A neutron felfedezése

James Chadwick cambridge-i fizikus 1932-ben először a Royal Society kiadványában, majd a Nature-ben tette közzé tanulmányát, amelyben bebizonyította a neutronok létezését (Chadwick, 1932a,b), és ezért a munkájáért 1935-ben Nobel-díjat kapott. Chadwick felfedezése a neutronkutatás gyors fejlődéséhez vezetett, sőt ez a felfedezés történelmi áttörést jelentett a tudományban. A semleges részecske, a neutron mélyen be tud hatolni az anyagok belsejébe, képes áthatolni a legnehezebb elemek magján is, és/vagy széthasítani azt. Ez a lehetőség előkészítette az utat az atombomba, vagyis a nukleáris fegyverkezés, illetve az atomenergia békés célú felhasználása felé. Így a neutron felfedezése nemcsak a tudományban jelentett hatalmas előrelépést, hanem nagyban befolyásolta az emberiség sorsának alakulását, a 20. század történelmét is.

Chadwick felfedezése lehetővé tette, hogy az uránénál nagyobb atomsúlyú elemeket is előállítsanak laboratóriumi körülmények között. A semleges részecske megismerése vezetett a lassú neutronok által beindított magreakciók vizsgálatához (Enrico Fermi), valamint a maghasadás jelenségének kimutatásához (Lise Meitner) – majd ez indította el végül is az atombomba kifejlesztéséért folyó versengést a második világháború alatt. Magyar tudósok is igen hamar bekapcsolódtak a neutronok kutatásába. Wigner Jenő már 1933-ban cikket közölt a kisenergiás neutron-proton szórásról. Ez és később Teller Ede cikke (1937) az orto- és parahidrogénen való neutronszórás elméletéről nagyban hozzájárult a magerők spinfüggésének kimutatásához. 1934-ben Szilárd Leó kidolgozta és szabadalmazta a neutronok által keltett maghasadás és láncreakció elvét. Hevesy György 1934-ben  kidolgozta a neutronaktivációs analízis alapjait. A harmincas-negyvenes években Szilárd, Teller és Wigner alapvető szerepet játszott az atombomba, a hidrogénbomba, illetve az atomreaktorok létrehozásában – mindhárman kiemelkedő személyiségei voltak a Manhattan-programnak (az első amerikai atombomba fejlesztése). Ugyanakkor a leghatározottabban felléptek az atomenergia háborús célú felhasználása ellen. Itt érdemes megemlíteni, hogy a „nukleáris korszak” egyik legfontosabb mérföldköve az ENSZ égisze alatt 1955-ben, Genfben aláírt egyezmény az atomenergia békés célú felhasználásáról. Ez az egyik legfőbb biztosítéka annak, hogy Hirosima és Nagaszaki óta nem vetettek be nukleáris fegyvereket az emberiség ellen.

A nyolcvanadik évforduló kapcsán érdemes felidézni néhány más magyar vonatkozású „felezési időt”: éppen negyven éve annak, hogy Mezei Ferenc (1972) Budapesten felfedezte a neutron spin-echo elvét, ami újabb áttörést hozott a neutronkutatásokban, és bátran mondhatjuk: ez az elmúlt fél évszázad legjelentősebb magyar kíséleti eredménye a természettudományos kutatásokban. Húsz évvel ezelőtt indult újra egy teljes körű modernizáció után az első hazai atomreaktor, amely ma a hazai, sőt közép-európai neutronkutatás fő bázisa. Az atomi felbontású neutronholográfia elvét Cser László javasolta, és éppen tíz éve, hogy az egyik első neutronhologram fényképét a legrangosabb fizikai folyóirat a címoldalán közölte (Cser et al., 2002). (A holográfiáról és perspektíváiról alább bővebben is írunk.)

A neutronkutatások területei

A neutronok kutatásának és alkalmazásának, vagyis tudományos, ipari, egészségügyi hasznosításának számos önálló ágazata alakult ki. Ezek egy részét már egy 1971-es magyar nyelvű monográfia is jól felöleli (Kiss – Quittner, 1971). Az elmúlt nyolcvan év során külön területként kifejlődött tevékenységeket itt röviden, szinte csak felsorolásszerűen említjük. A neutronok mint részecskék tulajdonságainak kutatása a felfedezéstől a mai napig folytatódó izgalmas feladat. A neutronok töltésének és mágneses momentumának (illetve alaki tényezőjének) meghatározása a neutronoknak az anyagokkal való kölcsönhatását leíró elméletek megalkotásához vezetett, ami megalapozta a neutronok használatát az anyagi tulajdonságok vizsgálatában – ez ma a neutronkutatások legnagyobb területe. A magfizika természetesen a neutronokkal kapcsolatos egyik alaptevékenység – az atommagok felépítésének felderítése, az elemek izotópjainak feltérképezése, a maghasadás és a mesterséges radioaktivitás jelenségeinek felfedezése – révén vezetett a mai nukleáris kutatások és alkalmazások, a nukleáris energetika és más technikák kialakulásához. A neutronszórás, azaz a mag- és mágneses szóródás a kondenzált rendszerek szerkezetvizsgálataiban vált nélkülözhetetlen módszerré, és különösen az anyagtudományok területén gyors ütemben talál technológiai és ipari alkalmazásra, így a műszaki tudományokban, gépészetben, új anyagok (mágneses, optikai anyagok, polimerek, üvegek, szerves-szervetlen kompozitok) előállításában, nanotechnológiában, energiatárolásban és -átalakításban, biotechnológiában, kémiai technológiákban, sőt újabban a biológiai, geológiai és régészeti kutatásokban is. A neutronoptika, vagyis a neutronok mint elektromágneses hullámok optikai jelenségei számos izgalmas kutatási problémát vetnek fel. A neutroninterferometria mind a neutronok hullámtulajdonságainak kutatásában, mind pedig anyagvizsgálati feladatok megoldásában sok érdekes eredményt produkált. Az ún. magkémia az n-gamma reakciók kémiai alkalmazása révén fejlődött ki, ennek egyik ága az aktivációs analitika (Hevesy György, kémiai Nobel-díj: 1943), illetve a prompt-gamma aktivációs analízis, amely az egyik legérzékenyebb modern elemanalitikai módszernek számít, és ebben hazai kutatók ma úttörő szerepet játszanak.

A reaktorfizika, illetve a neutronok szerepének kutatása és hasznosítása a maghasadás okozta láncreakció folyamatában a neutronok különféle alkalmazásai közül is a legszélesebb körű és társadalmi hatását tekintve a legnagyobb jelentőségű terület. Az első reaktoros láncreakciót a chicagói „atommáglyában” indították be 1942-ben. A reaktorfejlesztések a háború után nagy léptekkel haladtak a vezető nukleáris nagyhatalmaknál, számos ún. zéró-reaktort építettek kutatási célokra. Az ötvenes években fejlesztették ki San Diegóban a TRIGA-reaktorokat, melyek „még egy ifjú fizikus hallgató kezében is biztonságosak” (Teller Ede szavai, aki a fejlesztést vezette); és a mai napig több mint hatvan ilyen reaktort helyeztek üzembe. Az energiatermelő reaktorok különböző változatai az 1950-es évek közepén jelentek meg, ma mintegy 450 erőművi reaktor üzemel a világban. 1958-ban épült fel Kanadában (Chalk River) az első olyan atomreaktor, amelynek a fő célja neutronnyalábok előállítása, illetve az anyagkutatás volt. A világ eddigi legsikeresebb neutronkutató intézete a grenoble-i nagy fluxusú reaktor, amely Institut Laue-Langevin (ILL) néven 1972 óta üzemel nemzetközi központként, ennek 2005 óta Magyarország is tagja.
A 20. század végétől a szabad neutronok, illetve neutronnyalábok előállítására az ún. spallációs források építése került előtérbe. Egy spallációs forrás olyan részecskegyorsítóra épülő nagyberendezés-komplexum, amely intenzív neutronnyalábokat állít elő főként anyagszerkezet-kutatási feladatokra. A forrás bázisa egy nagy teljesítményű lineáris protongyorsító, ehhez csatlakozhat egy szinkrotron tárológyűrű. A linac-ból direkt vagy a szinkrotronból kilépve a nagyenergiás (közel fénysebességű) protonok egy target-állomást táplálnak. A targetben a protonok egy nehézfém (pl. volfrám, higany, tantál) céltárgynak ütköznek, amelynek atommagjait „felaprítják” – a folyamatban gyors neutronok szabadulnak fel, majd lelassítva nyalábbá lehet őket formálni, és neutronvezetőkön az anyagvizsgálati kísérleti berendezésekhez juttatni. Az európai spallációs forrás projekt, az ESS lényegi koncepciójában magyar kutatási eredményekre alapozó tervezet – a Mezei Ferenc által javasolt hosszú-impulzusú forrás (Mezei, 1995) – minden tekintetben a világ legjobb neutronkutató központja lesz a várható 2019-es indulással a svédországi Lundban. A spalláció másik típusú alkalmazása, ha a targetben keletkező neutronokat nem lassítják le, hanem a gyors neutronok magátalakítási kísérletekre vagy nehézionnyalábok előállítására szolgálnak. Ilyen projekt az EURISOL, amely a 2020-as években épülhet meg. Az új generációs neutronforrások, mint az ESS vagy EURISOL lehetőségei 10–100-szorosan is meghaladják a mai kutatási célú atomreaktorok lehetőségeit úgy, hogy közben nem keletkezik hasadóképes radioaktív hulladék, így környezetvédelmi és társadalmi elfogadtatás szempontjából kedvező technológiára épülnek.

Neutronkutatások Magyarországon

A magyarországi kísérleti neutronkutatásnak közel hatvan éves múltja van (Csikai, 2005). A tényleges neutronos kísérletek a „csillebérci atomreaktornál” indultak be. A reaktor megépítéséről 1957-ben született döntés, és alig két évvel később, 1959 márciusában lett kritikus ez a VVR-típusú (vízzel moderált, vízzel hűtött reaktor – az elvet Wigner Jenő szabadalmaztatta), szovjet tervezésű és kivitelezésű reaktor. 1986 és 1992 között – ezúttal hazai tervezés és kivitelezés alapján – lezajlott egy teljes körű felújítás és modernizáció. A folytatólagos eszközfejlesztési programnak köszönhetően a kísérleti állomások köre jelenleg is bővül, megújul. A reaktorfelhasználó laboratóriumok (az Energiatudományi Központ és a Wigner Fizikai Kutatóközpont egységei) BNC néven (Budapest Neutron Centre, URL1) felhasználói konzorciumként egyesültek: a BNC kísérleti szolgáltatásokkal nyitva áll a hazai és nemzetközi kutatói közösségek számára; elismert tagja az európai felhasználói neutronközpontok hálózatának (Rosta – Baranyai, 2011).

A magyarországi neutronkutatás fő bázisa tehát az MTA csillebérci kutatóreaktora, mely az elmúlt húsz évben – mint az egyetlen európai léptékű hazai kutatási infrastruktúra – a társadalmi hasznosulás fontos intézményévé vált mind a tudományos, mind a nemzetgazdasági tevékenységek tekintetében. Itt bemutatjuk a reaktorhasználat fő területeit, illetve összegyűjtöttünk néhány említésre méltó példát a hazai neutronkutatás elmúlt időszakának eredményéből, valamint bemutatunk olyan területeket, ahol a reaktorhasználat közvetlen társadalmi haszna gyorsan és hatékonyan érvényesül.

A Budapesti Kutatóreaktor (BKR) gyakorlatban hasznosuló legfontosabb „alkalmazása”, hogy az MTA Energiatudományi Központjában (EK) az évtizedek folyamán létrejött az a szaktudás és biztonsági kultúra, amely lehetővé teszi, hogy az EK mind a Paksi Atomerőmű tudományos bázisintézményeként, mind pedig az Országos Atomenergia Hivatal műszaki szakértő intézményeként sikeresen vehessen részt a hazai atomenergetika legkülönbözőbb problémáinak megoldásában. A BKR egyben tudományos és fejlesztési eszközként is szolgál, amely az energiakutatások más területein is kiemelkedő szerepet játszik, elsősorban az energiatakarékosság és energiatermelés területén (például: új anyagok kifejlesztése energiatermelés és -tárolás céljára, anyagkutatás és fejlesztés végzése fúziós energia előállítására vagy új generációs reaktorok támogatására, további energiatakarékos technológiák, szupravezetők fejlesztése).

A kutatóreaktor olyan komplex sugárforrás, amelyet anyagelemzéshez, nanotechnológiai, műszaki, egészségügyi stb. vizsgálatok elvégzéséhez használnak. A legismertebb tevékenység az egészségügyben és az iparban használható radioaktív izotópok előállítása. Az Izotóp Intézet Kft. hazánkban mintegy hatvan kórházat lát el az általa előállított izotópokkal – ez a népesség közel 5%-át érintő orvosdiagnosztikai beavatkozást és különböző terápiás kezelést jelent.

