Debrecen, 2007.okt.30
Az ESS Európai Neutronkutató Központ Magyarországon: egyszeri történelmi lehetöség F. Mezei
Az európai “business case”
Energy balance is a key element for efficient neutron production: fast neutrons produced / joule energy or heat Fission reactors:
~ 109
(in ~ 50 liter volume)
Spallation:
~ 1010
(in ~ 2 liter volume)
Fusion:
~1.5x1010 (in ~ 2 liter volume)
(but neutron slowing down efficiency reduced by ~20 times)
Photo neutrons:
~ 109
Nuclear reaction (p, Be): ~ 108 Laser induced fusion:
~ 104
(in ~ 0.01 liter volume) (in ~ 0.001 liter volume) (in ~ 10-9 liter volume)
Spallation: the technology for foreseeable future
A magyar “business case” Európai tudományos aréna.
A 2006 októberében megjelent EU ESFRI (European Strategy Forum for Research Infrastrucutres) jelentés 35 stratégiailag kulcsfontosságú nagyberuházást javasol Európa technológiai és gazdasági versenyképessége jövőjének megalapozására. Ezek közül az
ESS Neutronkutató Központ az egyetlen olyan nemzetközileg finanszírozandó létesítmény, amelynek Magyarországon való megvalósítására reális esély van. Ez az esély, azon a kivételes szerencsén túlmenően, hogy a koncepcionális tervezés lezárása ellenére sem eldöntött az ESS helyszíne, két körülményen alapszik. Ezek egyike a hazai neutronkutatás nemzetközi elismertsége (az ESS terve magyar kutató által felfedezett koncepciókra alapszik, a Budapesti Kutatóreaktor Neutronközpont az EU által nemzetközi felhasználói státusszal nyilvántartott 7 legjelentősebb centrum egyike). A másik pedig az, hogy az ESS nemzetközi tudományos szolgáltatást nyújtó nyereséges vállalkozás formájában való hazai megvalósításának nemzetgazdasági paraméterei nagyon kedvezőek.
Kivételes történelmi lehetıség.
Az ESS terve 18 nyugat-európai kutatóintézet közremőködésével készült el 2003-ig, azzal a hallgatólagos feltételezéssel, hogy a németországi FZ-Jülich-ben, a projektiroda színhelyén kerül majd megvalósításra. A német kormány azonban, miután egy új nemzeti neutronkutató intézet, a müncheni kutatóreaktor ekkortájt lépett müködésbe, két más szakterületen tervezett, hasonló méretü nemzetközi nagyberendezés megvalósítása mellet döntött. (Ezek: a FAIR iongyorsító a darmstadti GSI intézetben és az XFEL szabad elektron lézer a hamburgi DESY-ben.) Így,
kivételes módon – a nagy európai országok szokásaitól és terveitıl eltérıen – lehetıség nyílott a kisebb európai országok számára egy kiemelkedı nemzetfejlesztési lehetıség nemzetközi finanszírozással való megvalósítására. Ez a történelmi alkalom erıteljes versengéshez vezetett a svéd, spanyol és magyar ESS helyszínjavaslatok között. Sıt ezeken túl még két angliai javaslatról is érkezett formális bejelentés. Ez utóbbiak célja, minden jel szerint, a döntés elodázása néhány évvel, mindaddig, amíg az Oxford melletti angol neutronkutató intézet nagyvolumenő kibıvítésének jelenlegi munkálatai befejezıdnek és egy következö, új angliai nagyberuházás a neutronkutatás területén jó esélyekkel javasolható lesz.
Nemzetfejlesztési jelentıség.
