A Szegedi Tudományegyetem és az ELI ALPS transzmutációs kutatásait érintő megbeszélésre érkezik Szegedre csütörtökön Gérard Mourou Nobel-díjas fizikus. A francia professzor egyike volt az ELI megalapítását szorgalmazó lézerfizikusoknak, majd 2006-2011 között ő vezette az ELI kutatóközpontok előkészítésének EU által finanszírozott nemzetközi konzorciumát. Gérard Mourou, valamint Toshiki Tajima javasolta először, hogy a transzmutációhoz, vagyis a nukleáris hulladékban jelenlevő hosszú élettartamú aktindák neutronbesugárzással való kezeléséhez, lézerek segítségével állítsanak elő neutronforrást. A lézeres alapú gyors neutronok előállítására 2019-ben a Szegedi Tudományegyetemen létrejött a Lézeres Transzmutációs Nemzeti Laboratórium Dr. Osvay Károly fizikus, az SZTE Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének docense, Gérard Mourou egykori közvetlen munkatársa vezetésével.

Gérard Mourou egy új, biztonságosabb nukleáris reaktortípust javasol

A lézeres neutronkeltés célkitűzését Dr. Osvay Károly, valamint Dr. Szabó Gábor fizikus, azt SZTE professzora, az ELI ALPS vezetője a Magyar Tudomány 2020. decemberi számában publikálták. Dr. Osvay Károly 2022-ben igazolta, hogy kis energiájú lézerrel is lehetséges neutronsugárzás előállítása; 2023 májusában végzett kísérleteiben 6 órán át folyamatosan működéssel keltett neutronsugárzást, jelenlegi kísérleti kampányában pedig Dr. Osvay Károly kutatócsoportja egy jóval nagyobb ismétlési frekvenciájú lézerrel rövid időre olyan a neutronhozamot tudott elérni, amely már akár orvosi, pre-klinikai alkalmazásokban is használható lenne. (E kísérletről a cikk második felében olvasható.)

Gerard Mourou-val Szegedre érkeznek a genfi Transmutex SA nukleáris mérnöki cég szakemberei is, akik a lézeres neutronkeltési projekt iránt érdeklődnek. A svájci cég egy úgynevezett szubkritikus, vagyis nem önfenntartó nukleáris reaktor modellezésével foglalkozik, jelenleg ennek továbbfejlesztésére gyűjt magánbefektetői kört. A cég szakemberei azt a látogatást viszonozzák, amelyet Dr. Szabó Gábor és Gérard Mourou 2024 januárjában Csák János kulturális és innovációs miniszter társaságában tett Genfben. A genfi Transmutex céget a ma már 90 éves Carlo Rubbia Nobel-díjas (1984) olasz fizikus, a CERN egykori főigazgatója alapította 2019-ben abból a célból, hogy hasznosítsák a részecskefizikai kutatásokkal foglalkozó európai szervezetben létrejött tudást egy tórium alapú szubkritikus reaktor megvalósítására. Gérard Mourou közvetítésével a Transmutex és a Szegedi Tudományegyetem 2022-ben kötött a témában együttműködési megállapodást.

A szubkritikus reaktorok genfi kutatását a francia Nobel-díjas fizikus is támogatja; Gérard Mourou tavaly őszi interjúnkban arról beszélt, hogy egy ilyen reaktor a karbonmentes energiatermelés mellett felhasználható lenne az urán alapú radioaktív hulladékok transzmutációjára is. Üzemanyagként alkalmazható benne az olcsóbb és kevésbé veszélyes tórium is, amely neutronokkal kezelve alakul át 233-as uránizotóppá. A folyamat jellemzője, hogy amint megszűnik a külső neutronbesugárzás, a magreakció igen gyorsan leáll. Elméletileg sem lehetséges a reaktor „megszaladása”, túlhevülése, így a reaktor jóval biztonságosabb, ugyanakkor kisebb hatásfokú is, mint a maghasadáson alapuló hagyományos reaktorok. Részben ez utóbbi tulajdonsága miatt a nukleáris ipar csak mérsékelt lelkesedést mutat a tórium alapú reaktorok iránt.

Dr. Osvay Károly az SZTE Fizikai Intézet TeWaTi lézeres laborjában. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

Hogyan keltsünk neutronokat?

