Sajtónyilvános eseményen, az újságírókkal közösen várta a fiziológiai és orvostudományi Nobel-díj bejelentését a Szegedi Tudományegyetem vezetősége 2023. október 2-án, az egyetem központi épületében. Az SZTE kutatóprofesszorát, Karikó Katalint évek óta az esélyesek között tartották számon, és idén meg is kapta a tudományos világ legjelentősebb elismerését. A Szegedi Tudományegyetem élőben kapcsolta az SZTE történetének második Nobel-díjasát, Amerikából.
A Szegedi Tudományegyetemen működő Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium kutatócsoportja Dr. Osvay Károly fizikus vezetésével a világon elsőként igazolta, hogy kis energiájú, rövid impulzusú lézerrel lehetséges a folyamatos neutronkeltés. A projektben aprólékos tudományos és műszaki újításokkal elérték a másodpercenkénti 108 neutronszámot, ami jelenleg világrekordnak számít. Neutronkeltési nyalábvonaluk mára már az ELI ERIC felhasználói programjának kínálatában is szerepel, amin belül további sugárbiológiai- és orvosi célú izotópkészítési kutatásokat kezdeményeztek. A transzmutációs projekt első periódusának lezárása alkalmával február 7-én nemzetközi konferenciát rendeznek az ELI ALPS lézeres kutatóközpontban. Előtte Dr. Osvay Károlyt kérdeztük a lézeres transzmutációs kutatás öt évéről.
– A lézeres transzmutációs kutatási programban önök az alapoktól építettek fel egy lézer alapú neutron nyalábvonalat. Mi a projekt célja, miért a transzmutáció szerepel a nevében?
– A transzmutációs kutatási programot egy kormányrendelet hívta életre 2019 márciusában. Mivel az ország a nukleáris energia mellett tette le a voksát, számolnunk kell azzal, hogy a nukleáris energia melléktermékeivel kezdeni kell valamit. A transzmutációs eljárás lényege, hogy egy megfelelő neutronforrás segítségével olyan eszközt lehet építeni, amivel a kiégett fűtőanyagokban lévő, nagyon hosszú ideig sugárzó izotópokat nagyságrendekkel rövidebb ideig sugárzó izotópokká lehet alakítani. A jelenlegi nemzetközi szabályozás szerint minden országnak magának kell gondoskodnia a radioaktív hulladékok tárolásáról, így a kiégett nukleáris fűtőelemekről is. A püspökszilágyi tározó nagyjából megtelt, jelenleg a bátaapáti tározó fogad kis és közepes aktivitású hulladékokat. A nagy radioaktivitású hulladékok, például a kiégett fűtőelemek, itthoni elhelyezésére folynak az előkésztő műveletek. Ezeket a tározókat úgy kellene elhelyezni, hogy a sugárzási idejük alatt, 2-300 ezer éven keresztül biztonságban legyenek. A transzmutációval ezt a hosszú időt mindössze pár száz, maximum ezer évre lehet csökkenteni. Márpedig ehhez már lehet – tipikusan föld alatti – építményeket tervezni, hiszen az emberi történelemben sok olyan épület van, ami több ezer éves.
– Miért kellettek a lézerek a neutronkeltéshez? Hiszen neutronok a nukleáris folyamat során is felszabadulnak…
– A transzmutációval foglalkozó kutatók egyik elképzelése szerint a hosszasan sugárzó izotópokat egy úgynevezett szubkritikus reaktorban lehetne kezelni, egy külső neutronforrás segítségével. Ez a szubkritikus reaktortípus csak addig működik, amíg a külső neutronforrás sugároz. A nukleáris folyamat a reaktorban is sok neutront termel, de éppen nem annyit, amennyi elegendő a fáklya fenntartásához. Ezért a reaktor technológiailag teljesen biztonságos, nem tud megszaladni. Ha öt percen keresztül nincsen neutronforrás, akkor leáll az egész. Ez egyben a szubkritikus reaktor problémája is, mivel olyan külső neutronforrás kell a meghajtásához, ami önmagában stabil. Ez a stabilitás az ipari felhasználás miatt fontos, mert leállni könnyű, az újraindítás azonban két-három napos procedúra, ami az ipari termelés szintjén nem megengedhető. És itt jönnek be a lézerek. A külső neutronforrást jelenleg lineáris gyorsítók, ciklotronok biztosíthatják. Ezek jó eszközök, tudományos és ipari célra is használják őket, de e gyorsítóknál meglévő üzemkimaradások ilyen célra kétségessé teszik a megtérülési gazdasági mutatókat. Az üzemidejük körülbelül 95 százalékig biztosított, a statisztikák szerint hetente-kéthetente fordul elő öt percnél hosszabb leállás. A lézeres neutronelőállításnál ezt teljesen ki lehet küszöbölni. Ha megfelelő számú lézerrel dolgozunk, akkor a rendelkezésre állási időt 99 százalék fölé lehet vinni, vagyis ipari-gazdasági szempontból stabil lesz a neutronforrás. Ehhez egy lézeres neutronforrást kellett fejleszteni. Ebbe vágtunk bele, 5 évvel ezelőtt.