Az ESS révén évtizedekre az egyik legnagyobb európai tudományos beruházás születne meg Magyarországon. Az ESS a grenoble-i ILL-t (Institut Laue-Langevin, mely a világ jelenleg vezetı kutatóreaktorát üzemelteti) fogja felváltani, mint Európa egyik zászlóshajója
a modern anyagkutatás területén, különösen tekintettel nano- és élettudomá-nyokra. Nem véletlen, hogy a majdani ESS két legerısebb vetélytársa, az US amerikai SNS (üzembehelyezés megkezdödött 2006-ban) és a Japán J-PARC (üzembehelyzés 2008) mellé nagy nanoscience és molekuláris biológiai kutatóközpontokat telepítenek. Az elmúlt fél évszázad alatt, nem jelentéktelen magyar szellemi hozzájárulással, kiépített európai vezetı szerep folytatójaként, az ESS világviszonylatban is a neutron-szakma Mekkája lesz, legalább a következı fél évszázadra. Az ESS mintegy 5000 európai
vendégkutatónak fog páratlan kutatási lehetıségeket biztosítani egy magyarországi kompetencia-központban, és az itt született kisérleti eredmények évente kb. 1000 magas szintő tudományos publikációban fognak lecsapódni a fizika, kémia, anyagtudományok, biológia, mérnöki tudományok, kulturális örökség ápolása területén. Ezen munkák kb. 2-3 %-a lesz hazai kezdeményzéső kutatás. Ez a nemzetközi vezetı szerep egy kulcsfontosságú kutatási területen és az élénk nemzetközi kutatómunka hazai földön jelentısen hozzá fog járulni a belsı és külsı országkép javításához és nagy élénkítı hatással lesz mind a hazai gazdaságra és innovacióra, mind a tudásalapú intellektuális környezetre.
Közvetlen gazdasági jövedelmezıség. Az ESS megvalósításával az ország egy új üzletágban, a nemzetközi tudományos csúcs-szolgáltatás területén fog a világ egyik legrangosabb szereplıjeként megjelenni, úgy is mint a hazai sokrétő kompetenciabázis élı példája. Az ESS építése és üzemeltetése mai
értékben évente átlagosan kb. 20 milliárd Ft külföldi tıke beáramlásását fogja biztosítani egy – a jogi formáját tekintve – Magyarországon bejegyzett magánvállakozás finaszírozására, kormányszintő szerzıdések révén legalább 30 évre elıre garantálva. Ez a tıkebeáramlás és az általa finaszírozott tevékenység jelentıs mértékben hozzá fog járulni a közteherviseléshez és kincstári bevételekhez. A befolyó tıke elköltési profilja hasonlítani fog a külföldi nagyvállalatok hazai termelı beruházásaihoz (pl. gyárépités). Ilyen esetekben, a nemzetközi konkurrencia által megkövetelt, közismert módon és mértékben, a beruházásból eredı közvetlen kincstári haszon alapján folyósított beruházás-ösztönzı támogatás elengedhetetlen része a folyamatnak. Ugyanez érvényes, hasonló normákkal az ESS-t finaszírozó nemzetközi konzorcium létrehozására irányuló üzleti tervekre. Az ESS beruházás gazdasági feltételeit és eredményeit elemzı közgazdasági szakértıi tanulmányok részletes eredményei titkosak (mint a svéd és spanyol helyszínek esetén) a külföldi parnerekkel folytatandó pénzügyi tárgyalásokra való tekintettel.
Közvetett gazdasági, nemzetfejlesztési jövedelmezıség.
Egy tudományos és technikai csúcsteljesítményt megvalósító infrastrukturális nagyberuházás létrehozása és üzemeltetése jelentıs másodlagos (tehát a befolyó tıke forgása folyamán közvetlenül generált kincstári jövedelmektıl független és azokon túlmenı) nemzetgazdasági haszonnal is jár, a gazdasági fejlıdés élénkítése és katalizálása révén. Az ESS évi 20 milliárd Ft-ot meghaladó költségvetésével egyrészt piacot jelent többek között újszerő, magas technikai és innovációs tartalmú szolgáltásokra és termékekre. Másrészt új tudást és technológiát hoz létre, amelynek hasznosítása lehetıséget nyújt új vállalkozások megjelenésére, belsı és külsı magánforrásokra alapuló tıkebefektetésre. A svéd és spanyol ESS tervkoncepciókban szerpelnek erre vonatkozó adatok. A
svéd társadalmi-gazdasági hatástanulmány konklúziója szerint az ESS gazdaság-élénkítı hatása, megfelelı szervezés mellett, a nemzeti jövedelmet évi 450 Millió €-val növeli és 6000 új munkahelyet teremt. A spanyol terv az ESS-n túlmenıen 8000 új munkahellyel számol, amibıl 2000 kutatói és fejlesztıi, 6000 pedig magas technológiai ipari profilú.