A svájci projektben is kulcskérdés, hogy milyen technológiával állítják elő a folyamathoz szükséges neutronokat. Itt válik fontossá Dr. Osvay Károly csoportjának lézeres neutronkeltési kutatása. A genfi fejlesztők ugyanis a szubkritikus reakció fenntartásához egy ciklotron részecskegyorsítóból nyernék a szükséges neutronsugárzást. (Magyarországon a debreceni ATOMKI-ban működik egy kutatási célú ciklotron berendezés). A ciklotronok egyik üzemelési sajátossága, hogy – ipari szempontból – viszonylag gyakran állnak le néhány másodpercre vagy éppen néhány percre. A szubkritikus reaktor ugyanakkor egy-két perces leállásnál hosszabb neutron-hiányt nem bír ki, akkor teljesen leáll. Az ilyen nem tervezett leállás utáni újraindítás több napot is igénybe vehet, ami energiatermelési szempontból nem megengedhető.

Dr. Osvay Károly szerint a lézeres neutron-forrás elvi előnye a ciklotronnal szemben az, hogy a szükséges neutronhozam létrehozását nem egy, hanem inkább 10-50 lézerrel lehet biztosítani. Annak a valószínűsége, hogy akár csak 2 lézer is egyszerre álljon le, igen kicsi. Ezért egy lézeres neutronforrás gyakorlatilag szünetmentesen tudja a kívánt neutronmennyiséget biztosítani.

A genfi céget érdeklik az SZTE és az ELI ALPS lézeres neutronelőállítási eredményei, de Dr. Szabó Gábor szerint korai arról beszélni, hogy ebben a még csak modellezési fázisban lévő szubkritikus reaktorban helyet kaphat-e a még csak kísérleti szakaszban lévő lézeres neutronkeltési eljárás. Az ELI ALPS vezetője szerint Transmutexnek nagy tapasztalata van a svájci Paul Scherrer Institute ciklotronjával, ezt tervezik továbbfejlesztve összekötni a tervezett szubkritikus reaktorral. A ciklotronos neutronforrással tehát már van tapasztalat, jól ismerik a hátrányait; ezzel szemben a világon sehol nem építettek még lézeres neutronelőállítási berendezést, és Dr. Osvay Károly sikeres kísérleteiből kiindulva is sok időre van szükség, amíg a lézeres neutron-forrás energiaipari felhasználása szóba kerülhet. Dr. Szabó Gábor előremutatónak látja a szubkritikus reaktorban való felhasználás javaslatát, de óv attól, hogy a magfúziós energiaforrás tervéhez hasonlóan erre is rátapadjon, hogy közeli eredményt ígér.

Fotó: Kovács-Jerney Ádám

Az SZTE és az ELI ALPS állítja elő lézeres úton a legnagyobb neutronhozamot a világon

Dr. Osvay Károly kutatócsoportja jelenleg újabb kísérleti kampányban dolgozik a lézeres neutronkeltés neutronhozamának és időbeni fenntartásának növelésén. Mint korábban beszámoltunk róla, a neutrongenerálási kísérletek során nagy csúcsintenzitású, nagyon rövid lézerimpulzusokat fókuszálnak egy elsődleges céltárgyra. A lézer plazmát kelt a céltárgy felületén, e plazmából a lézerimpulzus elektromágneses tere kigyorsítja az elektronokat, amelyek osztott töltésmezőt hoznak létre, és maguk után gyorsítják a céltárgyból származó deutériumionokat. Ezek a deuteron ionok belecsapódnak egy másodlagos céltárgyba, amelyben deutérium atomokkal találkoznak, és közöttük magfúzió következik be, ennek során pedig úgynevezett gyors neutronok lépnek ki.

A szegedi kutatók eddigi eredményei teljesen új paradigmát mutattak meg, hiszen 2022-ben igazolták, hogy a neutronsugárzás előállítása alacsony energiájú lézerekkel is lehetséges. A világon addig végzett lézeres neutronelőállítási kísérletekhez ugyanis hatalmas méretű lézerek százezerszer nagyobb energiájú impulzusait használták.

2023 májusára Dr. Osvay Károly és kutatótársai egy különleges folyadékhártya céltárgyat fejlesztettek ki, amelyet másodpercenként 10 impulzussal sikerült 6 órán át lőni. Ezzel százszorosára emelték a kiváltott neutronok számát, és igazolták, hogy lehetséges a folyamatos működés.

A csoport 2023 decemberében megkezdett jelenlegi kísérleti kampányában az ELI ALPS újonnan beüzemelt SYLOS 3 lézerrendszerét használja, amely a korábbi 20-30 mJ impulzusenergia helyett 100 mJ fölötti energiával, valamint másodpercenként 10 lövés helyett 1000 impulzussal lő a folyadékhártyára.

Az idei téli eredmények igazolták Dr. Osvay Károly várakozását: félperces időszakra már sikerült másodpercenként 10⁸ neutronszámot előállítani; ezt a hozamot a projekt első szakaszának céljaként jelölték meg 2020-ban. Ilyen neutronhozamot lézerrel sehol sem sikerült még elérni a világon.

A rákgyógyításhoz szükséges neutronhozam elérése a következő cél

Az úttörő kísérletet jól jellemzik azok a problémák is, amelyekkel Dr. Osvay Károly kutatócsoportja találkozott. A kampányban kiderült, hogy a megnövekedett másodpercenkénti lövésszám miatt a folyadékhártya céltárgy vezérlését is, és a neutronokat kibocsátó céltárgyat is tovább kell fejleszteniük:

– Az SZTE lézeres laborjában 100 lövés/másodperc frekvencián még jól működött a folyadékhártyát előállító vezérlő. Az ELI ALPS 1 KHz-es ismétlési frekvenciájú lézerén viszont kiderült, hogy 10-30 másodperc után töltésmegosztás lép fel és ez instabillá teszi a folyadékhártyát. A SYLOS3 lézer KHz-es tartománya miatt néhány percen keresztül annyi lövést adtunk le, mint tavaly májusban 4 és fél óra alatt, amikor folyamatosan mentünk. A másodpercenként 1000 lövéstől egy akkumulációs jelenség lépett fel az egymást követő lövések között, és a hártyát előállító folyadéksugarak vezérlőjén a piezokristályok plusz feszültséget kaptak. Ez egy idő után rángatni kezdte a folyadéksugarakat és bizonyos áram fölött a hártya instabillá vált. Ugyancsak kiderült, hogy amikor a folyadékhártyából kigyorsított deutériumok becsapódtak a catchernek nevezett második céltárgyba, ott a fúzió mellett felszabaduló gázok deformálták ezt a tizedmilliméteres tablettát, amelyből a neutronok kirepülnek. Ha a folyadékhártyát sikerült volna megtartani 10 percen keresztül, akkor ez a neutronkonverter olvadt volna le! Ezért most kétirányú fejlesztést végzünk az SZTE TeWaTi lézeres laborban: átalakítjuk az elsődleges folyadék céltárgy működtetését, illetve megpróbáljuk elkerülni a neutronkonverter leolvadását. Egyelőre tehát az az eredményünk, hogy három fajta neutrondetektorral mérve is kimutatható volt, hogy 10-30 másodpercre elértük a 10⁸ számú neutront. Azt várom, hogy szeptemberben legalább 30 percen keresztül egyfolytában tudunk majd ilyen neutronhozamot mérni.

Fotó: Kovács-Jerney Ádám

Dr. Osvay Károly biztos abban, hogy újabb, előre nem látható kísérleti problémákkal kell majd szembenézniük. Azt is valószínűnek tartja, hogy más megoldásokat fognak kipróbálni. Az SZTE Lézeres Transzmutációs Nemzeti Laboratórium első – a világjárvány miatt meghosszabbított – támogatási időszaka 2025 februárjában jár le.

- A következő ciklusra azt tűztük ki, hogy 5 éven belül a 10⁸ számú neutront felvisszük 10¹⁰ fölé, és ezt a hozamot napokon át tartó folyamatos működéssel tudjuk majd biztosítani. Ez már a különböző ipari, biológiai, orvosi alkalmazások szempontjából értelmezhető neutronszámot jelent majd. Jelenleg Magyarországon nincs ilyen hozamú neutronforrás. Az neutronhozamban ezzel összemérhető, de jelentősen alacsonyabb neutron intenzitást kínáló, lineáris gyorsítón alapuló, hagyományos neutronforrás engedélyezése még mindig folyamatban van; erre számos anyagtudományi projekt vár már régóta – mondta Dr. Osvay Károly.

A 10¹⁰ neutron/másodperc fölötti hozam a nukleáris energetika szempontból még nem lesz elegendő, de jó demonstráció a neutronforrás további fejlesztéséhez. Ekkora neutronforrásra építve egy alacsony, 1-2 wattos teljesítménnyel működő kísérleti szubkritikus reaktortechnológiát is lehetne tervezni a lézeres sajátosságok figyelembevételével. Dr. Osvay Károly szerint azonban pusztán csak technológiai szempontból is legkorábban 15 év múlva készülhetne el egy lézeres forrásra épülő szubkritikus reaktor, ennek engedélyeztetése pedig további éveket vehet igénybe.

Panek Sándor

Dr. Osvay Károly, az SZTE Lézeres Transzmutációs Nemzeti Laboratórium vezetője a Fizikai Intézet TeWaTi lézeres laborjában. Fotó: Kovács-Jerney Ádám