Osvay Károly fizikus (SZTE Fizikai Intézet Optika és Kvantumelektronika Tanszék) Gérard Mourou Nobel-díjas fizikus társaságában az ELI ALPS-ban. Fotó: Balázs Gábor
– Hogyan lehet lézerekkel neutront kelteni?
– A kísérletsorozat legelső részeként kutatócsoportunk az ELI-ben megvizsgálta, hogy rövid impulzusú lézerekkel hogyan lehet egyáltalán részecskéket gyorsítani, a gyorsított részecskékkel pedig hogyan lehet neutront kelteni. Lézerrel úgy állítunk elő neutront, hogy a lézernyalábot ráfókuszáljuk egy megfelelő céltárgyra, egy fóliára, amelyen így plazma keletkezik. A lézer maga fény, vagyis elektromágneses hullám, ami hat a plazmában lévő töltött részecskékre. Ugyanúgy, mint ahogyan a hagyományos televízió is egy részecskegyorsító volt, felgyorsította az elektronnyalábot és ez ütközött a képernyőbe, az idősek még emlékeznek rá, a hagyományos tévéhez ezért nem volt ajánlott egy méternél közelebb ülni. A lézerrel mindössze néhány tíz mikrométeres úton tudjuk jelentős energiára gyorsítani ezeket a töltött részecskéket. Az első céltárgyból kigyorsított töltött részecskék ezután egy második céltárgyba csapódnak, és ott attól függően, mekkora az energiájuk, nukleáris folyamatokat indíthatnak el. Így keletkezik a neutron. Az alapvető jelenséget kísérletileg először a ’80-as években demonstrálták a világ akkori legnagyobb energiájú, hosszú időtartamú (térben jónéhány méter hosszú) lézerimpulzusaival. A Nobel-díjas Gérard Mourou, valamint Toshiki Tajima professzorok éppen az ellenkezőjét javasolták: induljunk ki viszonylag kis energiájú, de időben nagyon rövid, térben egy hajszál vastagságának tizede hosszú impulzusokból. Gérard Mourou azóta az SZTE kutatóprofesszora lett, és előad a pénteki konferencián is. A stabilitáson kívül ennek az elrendezésnek az ipari alkalmazhatóság szempontjából van egy másik Achilles sarka is, a ráfordítás/haszon arány, vagyis az is fontos, hogy a rendszer jó hatásfokú legyen. Az ő eredeti számolásuk szerint rövid impulzusú lézerekkel 40-50 százalékos hatásfokkal lehet részecskét gyorsítani.
– Amikor elkezdték, nem voltak még kísérleti eredmények, csak a szimulációkra hagyatkoztak?
– Nem tudtuk előre, hogy a rövid impulzusú lézerekkel végzett gyorsításnak ténylegesen milyen a hatásfoka. Olyan rövid impulzusú lézerekkel, mint az ELI-ben lévők, korábban nem végeztek ilyen kísérleteket. Szakmailag is kétséges volt az elején, hogy ilyen kis energiájú lézerekkel egyáltalán létrejön-e a gyorsítás. Mi bebizonyítottuk, hogy létrejön, és utána több kísérletsorozatban feltérképeztük e gyorsítás fizikáját, majd neutront is keltettünk. Először csak lézerlövésekként és másodpercenként néhány száz neutront keltettünk, aztán ezer fölé, majd tízezer fölé mentünk, végül nemcsak, hogy lövésenként több tízezer neutront keltettünk, hanem a lövések számát megnöveltük. 10 Hz ismétlési frekvencián kezdtük, ami azt jelenti, hogy másodpercenként 10-et lőttünk. Tavaly ilyenkor már másodpercenként 1000 lövést adtunk le, és ezzel sikerült elérni a 108 neutron per másodperces hozamot, amit önmagában világcsúcsnak lehet nevezni. Akkor ezt az eredményt csak néhány másodpercig sikerült fenntartani, mert ilyen ismétlési frekvenciánál nem volt már stabil az elsődleges céltárgyunk, ahol a gyorsítás történik. Ezen a stabilitáson dolgoztunk majdnem egy évet, ez most már működik.
– Akkor itt valójában egy sorozat műszaki újítást is el kellett végezni? Miből áll a berendezés, amellyel a neutronkeltés történik?