Magyar tudományos használat. Az ESS létrehozása és mőködtetése a gazdasági szférába tartozó, szolgáltató vállalkozás formájában fog megvalósulni. A szolgáltatás élvezıi alapvetıen a partner országok tudományos intézményei, a költségekhez való, szerzıdésben vállalt hozzájárulásuk arányában. Magánvállalatok eseténként vásárolhatnak kutatási lehetıségeket vagy közvetlenül az ESS-tıl (tartalékolt mőszerhasználati idı kontingens terhére) vagy a partner országok illetékes intézményéitıl, ügynökségeitıl az illetı ország szerzıdött kontingense terhére. A magyar K+F szféra a többi partner országhoz hasonlóan és azokkal egyenrangúan fog a hazai kutatás számára biztosítandó kapacitásról dönteni, lényegében függetlenül az ESS helyszínétıl. A magyar K+F és GDP volumenébıl
kiindulva Európai viszonylatban, az ESS kapacitás 2 %-ára becsülhetı a magyar kutatási szükséglet, ami mind az építkezés, mind az üzemeltetés során átlagosan évi kb. 500 millió Ft-ot jelent (mai értékben). Az ESS-hez való csatlakozás lehetséges lesz mind az építkezés megindulásakor, mind pedig késıbb. Ez utóbbi esetben a hozzájárulás mértéke a visszamenı építkezési költségeket és azok kamatait is tartalmazni fogja.
Hatás a hazai kutatásra.
Mivel az ESS finanszírozása teljesen a magyar K+F szféra költségvetésén kívül és attól függetlenül történik, elsı közelítésben nem játszik lényeges szerepet a magyar kutatás számára, hogy itthon vagy kölföldön épül-e fel. Az ESS helyszínén, e nagyberuházás gazdaságélénkítı szerepe önmagában is katalizáló hatással lesz a K+F területre is, különösen a magas technológiai hányada révén. Ezen túlmenıen a természettudományok szinte minden területérıl, a világ minden tájáról rendszeresen idelátogató vezetı kutatókkal való közvetlenebb kapcsolatok is pozitívan fognak hatni a hazai tudomány fejlıdésének dinamizmusára. Az ország tudományos és technológia felzárkózásához az is hozzá tartozik, hogy
a „brain drain“ necsak itthonról külföldre, hanem a fordított irányban is mőködjön. Ehhez az ESS páratlan eszköz lesz. Továbbá, az ESS jelentıs hozzájárulása a nemzetgazdasághoz ugyancsak erısíteni tudja a tudományos kutatás szerepének hazai értékelését és támogatottságát.
A “science case” A neutronkutatás: egyedülálló informació az anyagokról. “Hol vannak az atomok és mit csinálnak?”
Life sciences
Neutrons see hydrogen atoms: e.g. H20 in DNA
Engineering
Neutrons see inside bulky parts E.g. (tensile) stress that caused wheel failure (M. Grosse et al. J. Neutr. Res. 2001)
ICE accident, Eschede
Standard engineering theory and practice on plastic deformation stresses was wrong end of XXth !!
Functional materials Neutrons see motion in nanoscale space-time domain: 1 - 10 nm, 0.1 - 100 ns 1,00
NSE intensity
0,75
de Gennes reptation
0,50
0,25
0,00
REPTATION 0
50
time
100
[ns]
150
Cultural heritage
Tiziano Vecellio, gen. Tizian, Mädchen mit Fruchtschale (um 1555) Gemäldegalerie zu Berlin F. Mezei, ESS WR-Audit Juelich, 10.-11. Dec. 2001
Cultural heritage
Neutron activation radiography
Tiziano Vecellio, gen. Tizian, Mädchen mit Fruchtschale (um 1555) Gemäldegalerie zu Berlin
(B. Schröder-Smeibidl et al BENSC Statusbericht 2002)
F. Mezei, ESS WR-Audit Juelich, 10.-11. Dec. 2001
Cultural heritage
X-ray radiography
Neutron activation radiography
F. Mezei, ESS WR-Audit Juelich, 10.-11. Dec. 2001
Cultural heritage
X-ray radiography
Neutron activation radiography
Az anyagok vizsgálatához sokoldalú információ kell! F. Mezei, ESS WR-Audit Juelich, 10.-11. Dec. 2001
SNS, Oak Ridge, TN: a konkurrencia (+ J-PARC, Tokai, Ibaraki)
ESS technológia: “long pulse” több neutron per Ft, kisebb komplexitás
Optimized long pulses sources produce much higher time average and higher peak flux at equal cost and technical complexity than short pulses in the cold and thermal neutron range. Stronger limitations in energy/pulse for short pulses. Example: 450 kj/pulse long pulses (350 MW inst.) vs 23 kj/pulse short pulse (15 GW inst.: SNS) 15
Optimized LPSS 7.5 MW SNS thermal moderators
λ=1Å
2.0x10
15
1.2x10
optimized LPSS 7.5 MW SNS cold moderators
λ =6 Å
14
2
4.0x10
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
2
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
6.0x10
15
8.0x10 1 3
4.0x10
13
0.0
0.0 0
500
1000
Time [µs]
1500
0
500
1000
Time [µs]
1500
Optimized long pulses sources produce much higher time average and higher peak flux at equal cost and technical complexity than short pulses in the cold and thermal neutron range. Stronger limitations in energy/pulse for short pulses. Example: 450 kj/pulse long pulses (350 MW inst.) vs 23 kj/pulse short pulse (15 GW inst.: SNS) 15
Optimized LPSS 7.5 MW SNS thermal moderators
λ=1Å
2.0x10
15
1.2x10
optimized LPSS 7.5 MW SNS cold moderators
λ =6 Å
14
2
4.0x10
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
2
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
6.0x10
15
8.0x10 1 3
4.0x10
13
0.0
0.0 0
500
1000
Time [µs]
15 x
1500
0
500
1000
Time [µs]
1500
Optimized long pulses sources produce higher peak flux than short pulses in the cold and thermal neutron range. Stronger limitations in energy/pulse for short pulses. Cost and complexity of accelerator system are comparable. Example: 450 kj/pulse long pulses (350 MW inst.) vs 23 kj/pulse short pulse (15 GW inst.: SNS)
15
Optimized LPSS 7.5 MW SNS thermal moderators
λ=1Å
2.0x10
15
1.2x10
optimized LPSS 7.5 MW SNS cold moderators
λ =6 Å
14
2
4.0x10
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
2
Instantaneous flux [n/cm /s/str/Å]
6.0x10
15
8.0x10 1 3
4.0x10
13
0.0
0.0 0
500
1000
Time [µs]
1500
0
500
1000
Time [µs]
Tricky multiplexing disc chopper systems and long supermirror based neutron guides allow us to shape the neutron pulses for all applications.
1500
Huge gain in useful neutron intensity Example: reflectometer for nano-layers (e.g. GMR) 2 – 5 Å wavel. band
δλ/λ ~ 5 % at 4 Å 800
ISIS TS 1 SNS ESS ILL
700
Instantaneous neutron flux [a.u.]
Choppers: 7500 RPM Beam width: 50 mm
600
Useful beam intensity: peak / excessive resolution
500 400 300 200 100
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Time [ms]
2.5
3.0
3.5
4.0
Steady state sources: approximate equivalence of TOF and monochromator methods amply demonstrated
Huge gain in useful neutron intensity Example: reflectometer (~15 m) δλ/λ ~ 0.25 % at 4 Å 800
ISIS TS 1 SNS ESS ILL
700
Instantaneous neutron flux [a.u.]
Choppers: 15000 RPM Beam width: 25 mm
600
Pulse shaping also offers higher resolutions
500 400 300 200 100
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Time [ms]
2.5
3.0
3.5
4.0
ESS: kvantum ugrás és új perspektívák a neutronforrások fejlödésében 17
16
10
2037??
2
Source Figure-of-Merit [n/cm /s/str/Å]
10
15
10
2017
14
10
13
10
2007
ESS
12
10
ILL
1958
11
10
0
1
2
3
4
5
Wavelength [Å]
6
7
8
