A magyar kormány 2019-ben, az ELI-ALPS Lézeres Kutató­intézet kihasználtságá­nak növelése érdekében indította el a kiégett nukleáris fűtőelemek lézeres kezelési projektjét. Az első feladat annak meghatározása, hogy lézeres úton előállítható-e megfelelő számú neutron másodpercenként.

A kísérleti elrendezés a vákuumkamrában. Előtérben a forgó kerék céltárgyrendszer, mögötte a deutériumtabletta, balra a pontos beállítást lehetővé tevő objektív.

„Az egylövéses üzemmódban végzett kísérlet­sorozatban napi 100-130 lövést tettünk” – tudtuk meg Osvay Károlytól, a Nemzeti Lézeres Transz­mutációs Laboratórium vezetőjétől. 2022 januárjában számoltunk be magazinunkban arról, hogy lövésenként legalább 1500 fúziós, azaz 2,6 mega­elektronvolt energiájú neutront sikerült kelteni.

Az elmúlt időszakban két fontos, előremutató kísérletre került sor. Tavaly júniusban sikerült először a folyamatos neutronkeltés. A folyamatosságon azt kell érteni, hogy korábban naponta legfeljebb száz lövésre volt lehetőség, az első júniusi kísérleti napon ezer, a harmadikon már ezerötszáz belövést értek el a kifejlesztett sorozat­­lövéses eljárással. Az egylövéses üzemmód esetében minden egyes impulzus után újra be kellett állítani a céltárgyat, egy vékonyfóliát. A SEA lézer 20 millijoule-os impulzusaival deuterizált polietilénből készült ultravékony (nagyjából 150 nanométer) fóliákra lőttek. A másodlagos target, vagyis céltárgy egy dPET-ből készült tabletta volt a deuteron­forrás mögött, attól mintegy 9 centiméterre. A deuteron­forrást előrefelé elhagyó ionokat Thomson-ion­spektrométer­rel mérték. A sorozat­lövéses eljárás részeként a fóliákat úgynevezett target­kerékre helyezték, majd a fóliákon öt sorban öt lyukat ejtettek. A lézer léptetését programozva, a sugár irányát megfelelően fókuszálva sikerült a sorozatlövés. A lézerrel gyorsított deutériumok a céltárgyba csapódva deuteronnal fuzionálnak, ami neutronképződéssel jár.

A kísérlet érdekes részeredménye­ként információkat kaptak a másodlagos céltárgyba csapódó gyorsított deutériumok tulajdonságairól. Annak érdekében a másodlagos céltárgyba lyukat fúrtak, hogy az azon keresztül­száguldó deutériumot csapdába ejthessék. A lyukfurás azonban nem magától értetődő egy olyan tabletta esetén, amelynek vastagsága 0,1 milliméter. Mechanikus módszerek nem vezettek eredményre – sajnos a legjobb esetben is „csak” kétfelé tört a céltárgy. Mentő megoldásként a Szegedi Tudomány­egyetem Tewati lézer­rendszerével vágtak ~1 milliméter átmérőjű nyílást a másodlagos céltárgyba.

„Az eredmények minimum »érdekesek«. Megállapítottuk például, hogy a lézerrel gyorsított deutériumok karakterisztikája függ a gyorsító lézerimpulzus vivőhullám-fázisától. Az eddigi elméletek alapján erre nincs magyarázat” – értékelt Osvay Károly.

Egy speciális technika kifejlesztésével az eredetileg 12 femto­szekundumos lézerimpulzus időtartamát sikerült harmadolni, azaz négy femto­szekundumra csökkenteni. Ezt követően ennek az impulzusnak a gyorsító hatását kísérletileg vizsgálták, amire tavaly decemberben és idén év elején került sor. Külön-külön mind a közel merőleges, illetve 45 fokos lézerfény-céltárgy kölcsön­hatásra van magyarázat, és ezeknek a magyarázatok­nak harmonizálniuk kellene. Pillanatnyilag kicsit „zavaró”, hogy ezek egymásnak ellentmondanak, amire megoldást kell találni. Ebben kértek segítséget a cseh ELI-ben dolgozó, elméleti szimulációkban igen tapasztalt kollégáktól.

Kísérlet közben, előtérben a neutrondetektorokat kezelő, háttérben a lézeres gyorsítót kezelő kollégák.

Az előbb említett munkákkal párhuzamosan kifejlesztettek két folyadéksugárból álló céltárgy­rendszert. Az egymásra lőtt folyadék­sugarak találkozásakor apró, levélre hasonlító folyadékréteg jött létre, amelynek vastagsága mindössze 200 nanométer. A levelecskének az a hatalmas jelentősége, hogy azt lézerrel folyamatosan lőhetik, ami elvileg folyamatos neutron­forrásként szolgálhat. A gyakorlat néha más, az igen vékony folyadék­sugarak vákuum­körülmények között másképp „oldják meg” a hidro­dinamikai egyenletet, mint amire az ember számítana. Mindenesetre azt már sikerült elérni, hogy négy órán keresztül folyamatosan stabilan működjön a folyadék céltárgy. A neutronkeltés mellett radiobiológiai kísérleteket is terveznek – ezt a munkát Hideghéty Katalin orvos-radiológus csoportjával közösen tervezik.

Az ELI-ALPS közepes surgárvédett laboratóriuma, a Szegedi Tudományegyetem Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratóriuma által fejlesztett teljes kísérleti berendezéssel.

Hogy miért van szükség lézerrel ge­ne­rált neutronokra? Osvay Károly szerint azért, mert egyre nagyobb az igény a biztonsá­gos neutronforrásokra Európában és a világon. A legfontosabb hazai K+F célú neutron­forrás, a csillebérci reaktor engedélye ha­marosan lejár, míg a Marton­vásárra tervezett forrás még nem készült el. Más országokban is egyre kevesebb kutatási cé­lokat szolgáló neutron­forrás működik, miközben ezen a téren egyre nagyobb az igény. A kutató­reaktorok nukleáris fűtő­anyagból, maghasadással hoznak létre neutronokat, ami miatt a vonatkozó törvényi rendelkezések komoly biztonsági és őrzési feladatot írnak elő. A neutronok lézeres előállítása során nincs nukleáris fűtőelem, nem jelentenek veszélyt a környezetre. Ezért lenne kiemelkedő jelentősége egy folyamatosan üzemelő, nagy mennyiségű neutront produkáló forrásnak.•