A BKR legkiterjedtebb hasznosítása a neutronnyaláb-kutatás. Ennek a tevékenységnek az eredményeképpen jelentős számú, fontos kísérleti eredmény született (beleértve PhD- és szerződéses alapú munkákat is). Például 2011-ben mintegy kétszáz kísérletet végeztek el a kutatóreaktort használó intézetek (azaz a BNC) munkatársai. Számos kísérlet külföldi kutatóintézetekből, egyetemekről, ipari vagy más kutatólaboratóriumokból érkezett felhasználó együttműködésével valósult meg. A BNC intézetei több EU-keretprogramban megvalósuló projektben szerepelnek partnerként. Komoly elismerés volt a BNC számára 2009-ben, az EU 6. Keretprogramja által támogatott NMI3 projekt záró ülésén, hogy a program égisze alatt megvalósult közel ezer kísérletből négy európai szakértő harminckét kiemelkedő jelentőségű kísérletet emelt ki, és ezek közül tizenegyet a Budapesti Neutronközpontban végeztek el. Ez is jól mutatja, hogy a térség fejlődő régióiból érkező felhasználók sok izgalmas ötletet hoznak magukkal a BNC-be.

A nukleáris kutatások területén megvalósuló egyetemi oktatás csakúgy, mint a posztgraduális és szakmai képzés, mindig hangsúlyos feladat volt a BNC-ben. 1999 óta rendszeresen megszervezzük a regionális eseménnyé vált Közép-Európai Neutronszórási Iskolát (CETS). Fejlődő országokból érkező kutatók számára rendszeresen rendeznek négy-hathetes tanfolyamokat, melyek során szintén kiemelten jut szerephez a berendezés használata.

A következő részben néhány tipikusnak mondható példát láthatunk a Budapesti Kutatóreaktorban végzett kísérletek közül, amelyek az ország kutatás- és fejlesztéspolitikája által fontosnak ítélt projektekhez kapcsolódnak. Ezek egyike az energiakutatás, hiszen döntő fontosságú feladat hosszú távon kidolgozni az energiafüggőség és -ellátás kockázatai minimalizálásának módját. A Magyarországon termelt elektromos energia 40%-a nukleáris energiából származik, és a tervek szerint az atomenergia jelenléte az ország energiaellátásában továbbra is számottevő marad. A Paksi Atomerőmű 2012-es kormányrendeletben előirányzott bővítési programja a kapcsolódó K+F-tevékenységek bővítését is szorgalmazza. Számos probléma van napirenden, amelyet széles körben lehet neutronmódszerekkel vizsgálni, itt csak egy, a témában jellemzőnek mondható példát mutatunk be. A nátrium-boroszilikát üvegek jelenleg az érdeklődés középpontjában állnak, mivel radioaktív hulladék (példdául UO3 vagy PuO2) tárolására alkalmas befogadó közeg izolálására megfelelő anyagok. Neutrondiffrakciós méréseket végeztünk (Fábián, 2011) hatkomponensű befogadó üvegen, UO3 hozzáadása előtt és után. A cirkónium rendkívüli hatékonyságát az üveg- és a hidrolitikus tulajdonságok stabilizálásában az jelenti, hogy a cirkóniumionoknak erős hálózatteremtő szerepük van, miközben az uránionokat 6-os koordinációjú oxigénatomok veszik körül az 1,6–3,4 Å intervallumban – a hálózatozódás miatt rendkívül stabil kötésben.

Másrészt a megújuló energia környezetvédelmi szempontokat is figyelembe vevő, tiszta felhasználható energiává alakítása szintén fontos kutatási terület. A következő részben bemutatott vizsgálat erre példa. Számos bioinspirált napenergia-átalakító rendszer a szilárd hordozóra kötött katalizátorrétegek használatára épül, ahol például hidrogén vagy hidrogénben gazdag gáz termelhető. Az ilyen katalitikus reakciók energiaellátását a fotoszintéziséhez hasonló módon lehet megoldani. A nagyobb növények kloroplaszt tilakoid membránja magasan szervezett multilamelláris rendszert alkot. Az ezekben a

