Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2005/11. 369.o.

A NEUTRONFIZIKA MÁSODVIRÁGZÁSA

Csikai Gyula
Debreceni Egyetem és
MTA Atommagkutató Intézet

Az atomenergia gyakorlati méretű felszabadításának lehetősége mind szabályozott, mind robbanásszerű formában bő 60 évvel ezelőtt bizonyítást nyert. A neutronok által vezérelt láncreakcióban keletkező energia optimális kihozatalára és hasznosítására, valamint a nukleáris erőművek biztonságos üzemeltetésére világszerte széles körű alap- és alkalmazott kutatási programok, valamint technológiai fejlesztések indultak. A fizika fejlődése szempontjából a neutron felfedezése (1932) volt a döntő, de a fizikai kutatások támogatását a neutron-kölcsönhatások egyik melléktermékének, az atommaghasadás alkalmazásának köszönhetjük. Hazánkban az első kísérleti atomreaktort 1959. március 29-én az MTA KFKI-ban helyezték üzembe 2 MW teljesítménnyel, de az ilyen irányú alapkutatást és képzést Budapesten és Debrecenben az 50-es évek elejétől számíthatjuk. A többéves oktatási tapasztalaton alapuló egyetemi jegyzetek már 1956-tól megjelentek [1-3], míg radioaktív (, n) neutronforrások (főleg a 210PoBe) felhasználásával új és a korábbinál pontosabb neutrondiffúziós paraméterek meghatározása történt [4-8]. Ezekben a kutatásokban a KFKI munkatársai közül Ádám András, Bata Lajos, Kiss István, Kosály György és Pál Lénárd, míg az ATOMKI Neutronfizikai Osztálya részéről, amely 1956-ban alakult, Csikai Gyula, Daróczy Sándor és Dede Kálmán Miklós vett részt. A KFKI kutatói másokkal szinte egy időben ismerték fel, hogy energiatermelő reaktorokban a nagyobb termikus hatásfok eléréséhez célszerű lenne a víznél jóval magasabb forráspontú (250-350 °C) szerves moderátorokat és hűtőközegeket, például polifenil-folyadékokat használni. Pál Lénárd és munkatársai Dowtherm-A esetén a termikus neutronok diffúziós hosszát és hőmérsékleti koefficiensét széles tartományra határozták meg, amely adatok e közegek neutrondiffúziós paramétereinek alkalmazásakor ma is referenciának minősülnek [9]. Kiindulva a Pál és munkatársai által alkalmazott módszer geometriai korlátaiból, Debrecenben sikerült olyan eljárást kidolgozni [8], amely a diffúziós hossz méréséhez használt 500-600 liter mintát néhány literre csökkentette, és így a pontosság mind a statisztika, mind a konstans hőmérséklet miatt kedvezőbb volt. Pál Lénárd ekkor javasolta, hogy a két csoport működjön együtt a neutrongáz-fizikai kutatásokban, mondván, meglehet, hogy ez a téma nem vezet eredményre, mivel a szerves közegek sugárhatás-kémiai folyamatait nem ismerjük eléggé, de a neutrontereket jellemző fizikai paramétereket a különböző alkalmazások miatt komplex rendszerekre is meg kell határozni, és erre a Debrecenben kidolgozott módszer kedvezőnek látszik. Észrevétele és javaslata annyira beigazolódott, hogy ezek a kutatások a "másodvirágzás" idejére is áthúzódtak. Kezdeményezte továbbá a kísérleti atomreaktornál is közös vagy független kutatások végzését. Ennek első eredménye a nagy aktivitású fotoneutron-források készítése és magfizikai alkalmazása volt, amelyet 1961-től a KFKI több munkatársával közösen végeztünk [10, 11]. A fotoneutron- forrásokkal 1 MeV alatti tartományban mért neutronadatokat, főleg az izomer hatáskeresztmetszet-viszony energiafüggését máig is sokan idézik. Érdemes megjegyezni, hogy ugyan a reaktornál az organikus kísérleti hurok csak 1963-ban került megépítésre, de ez így is a második volt a világon. A reaktor létesítését megelőzően a kísérleti kutatások mellett kiemelkedő elméleti eredmények is születtek. Ezek egyike a hasadási neutronszám ingadozását leíró elmélet, a Pál-Bell-egyenlet, amelyet már 1958-ban publikáltak, de igazolása csak a 60-as évek közepén sikerült, a KFKI ZR-3 kritikus rendszer üzembe helyezése után [12]. Az eredmény fontosságát bizonyítja, hogy ez a "másodvirágzás" feladatai között is kiemelten szerepel.

