Neutronok keltése lézerrel

A tudományterület forró témái közül többre is megoldást találhat a Szegedi Tudományegyetemen működő Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium (NLTL). Ilyen lehet a kiégett nukleáris fűtőelemek kezelése, csempészett radioaktív anyagok kimutatása a határon, illetve izotópok gyors előállítása.


A nukleáris hulladék kezelésében speciális kihívást jelent a hosszú felezési idejű komponensek tárolása. A problémára az egyik megoldás a hulladék különböző komponenseinek szétválasztása, majd a hosszú felezési idejűek mesterséges transzmutációval történő átalakítása olyan elemekké, melyek felezési ideje jelentősen rövidebb. (A transzmutáció kifejezés magátalakulást jelent, ami természetes úton is létrejöhet, például radioaktív bomlással vagy a csillagokban lejátszódó nukleoszin­té­zis során.) A mesterséges transzmutáció­val az anyagot gamma- vagy részecskesugárzásnak teszik ki. A léze­res úton előállított neutronokon alapuló, úgynevezett só­olvadékos transz­mutátor lét­re­hozására Toshiki Ta­ji­ma és Gerard Mourou pro­­fesszo­rok 2018-ban nem­zetközi tudományos konzorcium alakítását kezdeményezték.

A magyar kormány 2019-ben, az ELI-ALPS Lézeres Kutatóintézet kihasználtságának növelése érdekében hozta létre először Szabó Gábor professzor szakmai vezetésével a kiégett nukleáris fűtőelemek lézeres kezelési projektjét, melyet egy háromtagú nemzetközi konzorcium támogat. A Szegedi Tudomány­egyetemen megalakult Nemzeti Lézeres Transz­mutációs Laboratórium munkáját segíti a párizsi École Poly­technique, amelynek professzora a Nobel-díjas francia Gerard Mourou, valamint a kaliforniai székhelyű TAE vállalat, amelynek tudományos igazgatója Toshiki Tajima professzor. Az első alapvető feladat annak meghatározása, hogy lézeres úton előállítható-e annyi neutron másod­percenként, amennyivel egy szub­kritikus, sóolvadék-alapú reaktorban transzmutáció hozható létre.

„Projektünkben lézerrel szeretnénk neutronokat létrehozni. Az eljárással nagyobb hatásfokkal és kisebb területen állíthatnánk elő a transzmutációhoz szükséges neutronokat” – tud­tuk meg Osvay Károlytól, a Nemzeti Lézeres Transz­mutációs Laboratórium vezetőjétől.

Osvay Károly, az NLTL vezetője

Az ELI-ALPS-ban 2021. december első három hetében került sor az eddigi legfontosabb mérési sorozatra. A SEA lézer 20 milijoule-os impulzu­saival deuterizált polietilénből készült ultravékony (~150 nanométer) fóliákra lőttek, egyes lövéssel. A másodlagos target egy dPET-ből készült tabletta volt a deuteronforrás mögött, attól ~15 centimé­terre. A deuteronforrást előrefelé elhagyó ionokat egy Thomson-ion­spektro­méterrel mértük.
Az ATOMKI nemzetközi együttműködésekben edződött kiváló kutatócsoportjai három, egymástól független detektorrendszert telepítettek a mérések idejére. A detektorok különböző szögeket zártak be a másodlagos céltárggyal.

Egy catcher-pitcher sémájú lézeres neutronforrás elvi vázlata. (Magyar Tudomány, 181 [2020], 1586)

„Az egylövéses üzemmódban végzett kísérlet­sorozatban a beállítást követően napi 100-130 lövést tettünk meg, összességében több mint 500 lövésből származó ionokat és neutronokat mértünk meg” – mondta a laborvezető.
Az eredmények kiértékelése még zajlik. Ami már most megállapítható, hogy lövésenként legalább 1500 fúziós, azaz 2,6 mega­elektronvolt energiájú neutront sikerült kelteni. Ez többszörösen felülmúlja a hasonlóan kis energiájú lézerimpulzusok alkalmazásával, 2018-ban a Michigan Universityn keltett eddigi neutronszámot.
Mivel az NLTL jelenleg finanszírozott projektjé­ben a neutronok keltése az elsődleges cél, ezért ez a kísérlet igen fontos mérföldkő a projekt menetében.

A kísérleti kamra a Thomson-spektrométerekkel és a neutron­detektorokkal (fönt), valamint a kezdeti neutronspektrumok (lent).
A kísérleti kamra a neutron­detektorokkal körülvéve, háttérben a vákuumcsövek, melyekben a lézernyaláb közelít a kamra felé.

A következő időszakban kísérletet tesznek a lö­vé­senkénti neutronszám további optimali­zálá­sára, és az egylövéses üzemmódról az 1 hertz–1 kilohertz ismétlési frekvenciát célozzák meg. „A neut­ron­­keltési projekt 2023-ra tervezett végére célunk így másod­percenként 107–108 neutron generálása. Fon­­tos megjegyezni, hogy mind az elsőd­legesen lézerrel gyorsított deutérium­ionok, mind pedig a keltett neutronok impulzusai időben igen rövid idejűek, néhány piko­szekundumig (a másodperc egybilliomod részének egybilliomod része) tartanak mindössze, ezért a részecsék időegységre eső fluxusa közel esik a csillagokban található ion- és neutron­fluxushoz. Valószínűsíthető, hogy ilyen körülmények közt új (mag)fizikai folyamatokat is meg lehet majd figyelni” – jegyezte meg Osvay Károly.•

A kutatást az Innovációs és Technológiai Minisztérium, valamint a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatja a Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium keretében.

 


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka