges hiányosságait, mintha csak a szokásos röntgenes átvilágítást használnák a szakemberek.

Ami a neutronnyalábokkal végzett anyagkutatások jövőjét illeti, ezek dinamikus fejlődése vetíthető előre a következő két évtizedre. A magas színvonalú kísérleti lehetőségekre már most kétszer annyi igény van a tudományos és ipari felhasználás részéről, mint amekkora kapacitás rendelkezésre áll. Ugyanakkor a nyalábidő-kapacitás a 2020-as évek közepére kevesebb mint a felére csökken. Ez azt jelenti, hogy a neutronkutatási kísérleti igények kielégítetlensége drasztikusan meg fog nőni. Magyarország – a csillebérci kutatóreaktornak köszönhetően – a neutronkutatások egyik európai éllovasa, ám a BRK a bezárásra ítélt neutronforrások között van. Hogy megmaradjon vezető szerepünk, az eddig csak mezőgazdasági jellegű kutatásairól ismert Martonvásáron egy különleges neutronforrást építenek.

„A technológia fejlődésével a jövőben a hagyományos neutronforrások helyére részecskegyorsító alapú, úgynevezett kompakt neutronforrások lépnek” – tájékoztatott Rosta László. Bár már létezik ilyen kis energiájú gyorsítóra épített forrás Japánban, Izraelben és az Egyesült Államokban, de a magyar fejlesztők által javasolt beruházással az első ilyen európai berendezés jönne létre.

A hagyományos neutronforrások helyére részecskegyorsító alapú, úgynevezett kompakt neutronforrások lépnek. Egy ilyen különleges neutronforrást építenek Martonvásáron, és bár létezik ilyen kis energiájú gyorsítóra épített forrás Japánban, Izraelben és az Egyesült Államokban, de a magyar fejlesztők által javasolt beruházással az első ilyen európai berendezés jönne létre. (A képen a High Energy Accelerator Research Organisation Tsukubaban, Japánban.)

A projekt lényegében három magyar találmányon (szupertükrök, hosszú impulzusú neutronforrás és kompakt neutronmoderátor) alapszik, melyek Mezei Ferenc akadémikus nevéhez kötődnek. A program részeként a világon elsőként fejlesztenének ki egy részecskegyorsítóra épülő, optimalizált, kompakt neutronforrást, amely gyorsabban kivitelezhető, olcsóbb, biztonságosabb, rugalmasan üzemeltethető, egyszóval jobb és hatékonyabb, mint az eddigiek a világon. A fizikus szerint a program megvalósításával elsők lehetünk egy csúcstechnológiai ágazat létrehozásában. A beruházás három év alatt másfél milliárd forintból jön létre Martonvásáron. A zöldmezős beruházási projekt 2017 júliusában 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 várhatóan két-három szakember végzi az üzemeltetést, a felhasználók száma 6-15 körül lesz.•

 
Innotéka