A nukleáris energiához kapcsolódó alkalmazott fizikai kutatások

A nukleáris (atom-) energiához kapcsolódó alkalmazott fizikai kutatásoknak az 1930–1950 közötti hőskor magyar vonatkozásai közismertek, sőt beépültek a világ általános műveltséghez tartozó ismeretanyagába is. E téren történelmi jelentőségű, hogy Szilárd Leó 1934-ben szabadalmi bejelentést tett a láncreakcióra, pontosabban annak két lényeges elemére: a 2 hatványaival növekvő neutronszaporodásra és a szükséges kritikus tömegre. (Ugyanakkor az alkalmas anyagok sorát sorolta fel, köztük az uránt is, de pl. tévesen a berilliumot.) Ez a szabadalmi bejelentés gondolati bázisra épült, hiszen az ezzel kapcsolatos kísérleti eredmények csak 1939-ben születtek meg (O. Hahn és F. Strassmann). A sok egybecsengő visszaemlékezés alapján elfogadható, hogy e bejelentéssel Szilárd Lord Rutherford egy 1933-ban tett kijelentésére reagált („Akik az atomi átalakulásokban gyakorlatilag is használható energiaforrást szeretnének látni, délibábot kergetnek”). Rutherford pontosan tisztában volt azzal, hogy a nukleáris bomlás energiatermelő folyamat, de arra gondolt, hogy a kedvező ütközések száma kis valószínűségű; ez igaz is lenne, ha a primér részecske (a neutron) egyúttal nem termék is, mégpedig 2n-nel sokszorozódó termék. Ez utóbbi Szilárd Leó felismerésének lényege és újdonsága.

1939-ben Fermi Szilárd Leóval a Columbia Egyetemen megtervezte az első atomreaktort (atommáglyát), amelyet Fermi Wigner Jenő közreműködésével 1942-ben üzembe is helyezett.

Teller Ede a II. világháború vége felé, bekapcsolódva a „bomba-tervbe”, kidolgozta a fúziós energiára épülő bombát. Teller, alapkutatásai révén a legnagyobb alkalmazott fizikusok közé tartozik.

Hevesy György Nobel-díjas kémikus nevéhez fűződik a hafnium és számos egyéb izotóp felfedezése. A Nobel-díjat 1944-ben kapta „a kémiai folyamatok kutatása során az izotópok indikátorként való alkalmazásáért”.

Kevésbé közismert a reaktorfizika közvetlen hazai vonatkozásának története: a {IV-123.} kezdetek kezdetét az jelentette, hogy 1959-ben üzembe helyezték a KFKI-ban a 2 MW hőteljesítményű VVRSZ reaktort. A reaktort szovjet szakemberek tervezték, a berendezéseket – kevés kivétellel – a Szovjetunióból szállították, a telepítés is szovjet szakemberek irányításával valósult meg. A reaktornak alapvető generáló szerepe volt a magyar reaktorfizika megteremtésében. Fogadókészségét elősegítették azok a korábbi munkák, amelyeknek két vezető egyénisége Szalay Sándor és Simonyi Károly volt.

A reaktor indításakor felmerült problémák tisztázására megépült az SR-1 jelű szubkritikus reaktor, amelyen Szabó Ferenc vezetésével kritikussági kísérletek folytak. Ezt a berendezést 1961-ben kritikus rendszerré alakították át. Ez volt a ZR-1 kritikus rendszer, amelyen kipróbálták az alapvető reaktorfizikai kísérleti módszereket. A ZR-1-en szerzett tapasztalatok alapján 1963-ban helyezték üzembe a ZR-2 kritikus rendszert. Ezen meghatározták a kutatóreaktor (EK-10 típusú) fűtőelemeiből felépített reaktorrácsok fizikai tulajdonságait. Az itt kapott kísérleti eredmények már elméletileg interpretálhatóak voltak, továbbá az itt szerzett metodikai tapasztalatok a későbbi kutatások kiindulását jelentették. A kutatóreaktor 1965–1967 között végrehajtott teljesítményemelését a ZR-3 kritikus rendszeren végzett kísérletek alapozták meg. Hasonló szerepet játszott a BME oktatóreaktorának a létesítésében a ZR-5 kritikus rendszer (1970). A reaktorkinetikai kísérletek céljait szolgálta a ZR-4 kritikus rendszer (1966). E kísérletek vezetői Gyimesi Zoltán, Szatmány Zoltán, Túri László és Valkó János voltak.

