Mezei Ferenc akadémikus tervei alapján Martonvásáron épül az úgynevezett optimalizált kompakt neutronforrás prototípusa. Ha el­ké­szül, Magyarországon működik majd a vi­lá­gon a legmodernebb, Európában pedig az első olyan anyag­szer­kezet­vizsgáló neutronlabor, amely alacsony építési és üzemeltetési költségei, kis helyigénye okán világszerte új fejezetet nyithat egészségügyi alkalmazásokban (például a rákterápiában) és számos iparágban, a többi között autóipari felhasználásokban.

A martonvásári neutronlabor épülete

Ez a bázis elsősorban roncsolás­mentes anyagszerkezeti vizsgálatokra lesz alkalmas, azaz az elemzésre küldött minta vagy alkatrész belsejéről úgy ad pontos képet, hogy azt közben nem kell szétdarabolni, megfúrni, belőle mintát venni. A neutronokkal végezhető roncsolás­mentes tesztelés kiválóan kiegészíti a más típusú vizsgálatok (például röntgen­analízis, ultrahangos mérés) eredményeit – elsősorban annak köszönhetően, hogy a neutronok a mintadarabokat nemcsak a felületükön, hanem akár több centiméteres mélységükben is „látják”. Az ilyen neutronos megoldások már eddig is számos áttörő eredményt hoztak különböző ipari-technológiai alkalmazásokban, azonban a módszer kevéssé terjedt el a vizsgálatok helyhez kötöttsége, viszonylag bonyolult hozzáférhetősége és magas költsége miatt. Ezen fog segíteni a martonvásári megközelítés: a neutronforrás egyszerű és olcsó üzemeltetése gyors, olcsó és könnyen hozzáférhető vizsgálatokra kínál lehetőséget.

A mai neutronforrások mellett üzemelő nagyberendezések napi átlagos üzemeltetési költségei a nemzetközi tapasztalatok szerint az egy- és négymillió forint közötti sávban vannak. A martonvásári ennek a tizede lesz. Azért ilyen olcsó, mert itt nincs szükség a neutronokat kibocsátó nagy nukleáris létesítményre, az atomreaktorra. Mivel az ipar szereplői kevéssé ismerik az ilyen neutronkutatási eszközben rejlő lehetőségeket – hogy ne érje váratlanul a potenciális partnereket az új diagnosztikai lehetőség –, a martonvásári eszközt építő konzorcium vezetői már a berendezés elkészülte előtt széles körben igyekeznek megismertetni a módszert.

„Már 2018-ban fel­kerestem a szóba jöhető ipari partnereket, vázolva a neutronos vizsgálatokban rejlő lehetőségeket, egyúttal ismertettem a formálódó optimalizált kompakt neutronforrás előnyeit, és felajánlottam a Budapesti Kutatóreaktor eseti használatának lehetőségét. Számos ipari példát mutattunk olyan kérdések esetleges megválaszolására, amelyek a közismert és használt módszerek útján nyitottak maradtak a kutatás, fejlesztés vagy akár a sorozatgyártás folyamataiban. Így jutottam el az autóipar mint kiemelt céliparág szereplőihez, és tőlük kaptam mintákat, melyek közül két eseti példát, a bevezetőben említett alumínium alkatrész, továbbá egy csapágyprobléma vizsgálatát, illetve annak eredményeit szeretnénk ismertetni ebben a cikkben.
A Budapesti Kutatóreaktor hatvan éve üzemel Csillebércen, és várhatóan még további egy, esetleg több évtizedig is működhet. Segítségével már most megismerhetik az ipari szereplők a neutronos vizsgálatok lehetőségeit és előnyeit, kiegészítő szerepét a többi roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerhez képest. Mindezek tükrében reményeim sze­rint egyre többet és többen fogják használni először a Kutató­reaktort, majd a martonvásári neutronforrást; végül pedig egy-egy nagyvállalat vagy ipari park akár saját neutronforrásának a megrendelésére is sor kerülhet, a martonvásári proto­típus reprodukciójával – természetesen az adott partner elvárásainak paraméterezésével” – tájékoztatott Pétermann Csaba, a Mirrotron Kft. cégvezetője.

A Budapesti Kutatóreaktort az Energiatudományi Kutatóközpont működteti. A reaktor az energetikai reaktorokhoz képest viszonylag alacsony teljesítménnyel üzemel (10 megawatt, például a paksi 1300 megawatthoz képest), viszont a kompakt aktív zónájának köszönhetően nagyon nagy sűrűségű neutronnyalábokat lehet belőle kivezetni. Egy ilyen neutronnyalábon üzemelő képalkotó berendezés biztosította a fent említett autóipari alkatrészek vizsgálatához szükséges kísérleti körülményeket. Az egyik esetben az anyagszerkezeti vizsgálatok során a kutatók alumíniumból készült, szabálytalan formájú, domborulatokat és homorulatokat, valamint furatokat egyaránt tartalmazó, mintegy 15-20 centiméter kiterjedésű és 1-2 centiméter vastag darab központi részére koncentráltak.

„A megrendelő által a fedélalkatrész egy részén meg­jelölt tartományban levő hibahelyeket vizsgáltuk. A neutron­nya­lábbal történő átvilágítás során a tomográfiás képal­ko­tás és kiértékelés eredményei azt mutatták, hogy az alu­­míniumfedélen számos öntési hibahely található. A mérendő tárgy nagysága és a megkívánt térbeli felbontás miatt a tárgy esetében a tomográfiás képalkotást csak két részletben végezhettük el: a fedél jobb és bal részéről egymással átfedő képek készültek. A mérést digitális képalkotással végeztük, melynek során a mérendő tárgy egyes nézeteiről 1126 felvétel, 16 bit szürkeérték felbontású kép készült, továbbá a gyengítetlen neutronnyalábról, valamint a kamera sötétáramáról is 10-10 darab spektrumot vettünk fel, ez utóbbiakra a hasznos jeleknek a háttérzajból való minél tisztább kinyerésére volt szükség” – nyilatkozta magazinunknak Szentmiklósi László laborvezető.

Egy komplex alumíniumöntvény neutrontomográfiás vizsgálatra előkészítve a Budapesti Neutron Centrum RAD mérőhelyén

A tomográfiás rekonstrukció eredménye, ideális esetben, megadja a vizsgált térfogat különböző pontjaiban a tárgyhoz tartozó neutrongyengítési együtthatókat. Ezek az értékek, azonos anyagi minőséget feltételezve (például alumíniumötvözet), a lokális sűrűségről adnak felvilágosítást. Ebben a konkrét esetben a tárgy mérete és anyaga miatt a képalkotásban korrekciós eljárásokat kellett alkalmazni, ami a homoge­­nitásra és a lokális sűrűségre vonatkozó kijelentéseket meg­nehezítette. Viszont az anyaghiányok okozta nagymértékű struktúraváltozásokat a korrekciós torzítások ellenére jól ki tudták mutatni, a háromdimenziós felvételeken jól láthatók a zárványos anyaghibák.

A mérést és az értékelést Kis Zoltán, a kutatóközpont tudományos főmunkatársa végezte. Megállapítása szerint az alumíniumfedélen számos öntési hibahely látható: a pórusok térbeli eloszlása egyenetlen, a csavarmenettel rendelkező tuskók környékére koncentrálódnak. Az öntési pórusok köbmilliméteres nagyságrendbe esnek és gömb alakúak, ami az öntés során keletkező gázok okozta üregképződésre utal. A legnagyobb pórusok 1–4 köb­millimétere­sek, de találtak egy 20 köbmilliméteres térfogatút is. A hibahelyek részben összefüggő csatornarendszert alkotnak, de ezek kiterjedtsége az alkalmazott mérési feltételek térbeli felbontásával nem volt biztosan megállapítható. Mindebből ugyanakkor egyértelműen le lehetett vonni a következtetést, hogy a fedélalkatrész nem felelt meg a hermetikus zárás követelményeinek, ezt elkerülendő, az öntési technológiát kell javítani.

A tárgy metszeti képein jól azono­sít­hatók az öntési hibák

Egy másik esetben, szintén autóipari vállalat problémájaként, csapágyak kenési hiányosságának a feltárása volt a feladat. Egy elhasználódott és egy új kétsoros golyóscsapágy összehasonlító vizsgálatában a neutronok segítségével feltárhatták nemcsak a konkrét hibát, a repedéseket és töréseket, hanem annak okát is. Ugyancsak a neutrontomográfia módszerével a fémes részek mellett a szerves anyagok is láthatóvá tehetők (ellentétben például a röntgenes átvilágítással). Ezzel kimutatható volt – a csapágy megbontása nélkül –, hogy a tapasztalt kopás és törés kenési elégtelenségre vezethető vissza. Egy új és egy elhasználódott kétsoros golyóscsapágy neutron tomogramjának összehasonlítása megmutatta, hogy a használt minta egy részében a kenőanyag szinte teljesen hiányzik, és ennek környezetében számos repedést lehetett felfedezni.

Az alumíniumöntvény 3D optikai szkennelt mo­dellje (bal oldali ábra) és az arra sötétebb árnyalattal rávetített részleges neutrontomográfiás kép (középső ábra). A kvantitatív, digitális pórusanalízis során a különböző méretű pórusokat, öntési hibákat eltérő színnel jelenítjük meg (jobb oldali ábra)

„Az alumínium alkatrész, valamint a golyóscsapágy neutronos vizsgálata kiváló példa arra, hogy egy hazai kutatóközpont az ipar szereplői számára hasznos elemzésre képes. Mindkét esetben az autógyártó vállalat ennek köszönhetően érvényesíteni tudja az alkatrészek beszállítóival szemben a szigorú minőségi elvárásait. Sokkal több feladatra is vállalkoznánk, de a hazánkban működő multinacionális cégek általában az anyavállalat országának kutatóhelyein végzik az ilyenfajta teszteket. Viszont hatalmas potenciál rejlik a hazai kis- és középvállalkozásokban, a multinacionális nagyvállalatok beszállítóiban; elsősorban őket segíthetné az itthoni kutatás-fejlesztési infrastruktúra, de ezek a kkv-k még kevéssé ismerik például a mi neutronos lehetőségeinket, így elvétve kérik fel a magyar kutatóhelyeket. Ugyanakkor az érintettek számára fontos információ, hogy hatszáz kilométeres körzetben ez az egyetlen, ilyen korszerű neutronos módszert alkalmazó központ” – mondta Szentmiklósi László, aki azt is kiemelte, hogy a budapesti kutatóhely ugyanazt a szakmai minőséget a nyugati intézeteknél lényegesen alacsonyabb áron produkálja. A reaktornál végezhető mérések nem a napi rutinra alapozó, sorozatgyártási feladatokat tudnak ellátni, hanem egyedi megbízásokra egyedi mérési módszerek kidolgozásában erős szakemberek oldanak meg technológiát fejlesztő vagy minőséget javító problémákat. Mindezt roncsolásmentesen, azaz a megrendelő ugyanazt a tárgyat kapja vissza, amit átadott, és ezen további tesztelések is végezhetők. A magas színvonalú munkát az is garantálja, hogy a vizsgálatok nemzetközi szabványoknak és az ISO9001:­ 2015 minőségirányítási rendszernek megfelelő körülmények között zajlanak, az adatok feldolgozását a legjobbak között elismert szoftverekkel végzik.

A martonvásári új neutron­for­rás – a Kutatóreaktorral együttműködésben, egymás lehetőségeit kiegészítve – még több, könnyebben elérhető és olcsóbban kivitelezhető anyagvizsgálati lehetőséget fog kínálni.•