rendszerekben elhelyezkedő nagyszámú fehérjekomplexumból áll a fotoszintetikus apparátus. Vizsgálatunkban a mezo-szintű szerkezetváltozásokat tanulmányoztuk teljesen működő tilakoid membránokban a befogadó közegben (ionerő, ozmolaritás), fényerősségben és hőmérsékletben bekövetkező változások után. Kisszögű neutronszórás-méréseket végeztünk a membránok rendezett szakaszainak lamelláris struktúrájában az elsőrendű Bragg-csúcs kimutatására; egy másik, nagyon enyhe csúcsot pedig a tilakoid lemezek nem rendezett szakaszán másodrendű Bragg-csúcsaként értelmeztünk. A fényerő-változtatás folyamata közben szerkezetváltozások voltak megfigyelhetők, vagyis a fotoszintetikus tulajdonságokkal való kapcsolat egyértelmű.

Egy másik, szintén az energiakutatáshoz kapcsolódó kísérlet kiválóan illusztrálja, milyen központi szerepet játszanak a neutronok hidrogénérzékenységükből adódóan a kutatások egy részében. Egy projektben katalitikus anyagokat vizsgáltak a prompt gamma aktivációs analízis (PGAA) egyedülálló lehetőségeit kihasználva a hidrogén jelenlétének és mennyiségének kimutatására még zárt térben elhelyezett anyagokban is. Egy speciális katalitikusreakció-cellát építettek és installáltak a PGAA-berendezésben in situ kémiai analízis elvégzésére. Az alkinek/alkének szelektív hidrogénezése lehetséges palládium katalizátoron. Az eredményekből világosan látható volt, hogy a nem szelektív hidrogénezés hidrogéntelített b-hidriden folytatódik, míg szelektív hidrogénezés csak a felületi események intenzív tulajdonságainak kettéválasztása után lehetséges. Következésképpen számos katalitikus anyag felülete alatti régiók is fontos szerepet játszhatnak az adott anyag komplex katalitikus funkciójában.

Egy izgalmas példa az autóipar területéről. Közismert, hogy a gépjárműipar új technológiai fejlesztéseinek legnagyobb része a versenyautók fejlesztéséből származik. Az alábbiakban egy rövid példát mutatunk be egy Formula-1-es autón elvégzett neutronvizsgálatra. A kísérletekben kisszögű neutronszórással (SANS) tanulmányoztuk a széles körben használt AlSi2CuNiMg-ötvözetből készült igazi dugattyúkban előforduló kiválások mikrostrukturális kialakulását. A vizsgálatot a világbajnok Ferrari csapat új és használt dugattyúkoronáin végeztük. A SANS-görbéket mindkét dugattyú öt különböző pontján mértük meg, a lehetséges gócpontokon (1. ábra). Az új minta központi részein izotrop szórás volt megfigyelhető, a dugattyú oldalsó részein azonban a szórás anizotroppá vált, jelezve a gyártás által előidézett textúra jelenlétét. Az Al-Mg-Si-ötvözetek mechanikai jellemzői igen érzékenyek a hőkezelésekre. A működési hőmérséklet általában nagyon közel van az elöregedési hőmérséklethez, és a korona egyes részein meg is haladja azt. Összehasonlítottuk a mechanikai tulajdonságok öregítési kezeléssel előidézett változásait a kiválások szerkezetében bekövetkezett változásokkal, és kimutatható volt a korai stádiumban jelentkező mikrorepedések terjeszkedése. Az eredmények elősegítették a gyártási technológia optimalizálását, és hozzájárultak a motor élettartamának jelentős növeléséhez (Rogante et al., 2005).

Atomi felbontású neutronholográfia. A Nobel-díjas Gábor Dénes által felfedezett holográfia olyan képalkotási technika, amely egy tárgy háromdimenziós képét rögzíti, a tárgyról reflektálódó hullám és egy segédhullám interferenciája segítségével. A neutron-holográfia elvét Cser László és munkatársai (2002) dolgozták ki és valósították meg, vagyis sikerült neutronokkal is „lefényképezni” egy kristályban az atomok elhelyezkedését. A neutronholográfia képes direkt módon mérni a helyi rácstorzulásokat a kristályrácsban, vagy fel tudja térképezni a mágneses rendet. Könnyedén előrejelezhető, hogy a nem is olyan távoli jövőben a neutronholográfia mintázatfelismerő eljárásokkal kombinálva nagyon ígéretes eszközzé fog válni – a neutronok hidrogénérzékenységének köszönhetően – például a biológiai szerkezetanalízisben. A 2. ábrán Pb-Cd egykristályrácsa, azaz 12 ólomatom háromdimenziós képe látható a kadmiummag körüli 0,35 nm sugarú gömbön.