Az 1950-es évek végén közzétett kutatási, fejlesztési eredmények megismerése vezetett arra a felismerésre, hogy a hagyományos energiahordozó-készletekben szegény Magyarországon a közeljövőben atomerőműveket kell építeni, és ez megfelelő számú, jól felkészült hazai szakemberek nélkül nem sikerülhet. Amellett, hogy magyar fiatalokat iskoláztak be szovjet egyetemekre, meg kellett teremteni a hazai oktatás bázisát is. Ebben az ELTE, a Veszprémi Vegyipari Egyetem és a debreceni KLTE is ért el eredményeket, de legszisztematikusabb oktatásfejlesztési munka a BME-n kezdődött. Ebben részt vett Simonyi Károly és Fodor György, de vezéralakja Lévai András volt. Irányításával a BME Gépészmérnöki Karon mind graduális, mind posztgraduális szinten átfogó reaktorfizikai, atomenergetikai képzés alakult ki.

A BME oktatóreaktorát 1971-ben helyezték üzembe. Születésének alapvető jelentőségét az adta, hogy ez az első teljes egészében hazai tervezésű, kivitelezésű atomreaktor, amelynek berendezései – az üzemanyagon kívül – is hazai gyártmányok. Ezt alapvetően a KFKI-ban addigra kialakult kutatógárda és az általuk megépített ZR-rendszerek, az ERŐTERV-ben megszervezett tervezőgárda, valamint a BME-n lévő oktató- és kutatókapacitás tette lehetővé. A gondolat felvetése Lévai András és Kökény Mihály érdeme. A reaktor eredeti 10 kW maximális hőteljesítményét 1981-ben 100 kW-ra emelték. Az oktatóreaktor első vezetője Csom Gyulavolt.

A KFKI-ban 1959-ben üzembe helyezett kutatóreaktor hőteljesítményét 1967-ben 5 MW-ra növelték. Ekkor tértek át a VVRSz-M típusú, 36% dúsítású fűtőelemekre. A megnövelt fluxus kiterjesztette az alkalmazási lehetőségeket, elsősorban az izotópgyártás, a magfizika, a szilárdtest-fizika, a kémia (forróatom-kémia, aktivációs analízis, sugárhatás-kémia) és a fémek sugárkárosodása területén. 1991-ben újabb rekonstrukció történt; azonos fűtőelemekkel, de 10 MW hőteljesítménnyel tovább nőttek a reaktor felhasználási lehetőségei. Az említett területeken kívül új alkalmazási terület a hidegneutron-forrás alkalmazása.

Magyarországon 1966-ban vált elérhetővé a nagy teljesítményűnek minősülő számítógép, {IV-124.} amely segítségével elkészült az első reaktorfizikai számítási modell. E munka vezetője Szatmány Zoltánvolt. A modell felépítése lehetővé tette a reaktorfizikai problémáknak tisztán számítási úton való megoldását. Először a ZR-2 kritikus rendszeren kapott mérési eredményeket ellenőrizték. Hamarosan kiderült, hogy a magfizikai adatok pontosítása nélkül kielégítő számítási pontosságot remélni nem lehet. Ez utóbbi területen Vértes Péter végzett Magyarországon úttörő munkát. A reaktorfizikai számítások és a kritikus rendszereken kapott kísérleti eredmények nemzetközi elismerést vívtak ki.

Reaktorkinetika és fluktuációk. A reaktorok működésében lényegi szerepet játszó ingadozási jelenségek elméletének nemzetközi szinten elismert kidolgozása Pál Lénárd nevéhez fűződik. Munkásságának kísérleti folytatása a ZR-1 és ZR-2 kritikus rendszereken történt. E témakörnek az energetikai reaktorokra való kiterjesztésének legjelentősebb hazai alakja Kosály György. A reaktorok időfüggő jelenségeivel kapcsolatban jelentős eredmények születtek a reaktivitásmérés területén. Az ezzel összefüggő kísérleti kutatások vezetője Valkó János volt.

A magyar atomerőmű. 1966-ban Magyarország kormányközi megállapodást kötött a Szovjetunióval egy 4 db VVER-440-es blokkból álló atomerőmű magyarországi megépítésére. Az első blokkot Pakson, 1982 végén helyezték üzembe. Az építés jelentős hazai közreműködéssel valósult meg. Ennek lehetőségét az a szisztematikus hazai kutató, fejlesztő és oktatási tevékenység teremtette meg, amiről az előző pontokban szóltunk. Ennek köszönhető a magas szintű üzemeltetési munka, s az, hogy a hazai atomerőmű elismerten az összes VVER-440-es atomerőmű közül világviszonylatban is igen előkelő helyet foglal el biztonsági szempontból.

A magyar nukleáris energetika kezdettől fogva nem kívánt kulcsrakész atomerőművet építeni, ugyanakkor jelentős hazai részvételre számított. Ez a felfogás találkozott a magyar reaktorfizikusok elképzelésével, akik kezdettől fogva kinyilvánították a hazai atomenergetikai programban való részvételi szándékukat; ez meghatározta a hazai kutatások tematikáját és célkitűzéseit. A paksi atomerőmű létesítése a magyar kutatóbázis és ipar példás együttműködését hozta. Ebben nem a reaktorfizikáé volt a döntő szerep, de a biológiai védelem (KFKI, BME Nukleáris Technikai Intézet) méretezése és a reaktor neutronfizikai tervezése (Kondor András és Szatmáry Zoltán) területén jelentős hazai eredmények születtek.

A BME Nukleáris Technikai Intézet munkatársai a biológiai védelmi kutatásokban és a sugárvédő betonok minősítésében elért eredményeiket hasznosan kamatoztatták a paksi atomerőmű építése során. (E munkát Csom Gyula irányította.) Az intézet által kifejlesztett speciális műszerek segítik az atomerőmű munkáját A reaktordozimetriai, neutronspektrometriai kutatások a reaktortartály sugárkárosodásának vizsgálatában, s ezen keresztül az atomerőmű élettartambecslésében hasznosultak. A fűtőelemek állapot-ellenőrzését alapvetően elősegítették az intézetben folyó radiokémiai kutatások (Vajda Nóra, Keömley Gábor, Molnár Zsuzsa). Az atomerőmű biztonságos üzemeltetését garantáló szakemberek képzését alapvetően segíti az intézetben kifejlesztett alapelvi szimulátorok sora (Csom Gyula, Aszódi Attila, Élő Sándor, Fehér Sándor).

Aktivációs analitikai kutatások. A BME Nukleáris Technikai Intézetben kezdettől fogva egyik fő kutatási terület a neutronaktivációs analitika volt (Keömley Gábor, Bódizs Dénes, Molnár Zsuzsa). Ez mind módszerfejlesztésre, mind a módszer alkalmazásán alapuló kutatásra is kiterjedt. Kiemelkedő a régészeti kutatásokban való, nemzetközileg is úttörőnek számító részvétel. Ennek első hazai vezetője Bérczi János volt, halála után Balla Márta vette át e feladatot.

