Újabb megoldás az atomhulladékra

A nukleáris ipar egyik legtöbbet vitatott problémája és egyben legnagyobb gondja az atomerőművek kiégett fűtőelemeinek, a nagy aktivitású radioaktív hulladékoknak a biztonságos tárolása. Laboratóriumi kísérletek szintjén már működik egy nagyon bíztató megoldás ezek kezelésére, melynek során a sugárzó anyagokat újabb besugárzásnak vetik alá.

Az úgy nevezett transzmutáció azért előnyös, mert a radioaktív hulladékokban a hosszú felezési idejű izotópok rövidebb felezési idejűekké változnak, így lényegesen egyszerűbbé válik majd a tárolásuk. Az újabb besugárzásra intenzív neutronnyalábot használnak, amelynek érdekében Svájcban nemzetközi együttműködéssel minden eddiginél erősebb neutronforrást hoztak létre.

Az új kísérleti berendezés egy részecskegyorsítóval meghajtott, nagy intenzitású spallációs neutronforrás. A "spallation" angol szó, egyebek között szétrepedést, felhasadást, széthasadást jelent. Magyarul egyelőre - nem lévén jobb kifejezés - spallációnak nevezzük a folyamatot, a szétrepedés vagy a széthasadás ugyanis nem írja le jól a fizikai folyamatot. A hasadás szó különböző kombinációit pedig azért is kerüljük, hogy még véletlenül se hozhassák kapcsolatba a spallációt a tőle nagyon különböző atommaghasadással.

A spalláció nagy energiájú atommag-reakció, amely alkalmával nagy energiára felgyorsított részecskét, rendszerint protont lőnek ki a nehéz atommagokra. A proton mint egy nagy sebességgel száguldó puskagolyó, legyőzi a vele egyező töltésű atommag taszítását, behatol az atommagba, és ott leadja az energiáját. Az így megzavart, az energia-átvétellel gerjesztett állapotba került atommag átalakulásba kezd. Könnyű részecskéket, elsősorban neutronokat, kisebb számban protonokat, esetleg egészen könnyű atommagokat bocsát ki magából. A szétrepülő törmelékek közül a továbbiakban a neutronokra van szükségünk. Az egy gigaelektronvolt energiára felgyorsított protonokat ólom atommagokra lőve minden eltalált atommagból átlagosan 21 neutron lép ki.

Az eddigi kísérletekben szilárd céltárgyra lőtték rá a felgyorsított protonnyalábot. Az új berendezésben a céltárgy folyékony, 920 kg, acéltartályba zárt ólom-bizmut olvadék. A svájci Paul Scherrer Intézetben kilenc európai, japán, dél-koreai és amerikai kutatóintézet együttműködésével építették meg a MEGAPIE (Megawatt Pilot Experiment) kísérleti berendezést. Az elnevezésben a megawatt szó arra utal, hogy a nagy energiájú protonnyaláb teljesítménye ebbe a nagyságrendbe esik. A nagy energiájú részecskenyaláb a céltárgyba ütközve mintegy 580 kilowatt hőt ad át a céltárgynak, miközben 27 cm mélyre hatol be a fémolvadékba. Az ólom-bizmut olvadékot folyamatosan áramoltatják, és egy hőcserélőn átvezetve hűtik. A korábbi szilárd céltárgyat nem lehetett ilyen hatékonyan hűteni, ezért csak kevesebb energiát vehetett át a protonnyalábtól, és a kilépett neutronok száma is kisebb volt. Ezzel szemben a folyékony fém céltárgy 80%-kal több neutront adott le, miközben a másodpercenként kilépett neutronok száma elérte a száz-trilliót.

A MEGAPIE kísérleti berendezés négy hónapig működött zavartalanul. A protonnyalábot ezalatt körülbelül 8000-szer állították le, ám a rendszer minden alkalommal gyorsan újraindítható volt. A kísérletek végén a fémfolyadék lehűlt és megszilárdult. Most a szerkezeti elemek alapos vizsgálata következik, melynek során azt elemzik, hogy a nagy hőteljesítmény és a hatalmas neutron-fluxus milyen hatással volt a rendszer alkotórészeire.

A spallációnál nincs láncreakció, hiszen a céltárgy anyagai, például a volfrám, a higany vagy a tantál atommagjai neutronok hatására nem hasadnak el. Nincs szükség tehát bonyolult szabályozási mechanizmusokra, és a végtermékek között sem lesznek hasadóképes anyagok. Ugyanakkor a mai, neutronforrásul szolgáló kísérleti atomreaktorok neutronnyaláb-intenzitását spallációs forrással 10-100-szorosan lehet felülmúlni. Emellett a protonok felgyorsítására szolgáló részecskegyorsító megépítése és üzemeltetése lényegesen egyszerűbb és olcsóbb is, mint az atomreaktoroké. A MEGAPIE mellett szerzett tapasztalatok majd a következő kísérleti rendszer megépítésénél hasznosulnak. A kutatók lépésről-lépésre, fokozatosan haladnak az ipari méretű elemátalakításra képes rendszer létrehozása felé.