Egy lépéssel közelebb kerültek az atomenergia egyik problémájának megoldásához az SZTE kutatói

2019-ben kötött szakmai együttműködési megállapodást a Szegedi Tudományegyetem, a párizsi École Polytechnique és a kaliforniai székhelyű Tri Alpha Energy (TAE) vállalat. A nemzetközi projekt célja egy olyan lézeres technológia kifejlesztése, amely könnyebbé teszi a nukleáris erőművek hulladékának lebontását. A kutatók mérföldkőhöz értek.   

A nukleáris hulladék megfelelő kezelése az egész emberiség számára kiemelten fontos. A magyar energetikai politika egyik fő kihívása, hogy 2030-ra az országban az elektromos energia döntő többségét szén-dioxid-kibocsátás nélkül állítsák elő. Ezt a célt nukleáris energia nélkül nem lehet teljesíteni. A paksi blokk garantálja Magyarország ellátását, de az erőmű biztonságos és stabil működése mellett legalább olyan fontos a keletkező hulladék kezelése is. Ennek megoldásában segíthet a lézeres úton előállított, neutronokon alapuló transzmutátor. A használt fűtőelemekben jelenlevő, hosszú felezési idejű nukleáris hulladékot stabil vagy gyorsan lebomló magokká alakító lézeres neutronforrás kifejlesztését Magyarország Kormánya mint nemzeti kutatási programot három évre, összesen 3,5 milliárd forinttal támogatja.

A nukleáris hulladékkezelés egyik speciális problémáját kutatja 2019 óta az SZTE egy nemzetközi projektben, amelyben részt vesz az ELI-ALPS lézeres kutatóközpont, a párizsi École Polytechnique és a kaliforniai székhelyű Tri Alpha Energy (TAE) vállalat.

„A használt fűtőelemekben sugárzó anyagok nagy többsége erősen sugároz, éppen ezért viszonylag gyorsan lebomlik. Körülbelül 500 év tárolási idő után a mérhető sugárzásnak több mint a fele már a kezdetben csak elenyésző százalékban (1 tonna kiégett fűtőelemben, amely egyébként 3-5 évig működtet egy reaktort, mindössze 2,5 kg!) jelen lévő hosszú élettartamú elemektől, úgynevezett aktinidáktól származik, amelyek sokkal tovább sugároznak, akár évmilliókig is. Az, hogy jóval hosszabb ideig kell tárolni ezeket a fűtőelemeket, csak az aktinidák miatt szükséges” – mondta el Prof. Dr. Szabó Gábor, aki a kutatás kezdetekor még a projekt szakmai vezetője volt, azóta a szegedi lézerközpont éléről koordinálja a kutatást.

A kutatók tehát nem a radioaktív hulladékot semmisítik meg, hanem annak kezelésének egy jelentős problémájára keresik a megoldást.

A megoldást a particionálás és a transzmutáció jelenti, vagyis az, hogy a nukleáris hulladék különböző komponenseit szétválasztják, majd a hosszú felezési idejűeket transzmutációval átalakítják. Ezzel az eljárással elérhető, hogy a sugárzó atommagok olyan magokká alakuljanak, amelyek gyorsabban bomlanak le, vagy egyáltalán nem sugároznak.

A szegedi központtal zajló nemzetközi projektben arra a kérdésre keresik a választ a kutatók, hogy a transzmutáció beindításához szükséges neutronok előállítása megoldható-e lézeres gyorsításon alapuló eljárással. Ha igen, akkor az a költség- és energiahatékonysága miatt az eredeti transzmutációs elképzelést a gyakorlatban is megvalósíthatóvá tenné.

„A projekt első két évében, a koronavírus-járvány keltette nehézségek ellenére sikerült nemcsak a teljes nyalábvonalat megtervezni, és a közbeszerzéseket az SZTE adminisztráció hathatós segítségével hatékonyan lefolytatni, de az ELI-ALPS-ban két elő-kísérletet is végezni. Ezekben kimutattuk, hogy az ELI-ALPS-ban lévő nagyon rövid lézerimpulzusokkal azok energiájához képest meglepően nagy energiájú protonokat tudunk gyorsítani, nagyon jól összetartó nyalábokban” – emelte ki az eddigi kutatási eredményeket Dr. Osvay Károly, a projekt végrehajtására alakult, SZTE Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium szakmai vezetője.