{IV-125.} További eredmények. A Szovjetunió az 1970-es évek második felében kezdett hozzá a perspektivikusnak tekintett VVER-1000 reaktortípus fejlesztéséhez, és fellépett azzal az igénnyel, hogy ebben az érdekelt országok is részt vegyenek. Ennek érdekében 1972-ben kormányközi egyezmény született egy Ideiglenes Nemzetközi Kollektíva (INK) létrehozásáról, amelynek keretében Bulgária, Csehszlovákia, Lengyelország, Magyarország, az NDK, Románia és a Szovjetunió kutatói a VVER-1000 reaktortípus számítására szolgáló számítógépi programok létrehozására, valamint az e programokat kísérletileg ellenőrző fizikai alapadatok mérésére szolgáló kutatásokat végeznek. A korábbi kritikus rendszereken végzett kísérletek és a reaktorfizikai számítások területén elért sikerek alapján a KFKI kapott megbízást ennek a kísérleti programnak az irányítására. A kísérleti program alapjául az erre a célra Magyarország által épített ZR-6 kritikus rendszer szolgált, amelynek az üzemanyagát a Szovjetunió térítésmentes kölcsön formájában bocsátotta rendelkezésre. Az INK vezetője a KFKI mindenkori főigazgatója volt. A vállalkozás fő szervezője Gyimesi Zoltán, a ZR-6 üzemvitelének vezetője Gácsi Lajos,az egész nemzetközi együttműködés tudományos vezetője Szatmáry Zoltán volt. A reaktorfizikai számítások területén Gadó János, a reaktorsztatikai mérések területén Túri László, majd Vidovszky István, a reaktorkinetikai mérések területén Valkó János játszott vezető szerepet. Az INK 1972–1990 között működött. Dokumentált és tovább használható eredményeket szolgáltattak a reaktorsztatikai kísérletek. Utólag megállapítható, hogy ezek jelentik a világ egyik legnagyobb léptékű reaktorfizikai kutatási programját, amelyben 10 országból 100 kutató vett részt. Eredményeit nemzetközi szinten számon tartják és hasznosítják. A kapott kísérleti eredmények végső dokumentálása várhatóan 1999-ben záródik le (Szatmáry Zoltán és Vidovszky István).

Újabb eredmények. A magyar reaktorfizikának a ZR-6 program utáni legjelentősebb eredménye a KARATE programrendszer. Két változata a VVER-1000 és a VVER-440 számítási modellje (Dévényi András, Gadó János, Keresztúri András, Makai Mihály és Maráczy Csaba). A Monte Carlo-számítások hazai úttörője Lux Iván és Koblinger László. A paksi atomerőműben üzemi géppé vált az aktív zóna monitorozására szolgáló VERONA rendszer, amelynek létrehozásában vezető szerepet játszott Adorján Ferenc, Lux Iván, Valkó János és Végh János.

Az alkalmazott kutatások között kiemelkedő jelentőségűek a KFKI-ben a paksi atomerőmű működéséhez kapcsolódó vizsgálatok. Ezeknek részeként az acélból készült reaktortartályok, illetve a cirkónium fűtőelem-burkolatok sugárzás okozta anyagszerkezeti elváltozásait vizsgálják; itt a valóságosnál gyorsabban hozhatják olyan állapotba az acélt, amilyenbe az Pakson évtizedek alatt kerülne, így könnyedén megbecsülhetik azok élettartamát.

A reaktor felhasználási lehetőségei 2000-től kiteljesednek, ugyanis hamarosan üzembe helyezik az úgynevezett hidegneutron forrást, amely tulajdonképpen egy reaktorba helyezett hidrogéncella. Az ebből kilépő, nagyon lassan mozgó neutronoknak az anyagokba való behatoló képessége sokkal jobb, mint az eddig alkalmazott részecskéké. Így kisebb erőfeszítéssel, sokkal többet megtudhatnak a minták tulajdonságairól, szerkezetéről. Az Európai Unió szakemberei éppen a hidegneutron forrás miatt választották be a csillebérci reaktort az ötödik kutatási keretprogram támogatásra meghirdetett nagyberendezései közé.