Szalay Sándor kezdeményezésére Debrecenben az 50-es évek elején elkezdődött a Van de Graaff gyorsító és a neutrongenerátor építése. Az alacsonyfeszültségű (300 kV) neutrongenerátort 1958-ban az ATOMKI-ban helyeztük üzembe [13], amellyel a neutronfizikai kutatások technikai háttere jelentősen bővült. A 2H(d,n)3He és a 3H(d,n)4He reakciókban (D+D, D+T) keletkező 3, illetve 14 MeV energiájú neutronokkal nagyszámú hatáskeresztmetszet meghatározása történt különböző atommagfolyamatokra, ami jól csatlakozott a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ) nukleáris kutatási és képzési programjához. A tanszéki Van de Graaff gyorsító fejlesztéséhez kapcsolódóan 1956-tól több eredmény került publikálásra, majd 1963-ban [14] az első magfizikai dolgozat, amely az integrális neutronhozam energiafüggésének meghatározására vonatkozott a 9Be(d,n) reakcióban. Ez a reakció a "másodvirágzás" egyik fontos szereplője. Ezekkel a kutatásokkal párhuzamosan a KFKI munkatársai 1957-től a neutrongenerátorok egész sorát fejlesztették ki [15], így például az NG-200 (1957), NA-1 (1964), NA-2 (1967) típusokat, és elkészült egy impulzusüzemű D+T-forrás is [16]. Itt kell megemlíteni, hogy a KFKI-ban 1960 októberében üzembe helyezték az első hazai tervezésű és építésű atomreaktort, a ZR-1 kritikus rendszert, amelyet a különböző célú ZR-modellek sok éven át sikeresen követtek. Ezek a nemzetközi együttműködésben folyó kutatások a Paksi Atomerőmű tudományos és technikai hátterét is biztosították, amelynek első blokkja 1983-ban kezdte meg az energiatermelést.

Debrecenben a neutronfizikai kutatások 1967-től a DE TTK Kísérleti Fizikai Tanszékén folynak, jelentős NAÜ-támogatással (technikai segélyek, kutatási szerződések, külföldi szakértői megbízatások, külföldi szakemberek csoportos és egyéni képzése, tanfolyamok vagy ösztöndíjak keretében, meghívás NAÜ-programok kidolgozására, felkérés szakmai jelentések készítésére és értékelésére, speciális eszközök tervezése és kivitelezése a fejlődő országok számára stb.). A NAÜ szakértői megbízatásai fontos részét képezte a KFKI által kifejlesztett kisméretű, mobil NA-1, NA-2 neutrongenerátorokra alapozott nukleáris kutatási és képzési programok meghonosítása a fejlődő országokban. Közben a kutatási lehetőségek Debrecenben is jelentősen bővültek, így például a tanszéki két saját fejlesztésű (az egyik nagyáramú) 180 kV-os és egy, a NAÜ által adott impulzusüzemű generátorral, egy 2×109 n/s hozamú 252Cf-forrással.