– Láttuk, hogy miközben lézerrel gyorsítunk, plazma keletkezik. Csakhogy azon a helyen a céltárgy fóliája kilyukad. Mire a következő lövés érkezik, pótolni kell. Ezt először egy tárcsával oldottuk meg, amely lövésenként fordult egy kicsit. A tárcsa felülete azonban véges, hogy a cserét megelőzzük, 2023-ban kifejlesztettünk egy folyadéksugár céltárgyat. Két egymás felé mutató folyadéksugárral lövünk egymásra. A találkozási pontjuk után a két sugárra merőleges síkban ennek hatására folyadékhártya alakul ki; ezt használtuk fel céltárgyként. Az egész berendezés mérete kicsi, a folyadékhártya magassága körülbelül 1,5 mm, szélessége nem egészen 1 mm, lándzsa alakú, de van, aki szívnek mondja. Az ilyen elrendezéseket korábban folyadék-kromatográfokban, vegyész illetve biológus kollégák használták előszeretettel, tipikusan levegőben. A mi kölcsönhatásunk viszont vákuumban történik, hiszen a levegőben a gyorsított részecskék gyorsan elnyelődnek. A folyadékhártya vastagsága mindössze néhány száz nanométer. Úgy kell elképzelni a kísérletet, hogy van egy vákuumkamra, ebben működik a folyadék céltárgy. Csakhogy a folyadék, ha vákuumba kerül, rögtön felforr és elpárolog. Ez egyrészt elrontja a vákuumot, másrészt a párolgással hőt von el magától és befagy. Ezért áramoltatni is kell a folyadékot, illetve egyéb más körülményeket kell teremteni a vákuumban, hogy stabil maradjon. A folyadéksugárnak azonban bonyolult dinamikája van, elegendő egy kis rezgés a laborban, és instabillá válik. Olyan ez, mint amikor az ember egy hintát lök meg újra és újra, és ha jó frekvenciával teszi, akkor rezonancia állhat elő, elszállhat a hinta. Ez a jelenség itt is lezajlik, hiszen egy-egy érkező lézerimpulzusban energia van; amikor ezzel meglőjük a folyadékhártyát, az előbb-utóbb elkezd berezegni, és a rezonancia frekvencia környékén instabillá válik. 2023 nyarán volt az első olyan kísérletünk, amikor 10Hz-en, folyamatosan sikerült lőni, akkor az már nagyon szép eredmény volt.
Osvay Károly az SZTE Fizikai Intézet lézeres laboratóriumában. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
– Mi történt a nagyobb lövésszámon?
– Amikor tavaly felmentünk 1000 Hz-es ismétlési frekvenciára, akkor bekövetkezett a 10 Hz-en még nem érezhető instabilitás. Néhány perc után szétesett, lefagyott a folyadékhártya. Át kellett terveznünk a mechanikáját, a vezérlőit. Építettünk mellé egy külső lézeren alapuló pozícióstabilizáló egységet; mértük a sugár pozícióját, és ezt bizonyos aktuátorokkal korrigáltuk vissza. Az elmúlt háromnegyed év alatt komoly munkával beállítottuk a folyadékhártya helyzetét, jelenleg már bármilyen ismétlési frekvenciával, plusz-mínusz másfél fokon belül tudjuk tartani, legalábbis ez volt a legutóbbi eredmény. Ez pedig már elegendően pontos ahhoz, hogy a hártyától mint első céltárgytól körülbelül 18 centiméterre lévő neutronkonverterre eljusson a folyadékból származó ionnyaláb, és a konverteren neutronokat keltsen. Erre tagadhatatlanul büszkék vagyunk. A műszaki tudományos tervezésekből publikációk származtak, jelenleg is írunk nemzetközi tudományos folyóiratokba cikkeket az egyes eredményekről. Beadtunk két szabadalmat is, az egyik a deutériumgyorsítás optimalizálásáról, a másik pedig a folyadékhártya stabilizálásáról szól.
– Hogyan oldják meg, hogy a 108 másodpercenkénti neutronszám hosszabb ideig, folyamatosan működjön?
– Azt tapasztaltuk, hogy a neutronkeltés 108 körüli neutronszámot elérve egy-két óra alatt lecsökken a negyedére-ötödére. A csökkenés az oka, hogy a neutronkonverter felülete megég, és nem engedi tovább a deutériumokat. Újra egy tárcsás megoldást alkalmaztunk: egy kerékre tettünk deutérium konverter csíkokat, és a kereket megfelelő gyorsasággal forgattuk, hogy a felület károsodása eloszoljon. Két óra után ki kellett cserélni azt a kereket. Jelenleg azon dolgozunk, hogy a neutronkeltő egységet is kiváltsuk egy olyan megújuló, valószínűleg folyadékalapú céltárggyal, amiben ez a termikus hatás nem lép fel, tehát amellyel akár 24 órán keresztül is lehet üzemelni.