Tipikus példa az élelmiszerbiztonság témaköréből. Évente több milliárd tonnányi keményítő kerül az élelmiszerpiacra. A modern élelmiszergyártás fejlődésének egyik kulcskérdése a keményítő emészthetőségi szintjének és mennyiségének meghatározása. Különböző kísérleti feltételek mellett a keményítőoldatok fizikai és kémiai jellemzőit, illetve szerkezetét tanulmányoztuk, ezért háromfajta keményítőt vizsgáltunk kisszögű neutronszórással: burgonya-, búza- és kukoricakeményítőt. A mintákat különböző eljárásokkal hoztuk létre; különböző hő- és nyomásértékek mellett oldatokat, szuszpenziókat és géleket állítottunk elő. A keményítőszemcsék szerkezete véges számú lemezként modellezhető: kristályos, illetve amorf régiók rendeződnek lamelláris szerkezetbe. A SANS-mérésekből tipikusan a nanométeres mérettartományú szemcsék, illetve lamelláris szerkezet voltak összehasonlíthatóak a háromféle keményítőben. A legkifejezettebb különbség a szuszpenziók esetében volt megfigyelhető, amelyeket szobahőmérsékleten készítettünk el, majd in situ mértünk különböző koncentrációkban és hőmérsékleten. A búzakeményítő szemcséi széttöredeztek, míg a vizes szuszpenzióban jelentős mennyiségű lamelláris szerkezetű fragmentum volt jelen. A búzakeményítő géles formájában különböző hőmérsékleteken a lamellák eltérő lemezvastagságot mutattak. Míg a kis koncentrációjú szuszpenziókban a búza- és kukoricakeményítő mintáin nem tapasztaltunk hőmérséklet- és koncentrációfüggést, addig a burgonyakeményítő-oldatok szerkezete szignifikánsan változott a koncentráció függvényében. Ez pedig megegyezik azzal a tapasztalattal, hogy a burgonyakeményítők emészthetőségét erősen befolyásolhatja a feldolgozás módja.

Végezetül a kulturális örökség témaköréből is megemlítünk példákat. A BNC részt vesz a CHARISMA elnevezésű EU-FP7 projektben, mely Európa legjelentősebb múzeumait (British Museum, Louvre, National Gallery London, Prado stb.), illetve természettudományi kutatóközpontokat, nevezetesen analitikai kutatási infrastruktúrákat egyesít (Kasztovszky, 2011). A nemzetközi együttműködésnek köszönhetően számos rendkívül érdekes vizsgálati tárgy és probléma került így hozzánk. Példaként az igen szerteágazó területekről származó régészeti leletek vagy történelmi vonatkozású kérdések tekintetében érdemes megemlíteni a Kárpát-medencei kőkori leletek (horvát, szerb, romániai múzeumokból), különböző európai reneszánsz üvegek (belga, lengyel, német múzeumokból), középkori fegyverek (angol, olasz, magyar gyűjteményekből) eredetének és korabeli előállítási technológiáinak vizsgálatát. Kiterjedt vizsgálatokat végeztünk az ókorban igen elterjedt, díszítőként használt lapis lazuli féldrágakövek eredetéről (Kasztovszky – Rosta, 2012). Például egy szíriai királysírból előkerült ékszereknél prompt-gamma aktivációs analízissel és neutrondiffrakcióval kimutattuk, hogy a leletek közül néhány nem igazi lapis lazuli kő, hanem az egyiptomi kéknek nevezett hamisítvány, azaz sikerült egy 3500 éves hamisított ékszert azonosítani (3. ábra). Ugyancsak kiemelendő egy londoni gyűjteményből hozzánk érkezett, az emberiség legrégibb vaseszközének feltételezett, egyiptomi sírból származó lelet bevizsgálásának eredménye. A neutron- és röntgen-analitikai mérések alátámasztották azt a feltételezést, hogy a „vasgyöngyök” anyaga meteorit; sőt a neutrontomográfiai átvilágítással először sikerült egy olyan felfedezést tenni, amely kimutatta az egyik rendkívül korrodált, 5200 éves „vasdarabról”, hogy az egy lemezzé lapított kiindulási anyag összehajtogatásával, vagyis a meteoritdarab tudatos megmunkálásával készült.