A fentiekben vázolt kutatási és fejlesztési időszakot tekintem a hazai neutronfizika első virágzásának, amelyben a kísérleti reaktor a csatlakozó mérőberendezésekkel a reaktorfizikai kutatásokon túl, a magfizika, a szilárdtestfizika, a nukleáris analitika, az izotóptechnika, a radiográfia terén meghatározó szerepet játszott. Ezeket az eredményeket foglalja össze az Akadémiai Kiadó gondozásában 1971-ben megjelent, 25 szerző által írt Neutronfizika című könyv, amelynek előszavában Pál Lénárd egyebek mellett a következőket írja: " .... a neutronfizikai vizsgálati módszereknek a molekuláris biológiában éppen úgy szerepük lehet, mint a magfizikában és a szilárdtestfizikában, .... de a csillagászatban is, .... láthatjuk, hogy intenzíven fejlődő tudományágról van szó .... "

A 60-as évek végén megjelenő olajválság felgyorsította az atomerőművek fejlesztését, beleértve a fúziós kutatásokat is, amelyeket különösen a NAÜ támogatott. Ezekben a programokban a budapesti és a debreceni kutatók éveken át érdemlegesen vettek részt kutatási szerződésekkel és megbízásokkal. A 80-as évek közepe a neutronfizika "másodvirágzását" eredményezte, egyrészt a Paksi Atomerőmű üzembe helyezésével, másrészt Debrecenben az MGC-20 ciklotron telepítésével. Ez utóbbi a 2H(d,n) és a 9Be(d,n) reakciókra alapozott, változtatható energiájú neutronforrások üzemeltetésével jelentősen új alap- és alkalmazott kutatási témák művelését eredményezte. A ciklotron Debrecenbe történő telepítését az előkészítés és a döntés szintjén Pál Lénárd segítette elő, egyensúlyt teremtve ezzel a KFKI és az ATOMKI között a nagyberendezések elhelyezését illetően, ami egyben jelentősen hozzájárult a vidék kutatási infrastruktúrájának fejlesztéséhez is.

Az éppen 20 éve kifogástalanul üzemelő ciklotron a neutronfizika hazai és nemzetközi együttműködésekben történő művelésében döntő fordulatot jelentett. Sikeres, hosszú távú kapcsolatok jöttek létre a világ sok intézetével (főleg Európában, az USA-ban, Japánban) és nemzetközi szervezetekkel (úgymint IAEA, CERN, JINR, INDC, EC-JRC IRRM, JSPS). A neutronforrásokat új detektálási és spektroszkópiai technikával kiegészítve érdemlegesen vehettünk és vehetünk részt az alábbi elvi és gyakorlati jelentőségű témák művelésében is:

  1. ) A tiltott (pl. kábítószerek) és veszélyes anyagok (taposóaknák, robbanószerek, nukleáris anyagok) észlelése [17]. Ismételten felmerült a neutrondiffúziós és -reflexiós paraméterek ismeretének igénye a szállító konténerekre és a komplex talajkörnyezetre [18, 19], továbbá a prompt hasadási neutronok multiplicitáseloszlási függvényének pontosítása a fontosabb aktinidákra az energia függvényében [20].
  2. ) Kiterjedt, komplex közegek neutronaktivációs és prompt sugárzásos analízise, főleg a fosszilis energiahordozók esetén a H-, C-, N-, O-, S-, Cl-, Fe-, Ca-, Si-, valamint környezeti mintákban az As-, Cd-, Hg-, Pb-koncentráció meghatározása [21]. Az aktivációs analízist az utóbbi években kidolgozott neutronspektroszkópiai módszerek jól egészítik ki [22].
  3. ) A kifolyási és a lokális neutronspektrumok mérésére kidolgozott módszerek (protonmeglökés [23], aktivációs küszöbdetektor [24]) a hasadásos és fúziós reaktorok továbbfejlesztéséhez, illetve tervezéséhez szükséges differenciális és integrális neutronadatok meghatározásán túl, több tudományterületet és társadalmi jelentőségű fejlesztéseket egyaránt szolgálnak. Így például a hidrogénkoncentrációt és mélységi eloszlását egyaránt igényli a nanotechnika, a fűtőanyagcella és más, hidrogénre alapozott energiaforrás fejlesztése.
  4. ) A spallációs neutronforrások és a szubkritikus reaktorok kombinációja reményt ad a radioaktív izotópok olyan átalakítására, amely az energiatermelés mellett a hulladékok tárolási gondjait is jelentősen enyhítheti [25]. Ezen bonyolult rendszerekben kialakuló neutronspektrumok, valamint differenciális és integrális reakciósebességek modellezésére jó lehetőséget kínál a 9Be(d,n) reakcióban keletkező neutronok különböző kölcsönhatásainak vizsgálata. Az ATOMKI ciklotronjának felhasználásával első lépésként a Pb-Bi eutektikus elegyre alapozott spallációs céltárgy tervezéséhez kiterjedt (140 kg) Bi-mintára a kifolyási neutronspektrum meghatározása történt [26], ami lehetővé tette az ENDF/B-VI és más adatbázisra alapozott MCNP-4C számítások alkalmazhatóságának ellenőrzését.
  5. ) A most jelentkező globális energiaválság előtérbe helyezi az alternatív energiaforrások kutatását, és ebben a termonukleáris reaktorok szerepét nem lehet mellőzni. Ennek köszönhető az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor ) programról 2005 júniusában történt pozitív döntés.

A fenti vizsgálatokat hazai és nemzetközi szinten jól egészítik ki a Budapesti Kutató Reaktorra, valamint a BME Tanreaktorára alapozott sokrétű neutronfizikai kutatások.

Irodalom
  1. SIMONYI K.: A reaktorfizika és reaktortechnika alapjai - Bp. 1956.
  2. LÉVAI A.: Atomerőmuvek - Bp. 1956.
  3. CSIKAI GY.: Neutronfizika - Bp. 1959.
  4. A. ÁDÁM, G. KOSÁLY - KFKI Reports 6/1 (1958)
  5. L. PÁL, L. BATA, I. KISS - Acta Phys. Hung. 10 (1959) 173
  6. CSIKAI GY., DARÓCZY S. - Magy. Fiz. Foly. 7 (1959) 507
  7. CSIKAI GY., DEDE K. - Magy. Fiz. Foly. 8 (1960) 1
  8. J. CSIKAI, A. DARÓCZY, K. DEDE - J. Nucl. Energy 15 (1961) 204
  9. K.H. BECKURTS, K. WIRTZ: Neutron Physics - Springer-Verlag, 1964, 370.
  10. CSIKAI GY., SCHADEK J. - ATOMKI Közl. 3 (1961) 59
  11. J. BACSÓ, J. CSIKAI, B. KARDON, D. KISS - Nucl. Phys. 67 (1965) 443
  12. JÉKI L.: KFKI - Budapest, Arteria Studio, 2001.
  13. BERECZ I., BORNEMISZA-PAUSPERTL P., NAGY J. - Magy. Fiz. Foly. 6 (1958) 431
  14. E. KOLTAY - Acta Phys. Hung. 16 (1963) 93
  15. KLOPFER E. - Informatika 7 (2004) 5
  16. A. ÁDÁM, L. BOD, Z. SZABÓ, I. SZEGHŐ - Acta Phys. Hung. 12 (1960) 107
  17. CSIKAI GY. - Fizikai Szemle 52/5 (2002) 146
  18. J. CSIKAI, CS.M. BUCZKÓ - Appl. Radiat. Isotopes 50 (1999) 487
  19. J. CSIKAI, E. HUSSEIN, U. ROSENGARD - Appl. Radiat. Isotopes 61 (2004) 1
  20. D.W. MUIR, M. HERMAN: Long term needs for nuclear data development, INDC(NDS)-423 - IAEA, Vienna, 2001.
  21. CSIKAI GY. - Fizikai Szemle 51/5-6 (2001) 169
  22. J. CSIKAI, I. EL-AGIB - Nucl. Instrum. Methods A 432 (1999) 410
  23. B. KIRÁLY, L. OLÁH, J. CSIKAI - Rad. Phys. Chem. 61 (2001) 781
  24. I. SPAHN, S.M. QAIM, S. SUDÁR, J. CSIKAI - NEMEA, Report EUR 21100EN (2004) 122
  25. Accelerator-driven Systems (ADS) and Fast Reactors (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycles - NEA, OECD 2002, France.
  26. A. FENYVESI, L. OLÁH, J. JORDANOVA, J. CSIKAI (közlésre előkészítve).

_________________________________________

Pál Lénárdnak ajánlva, 80-ik születésnapjára.