– A realitásokhoz ragaszkodva ön gyakran megemlíti, hogy a tényleges transzmutációs felhasználás még hosszadalmas fejlesztéseket igényel, de az orvosbiológiai alkalmazások már elérhető közelségben vannak.
– A lézerrel keltett neutronok sugárbiológiai kísérleti alkalmazását kezdettől tartalmazta a nemzeti laboratórium programja. Hideghéty Katalin, az SZTE Onkoterápiás Klinika Sugárterápiás Részlegének vezetője, az ELI orvosbiológiai alkalmazások kutatócsoportjának vezetőjével és munkatársaival immáron két kísérleti kampányt is folytattuk. Az eredményekről két előadásban számolnak be a pénteki konferencián. 2024 novemberében, az utolsó kísérleti héten, egy-egy besugárzással több mint 1,5 grey-nyi neutronsugár-dózist juttattunk a biológiai céltárgyakra. A kiértékelések még zajlanak, de az elmondható, hogy a kísérleti zebrahal embriók DNS kettőstörésére, illetve viselkedésére nézve szignifikáns hatást észleltünk.
Gérard Mourou és Osvay Károly az ELI ALPS-ban. Fotó: Balázs Gábor
– A konferencia programjában orvosi izotóp gyártásáról is szerepel egy előadás. Ilyen alkalmazás is lehet belőle?
– Az ELI-ben jelenleg is működik az általunk, a Szegedi Tudományegyetem kutatói által kifejlesztett neutronforrás, ezt a nyalábvonalat meghirdették az ELI legutóbbi felhasználói programjában, és a beérkezett 55 kutatói projektből 5 erre tervez kísérletet. Ennek keretében egy ausztrál egyetem által vezetett nemzetközi konzorciummal együttműködve végzünk majd proof of principle kísérleti kampányt az orvosi célú izotópgyártás terén. Azt vizsgáljuk, hogy lézer által keltett neutronokkal lehet-e, illetve milyen hatásfokkal ilyen izotópokat készíteni. Van néhány lépés a folyamatban, ami nem triviális, úgyhogy ezt kísérletileg szeretnénk kimutatni. A debreceni ATOMKI kutatóival, Elekes Zoltánnal, Fülöp Zsolttal és az Isotoptech-es Veres Mihállyal már évekkel ezelőtt elkezdtünk gondolkozni az orvos izotóp gyártásának lehetőségéről, és történtek is szimulációk. Ezzel párhuzamosan jelentkezett az ELI user programjában az ausztrálok vezette nemzetközi konzorcium.
– Milyen alkalmazásokra számít még?
– Menet közben tűnt ki, hogy önmagában az iongyorsítási eredményünk is jelentős. Az 1 KHz-es ismétlési frekvenciájú lézert használva 4 Watt átlagteljesítményű ionnyaláb lép ki a folyadékhártyából. Ez olyan erős ionnyaláb, amivel akár vágni is lehetne. Egy másik érdekes és felettéb hasznos alkalmazás lehet az űrtechnológiai elektronikus készülékek tesztelése. A világűrben a földi léthez képest kegyetlenek a körülmények. Az erős gamma-, ion-, és neutronsugárzás mellett vákuum van. Pont olyan körülmények, mint a mi kísérleti kamránkban. Az űrben használt elektronikus eszközöket eddig jobbára egy-egy hatás túlélésére tesztelték. A mi kölcsönhatási kamránkban nagyjából az összes hatás mellett lehetne tesztelni az eszközöket.
– Mi lesz a transzmutációs projekt következő 5 évének célja?
– Először is örömmel mondhatom, hogy az első periódus összes kitűzött célját elértük. Sikerült egy tényleges lézeres neutronforrást létrehoznunk, ami ebben a pillanatban egyedülálló. Folytonosan tudunk másodpercenként 108-on neutront előállítani. Egyelőre kicsit még ugrál a hozam a neutronkonverter megégése miatt, de ezt ki lehet küszöbölni. Nagyságrendi javulás akkor lehetne, ha egy nagyobb teljesítményű lézerünk lenne, mivel a lézer teljesítményének növelésével, egy kicsit annál jobban nő a neutronhozam. Jelenleg tehát van egy neutronforrásunk, amivel pilot study-kat lehet végezni, élő rendszerekre, izotóp készítésre vagy asztrofizikai alkalmazásokra. Ez évekig számíthat még a nemzetközi érdeklődésre. Közben azonban tovább kellene lépni a következő 5 évben. Olyan forrást szeretnénk készíteni, amellyel másodpercenként 1010 fölé tudjuk vinni a neutronhozamot. Ez már magasabb szint, amit további ipari vagy biológiai alkalmazásokra is lehetne használni.
Panek Sándor
A borítóképen: Dr. Osvay Károly fizikus, a Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium szakmai vezetője. Fotó: Kovács-Jerney Ádám