A neutronkutatások társadalmi haszna

A metodikai vizsgálatok, illetve a neutronmérő eszközök fejlesztése mindig is a BNC tevékenységének homlokterében voltak. Ez a fejlesztési készség és ennek technológiai transzferje jelentősen hozzájárult ahhoz, hogy ma a világ egyik vezető neutronműszer-gyártó kapacitása a KFKI-ban, a reaktor bázisán létrejött spin-off cégek révén épült ki.

Példaként az egyik friss fejlesztést mutatjuk be. Mezei Ferenc az ún. hosszú impulzusú neutronforrás koncepció előterjesztésekor egyúttal a neutronok repülési idő technikájának átfogó kutatását is javasolta. Például ilyen az ún. időablak-többszöröző repülésiidő-monokromátor koncepciójának optimalizált szupertükrös neutronvezetőkből és nyalábszaggató tárcsarendszerből álló berendezésként megvalósítható terve. Az első ilyen kísérleti berendezést néhány évvel ezelőtt a Budapesti Kutatóreaktor egyik termikus neutronnyalábján valósítottuk meg. Erre az elvre alapozva saját beruházásként építettük meg az egyik legsikeresebb berendezésünket, a nagy felbontású TOF-spektrométerünket. Ma ez a módszer széles körben terjed a világban és számos ilyen épülő berendezéshez magyar vállalatok szállítják a komponenseket.

A BKR-nél 1992 óta kiépült neutronkutatási infrastruktúra, a 15 mérőállomást tartalmazó berendezésegyüttes szinte kivétel nélkül egyedi tervezés és kivitelezés alapján valósult meg, hazai vállalkozások részvételével. A szériagyártású kereskedelmi komponenseket leszámítva a beruházási érték mintegy 90%-a magyarországi beszállítások révén realizálódott, vagyis összértékben a beszerzés/kivitelezés 70–80%-ban hazai terméknek tekinthető. A megvalósításban közvetlenül szerződött vállalkozások száma – a gépészet, elektronika, számítástechnika, finommechanika, vákuumtechnika, optika stb. területén – az elmúlt tíz évben húsz-huszonöt.

Másfelől a BKR kutatási/technológiai bázisán fejlődött ki, és működik stabilan egy specializált neutronkutatási műszergyártó kapacitás, amely jelentős exportárbevételt produkál. Ezek a spin-off cégek a KFKI-telephelyen működnek, a BKR-t fejlesztő és minőségellenőrző bázisként napi szinten használják. Az érintett kisvállalkozások elmúlt tíz évi összforgalmának minimum 90%-át a neutronműszer-export képezi. Az egy évtizednyi teljes forgalom 8,6 millárd forintot tesz ki. Termékeik a világ szinte minden jelentős neutronkutatási laboratóriumában (Ausztráliától Kínán, Japánon, Indián, Amerikán át az európai centrumokig) megtalálhatók (URL2). E kisvállalkozások közel 50 munkatárssal dolgoznak. Az elmúlt tíz évben az ő alvállalkozásukban foglalkoztatott cégek száma elérte a százhúszat. Ezek zömében szintén kisvállalkozások, de van közöttük jelentős multinacionális nagyvállalat is, például a General Electric.

A reaktorhasználat tudományos és gazdasági hozadékát röviden az alábbiak szerint összegezhetjük. Az utóbbi évek BKR-es kiemelkedő eredményeiből néhányat fent bemutattunk. Évente száztíz-százhúsz nemzetközi publikáció születik. A különböző pályázatokkal, illetve megbízásokkal kapcsolatos tevékenységek beszámolóinak, jelentéseinek száma húsz-huszonöt. Számottevő oktatói tevékenység is kapcsolódik a kutatásokhoz: tíz-tizenkét PhD-munka készül folyamatosan, hazai és nemzetközi szakmai kurzusok biztosítják az utánpótlást. Az elmúlt tíz évből a neutronkutatás, illetve reaktorhasználat főbb gazdasági adataiból itt csak néhányat emelünk ki. Foglalkoztatás: 250 fő az a létszám, amely a reaktor üzemeltetése nélkül nem létezne. A hazai kutatási pályázatok száma folyamatosan 30–40 közötti, a nemzetközieké 15–20. A pályázatok kumulált összege névértéken tíz év alatt közel hárommilliárd forint. A kapcsolódó gazdasági tevékenység (izotópgyártás, -forgalmazás, műszergyártás stb.) évi árbevétele kb. 1,2 millárd Ft, azaz a reaktor üzemköltségének (beruházás és fűtőelem nélkül) kb. kétszerese.

A tudomány népszerűsítésében különösen a régészeti vagy autóipari témák bemutatása látszik eredményesnek. Nemcsak rangos nemzetközi szakfolyóiratokban, hanem népszerűsítő fórumokon is történik ezek bemutatása. Az a tapasztalatunk, hogy például a kulturális örökség kutatási témái kiválóan hozzájárulnak a hazai társadalmat foglalkoztató kérdések megválaszolásához: a laikusok számára is könnyen érthetően lehet a nukleáris technikákról (pl. fémtárgyak „átvilágíthatóságáról” vagy elemösszetétel alapján történő eredetazonosításról) alapvető tudományos ismereteket tolmácsolni, és ezáltal a kutatással nem foglalkozók érdeklődését is könnyen fel lehet kelteni a természettudományos munka iránt, sőt szemléletes magyarázattal lehet szolgálni az egyébként elvontnak és költségesnek vélt reaktoros kutatásokról.

A Budapesti Kutatóreaktor rekonstrukció utáni nemzetközi nyitása óta eltelt húsz év tapasztalata azt mutatja, hogy a nukleáris energia termelésének felépítése, a reaktorok megbízható, gazdaságos és biztonságos üzemeltetésének segítése mellett a felfedező kutatások eredményei, a gazdasági hasznosulásba gyorsan forduló alkalmazások, a műszergyártás támogatása nemcsak az ország tudományos presztízsét és általános kulturális színvonalát emelik, hanem közvetlen gazdasági hasznot is hajtanak.
 

Kulcsszavak: neutron, anyagszerkezet, energiakutatás, régészet, eredetazonosítás, műszergyártás
 

IRODALOM

Chadwick, James (1932a): The Existence of a Neutron. Proceedings of the Royal Society A. 136, 692–708. DOI: 10.1098/rspa.1932.0112 • WEBCÍM

Chadwick, James (1932b): Possible Existence of a Neutron. Nature. 129, 312. • WEBCÍM

Cser László - Török Gy. - Krexner G. - Sharkov, I. - Faragó B. (2002): Holographic Imaging of Atoms Using Thermal Neutrons, Physical Review Letters. 89, 175504, 1–4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.89.175504

Csikai Gyula (2005): A neutronfizika másodvirágzása, Fizikai Szemle. 11, 369. • WEBCÍM

Fábián Margit (2011): Urántartalmú boroszilikát üvegek szerkezetvizsgálata diffrakciós és RMC szimulációs módszerrel. Fizikai Szemle. 61, 5, 145. • WEBCÍM

Kasztovszky Zsolt (2011): A Budapesti Neutronközpont szerepe az európai kulturális örökség kutatásában - CHARISMA. Magyar Tudomány. 10, 1238-46. • WEBCÍM

Kasztovszky Zsolt – Rosta László (2012): How Can Neutrons Contribute to Cultural Heritage Research? Neutron News, 23, 25. DOI: 10.1080/10448632.2012. 645689

Kiss Dezső - Quittner Pál (szerk.) (1971): Neutronfizika. Akadémiai, Budapest

Mezei Ferenc (1972): Neutron Spin Echo, A New Concept in Polarized Thermal Neutron Scattering. Zeitschrift für Physik. 255, 146. DOI: 10.1007/BF01394523

Mezei Ferenc (1995): Long Pulse Concept of Spallation Sources, Acta Physica Hungarica, Wigner Memorial Volume 1. 3–4, 209–226.

Rogante, Massimo – Lebedev, V. T. – Nicolae, F. – Rétfalvi E. – Rosta L. (2005): SANS Study of the Precipitates Microstructural Evolution in Al 4032 Car Engine Pistons. Physica B - Condensed Matter. 358, 224–231. DOI: 10.1016/j.physb.2005.01.240

Rosta László – Baranyai Rózsa (2011): Budapest Research Reactor – 20 Years of International User Operation. Neutron News. 22, 31–36. DOI: 10.1080/10448632.2011. 598805 • WEBCÍM

URL1: Budapest Neutron Centre • WEBCÍM

URL2: Világszínvonalú neutronkutató eszközök. Gazdasági Tükörkép Magazin. 2011. november 8, 15. • WEBCÍM