Az együttműködés folyamatos a Nobel-díjas Gérard Mourou, az École Polytechnique professzora révén, aki párizsi egyetemi munkatársaival együtt vesz részt a kutatásban. Az amerikai partnercégnél pedig a szegedi mérési eredmények alapján aktualizálják a szimulációkat, modellezéseket. Minden résztvevő elégedett az eddigi munkával, és reményeik szerint folytatódik a közös projekt.

„A legutóbbi, 2021 decemberében lezajlott kísérletsorozatban nagyon fontos mérföldkőhöz érkezett a csapat. Az ELI-ALPS-ban megépített, immáron végleges nyalábvonalunkon végrehajtott első kísérletsorozatban sikerült kimutatnunk, hogy a lézerrel gyorsított deuteron ionokkal neutronok kelthetők. Sőt, az ATOMKI munkatársai által kifejlesztett detektor rendszerekkel azt is kimutattuk, hogy lézerlövésenként legkevesebb 1500 neutron keltődött. Ez többszöröse annak, amit három évvel ezelőtt a University of Michigan-en, hasonló lézerrendszerrel elértek. Ez a projekt életében egy óriási eredmény, az első mérföldkő a lézeres transzmutáció és egyéb alkalmazások felé. Hiába számolja ki ugyanis az ember, hogy neutronoknak kell keletkeznie, amikor ez egy kísérletben valóban kiderül, az olyan, mint amikor Kolumbusz először megpillantotta a földet Amerika felé hajózva. Ott kellett lennie, de, hogy valóban ott van, az egy kisebb katarzis. Az elkövetkezendő két évben azon dolgozunk majd, hogy a lövésenkénti neutronszámot megsokszorozzuk, illetve a másodpercenkénti lövések számát a jelenlegi több milliószorosára emeljük” – tudtuk meg Dr. Osvay Károlytól.

A kutatás újabb lendületet kaphat egy most zajló másik, a korábbiaknál jóval biztonságosabbnak tűnő nukleáris technológiai fejlesztés révén. Ez a tórium alapú energiatermelés, amely a néhány évtizeddel ezelőtti amerikai és a német kísérletek után Ázsiában már a gyakorlati alkalmazás küszöbén áll.

Dr. Osvay Károly szerint a tórium-alapú nukleáris reaktorok előnye, hogy azok „megszaladása” nem lehetséges. Azaz, majdhogynem bármilyen üzemzavar esetén a maghasadás (és energiatermelés) leáll. Ugyanakkor tórium alapú erőművek akkor működnek, ha a tóriumot kívülről neutronnal besugározzák. Ehhez – a transzmutációhoz hasonlóan – kiváló lehetőséget biztosítana a lézeres alapú neutron- előállítás. Amellett, hogy ez valószínűleg költséghatékonyabb lenne, mint a gyorsítókon alapuló úgynevezett szpallációs neutrontermelés, még üzembiztonságban is sokat javítana. Nevezetesen, a neutronforrás több tucat lézeren alapulhat, amelyek közül, ha netán az egyik teljesítménye csökken, akkor azt a többi pótolni tudja. Ilyen redundancia az egyetlen gyorsítón alapuló neutrontermelésnél nem érhető el.

A nemzetközi összefogásban megvalósuló projekt Szegedet, az ELI-ALPS-t és egész Magyarországot reflektorfénybe helyezheti a tudományos világban. Gérard Mourou úgy fogalmazott az ELI-ALPS Fókusz interaktív látogatóközpontjának megnyitó ünnepségén, hogy azért fontos, hogy fizikusnak menjenek a fiatalok, mert lehet, hogy ők fogják megmenteni a bolygót. Hiszen az emberiségnek hamarosan környezetbarát és biztonságos energiaforrásokra lesz szüksége a jelenlegiek kiapadása és környezetre gyakorolt hatása miatt.

„A lézeres alapú iongyorsításnak és neutron-előállításnak a fenti, energiatermeléssel összefüggő vonatkozásai mellett több, társadalmilag is igen hasznos, jelentősen rövidebb idő alatt gyakorlati alkalmazásban megjelenő hasznosulása is lehet. Az elkövetkezendő hónapokban Hideghéthy Katalin csoportjával tervezünk radiobiológiai kísérleteket, amelyek a protonterápia – az egyik leghatékonyabb rákterápia – forradalmasításához vezethetnek. Szintén a közeljövőben orvosi izotópok előállításának első kísérleteit is végrehajtjuk, amelyek a mindennapos orvosi gyakorlatban jelenthetnek jelentős előrelépést” – mondták el a kutatás vezetői.

Csatolva is küldjük közleményünket és fotókat az ELI-ALPS lézeres laborjairól. Fotó: SZTE Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium.